WO2018117284A1 - 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a displacement measuring device using an optical fiber grating sensor, and more particularly, a displacement measuring device using an optical fiber grating sensor for measuring displacement using an optical fiber grating sensor stretched according to the displacement of a measurement object, and its sensitivity and durability. It relates to a control method.
- an optical fiber sensor is a sensor for estimating a measurement amount using a change in the intensity of light passing through the optical fiber, the refractive index and the length of the optical fiber, the mode, and the polarization state.
- the main component of the optical fiber is made of quartz glass, and the optical fiber sensor is composed of a core part which is a germanium-doped optical fiber so that the refractive index is slightly higher, and a cladding part which is an overlay layer protecting the center.
- Light incident on the optical fiber core is reflected at the interface between the high refractive index core layer and the low refractive index cladding layer and propagates along the optical fiber core portion.
- the optical fiber sensor is classified into intensity type, phase type, diffraction grating type, mode modulation type, polarization type, distribution type, etc. according to the effect used, and includes voltage, current, temperature, pressure, strain, rotation rate, sound, and gas concentration. It provides a variety of measurements.
- the optical fiber sensor is capable of ultra-precision wideband measurement, is not affected by electromagnetic waves, is easy to telemetry, does not use electricity in the sensor unit, and has excellent corrosion resistance of silica material, so that there is almost no restriction on the use environment.
- the representative among the optical fiber sensors is the optical fiber sensor of the Fiber Bragg Grating Sensor type.
- An optical fiber grating sensor is a sensor using a characteristic in which several optical fiber Bragg gratings are carved on a strand of optical fiber according to a certain length, and then the wavelength of light reflected from each grating varies according to external conditions such as temperature or intensity.
- the optical fiber grating sensor causes a change in the light refraction in the grating when deformation occurs due to the action of physical force on the grating-forming optical fiber, and the optical fiber is fixed by measuring the strain of the optical fiber by measuring the change in the refraction.
- the strain of a structure can be measured to determine the loads and stresses on the structure.
- the optical fiber grating sensor changes the refractive index of the core portion of the optical fiber at regular cycles and selectively reflects only light having a specific wavelength.
- Such a fiber optic grating sensor has a unique wavelength value and is excellent in physical properties such as being unaffected by electromagnetic waves and replacing the existing electric gauge, and its use range is rapidly increasing. have.
- the optical fiber grating sensor uses the principle of total reflection where all the light within a certain angle is reflected at the interface when light travels from the high refractive index material to the low refractive material in the optical fiber, and thus the strain, angle, acceleration, displacement, temperature, and pressure displacement. It is used as a sensor for detecting a lamp.
- Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1057309, published August 16, 2011
- Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-00992628, November 5, 2010
- the optical fiber has a very low energy loss has a low loss rate of data to be transmitted and received, and has little advantage due to external factors.
- Such an optical fiber has a characteristic that the thermal expansion coefficient is about 1/20 smaller than that of iron, and that the fiber easily breaks when the elongation is about 3 to 5% or more.
- the optical fiber grating sensor has a very high tensile force per unit area, while its diameter is very small, about 125 ⁇ m, so it can be easily broken by external impacts. Therefore, a delicate work is required when it is attached to a measurement object such as a building or a pier. .
- the optical fiber grating sensor has a problem that the elongation is broken or damaged when the elongation is about 0.5 to 1% or more in the manufacturing process.
- the optical fiber grating sensor may exhibit a different wavelength due to the change in the refractive index with the temperature change therein.
- An object of the present invention is to solve the problems as described above, and to provide a displacement measuring device using an optical fiber grating sensor for measuring the displacement using an optical fiber grating sensor that is stretched according to the displacement of the measurement object.
- Another object of the present invention is to provide a displacement measuring apparatus using the optical fiber grating sensor and a sensitivity and durability control method thereof by controlling the sensitivity and durability of the optical fiber grating sensor to prevent breakage and damage.
- the displacement measuring device using the optical fiber grating sensor according to the present invention when applied to the acceleration sensor using the optical fiber grating sensor, the case forming the appearance, in advance in the vertical direction inside the case
- the load due to the vibration of the measurement target including first and second optical fibers spaced apart by a predetermined interval and load applying means installed between the first and second optical fibers and applying a load to the first and second optical fibers It is characterized by measuring the direction and magnitude of the acceleration by using the change of the wavelength output from each of the optical fiber grating sensors installed in the first and second optical fiber by the vertical movement of the application means.
- the displacement measuring device using the optical fiber grating sensor when applied to the strain sensor using the optical fiber grating sensor, a pair of attachment members spaced apart by a predetermined interval, the A third and fourth optical fiber installed in a horizontal direction between the pair of attachment members and a connection provided between the third and fourth optical fibers and fixed at a predetermined position by a tension applied to the third and fourth optical fibers It is possible to adjust the measurement sensitivity and durability by installing an optical fiber grating sensor in any one of the third and fourth optical fibers provided with a different number of strands, including means.
- the displacement measuring device using the optical fiber grating sensor and the sensitivity and durability control method according to the present invention is selectively selected from a pair of optical fibers installed with different number of strands on both sides of the connecting means.
- the displacement measuring apparatus using the optical fiber grating sensor according to the present invention, by providing a load applying means between a pair of optical fibers installed in parallel with each other, the tensile force and the compressive force respectively acting on the pair of optical fibers when vibration occurs The effect is that the acceleration can be measured using the change.
- the displacement measuring device using the optical fiber grating sensor and the sensitivity and durability control method according to the present invention by selectively installing the optical fiber grating sensor in any one of the pair of optical fibers installed with different number of strands, the measurement sensitivity of the strain sensor And the endurance can be adjusted.
- an effect of increasing the measurement sensitivity can be obtained by providing an optical fiber grating sensor in an optical fiber having few strands among a pair of optical fibers.
- an effect of improving the durability of the optical fiber and the optical fiber grating sensor can be obtained by installing an optical fiber grating sensor in the optical fiber having a large number of strands among a pair of optical fibers.
- the effect of adjusting the absolute ratio of the actual strain of each optical fiber is obtained by adjusting the length ratio of the pair of optical fibers provided with different number of strands.
- a sensor fixing device by using a sensor fixing device, not only the measurement object in the plane form, but also the uneven surface or the curvature such as the tunnel, or the distortion of the measurement object by installing the strain sensor on the surface twisted from side to side The effect that can accurately measure is obtained.
- FIG. 1 is a configuration diagram of an acceleration sensor using an optical fiber grating sensor according to a first embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a front view of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a second embodiment of the present invention
- FIG. 3 is a plan view of the strain sensor shown in FIG.
- FIG. 4 is a configuration diagram of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a configuration diagram of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
- 6 and 7 illustrate strain sensors installed on a measurement object.
- the present invention prevents damage to the optical fiber grating sensor by adjusting the sensitivity and durability of the optical fiber grating sensor in the process of measuring the displacement using the optical fiber grating sensor that is stretched according to the displacement of the measurement object.
- FIG. 1 is a configuration diagram of an acceleration sensor using an optical fiber grating sensor according to a first embodiment of the present invention.
- the acceleration sensor 10 using the optical fiber grating sensor according to the first embodiment of the present invention has a predetermined interval along a vertical direction inside the case 11 and the case 11 forming an outer shape.
- Load applying means provided between the first and second optical fibers 12 and 13 and the first and second optical fibers 12 and 13 spaced apart from each other and applying a load to the first and second optical fibers 12 and 13 (14).
- the case 11 is formed in a rectangular parallelepiped shape having a height higher than the horizontal and vertical lengths, and may be attached to a measurement target or fixedly installed using a bolt or the like.
- the first and second mounting members 15 and 16, on which the first and second optical fibers 12 and 13 are installed, may be provided between the upper end and the lower end of the case 11.
- the first and second mounting members 15 and 16 may be formed in a disc shape to prevent damage or deformation of the first and second optical fibers 12 and 13 after the installation process and the completion of the installation.
- the first and second optical fibers 12 and 13 are installed side by side in the case 11 and spaced apart by a predetermined interval along the vertical direction, respectively, and at least one of the first and second optical fibers 12 and 13
- One or more optical fiber grating sensors may be installed.
- the load applying means 14 may be manufactured at a predetermined load and attached to central portions of the first optical fiber 12 and the second optical fiber 13, respectively.
- the load applying means 14 may be formed in a hexahedral shape, or may be formed in a disk shape.
- the first and second optical fibers 12 and 13 may be attached to the outer circumferential surface of the load applying means 14 or wound 0.5 times or more. .
- the guides 17 may be respectively installed on the left and right sides of the load applying means 14 to limit the horizontal movement of the load applying means 14.
- Displacement limiting means 18 for limiting the displacement of the load applying means 14 may be provided on the upper and lower sides of the load applying means 14 to prevent damage to the optical fiber due to excessive displacement.
- the first and second optical fibers 12 and 13 may be wound by different times and installed with different number of strands.
- the first optical fiber 12 is wound around the first mounting member 15 and the load applying means 14 times, respectively, and installed in two strands
- the second optical fiber 13 includes the second mounting member ( 16) and the load application means 14 can be installed in four strands, each wound one time.
- the load applying means 14 is installed between the first and second optical fibers 12 and 13 as described above, the load applying means 14 is loaded on the upper portions of the first and second optical fibers 12 and 13. Tensile force is generated, and a compressive force is generated by the load applying means 14 in the lower portions of the first and second optical fibers 12 and 13.
- the load applying means 14 moves upward, the tensile force acting on the upper portions of the first and second optical fibers 12 and 13 is removed, the compressive force is applied, and the first and second optical fibers 12 At the bottom of 13, the compressive force is removed and a tensile force is applied.
- a total of four optical fiber grating sensors are installed on the upper and lower portions of the first and second optical fibers, respectively, to accurately measure the direction and magnitude of acceleration by using the wavelength change output from each optical fiber grating sensor due to vibration. Can be.
- the present invention provides a load applying means between a pair of optical fibers installed in parallel with each other, so that acceleration can be measured using a change in tensile force and compression force respectively acting on the pair of optical fibers when vibration is generated.
- FIG. 2 is a front view of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a second embodiment of the present invention
- Figure 3 is a plan view of the strain sensor shown in FIG.
- the strain sensor 20 using the optical fiber grating sensor according to the second embodiment of the present invention includes a pair of attachment members 21 and a pair of installation members spaced apart by a predetermined interval.
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 and the third and fourth optical fibers 22 and 23 installed in the horizontal direction between the attachment members 21 and the third and fourth optical fibers 22 and 23. It includes a connecting means 24 is fixed at a predetermined position by the tension applied to the).
- the attachment member 21 is formed in a substantially rectangular plate or hexahedron shape, and may be attached to a measurement target or fixedly installed using a bolt or the like.
- the pair of attachment members 21 may be provided with third and fourth installation members 25 and 26 on which the third and fourth optical fibers 22 and 23 are installed, respectively.
- the third and fourth mounting members 25 and 26 may be formed in a disk shape to prevent damage or deformation of the third and fourth optical fibers 22 and 23 after the installation process and the completion of the installation of the optical fiber and the optical fiber grating sensor. .
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 are respectively installed along the left and right directions between the pair of attachment members 21, and the third and fourth optical fibers 22 and 23 are provided with at least one optical fiber grating sensor (not shown in the drawings). May be installed.
- connection means 24 may be formed in a disk shape or a ring shape by using a hard metal material such as aluminum or a synthetic resin material in order to minimize the load applied to the third and fourth optical fibers 22 and 23.
- a plurality of installation grooves 27 in which respective strands of the third and fourth optical fibers 22 and 23 are installed may be formed on the outer circumferential surfaces of the connecting means 24 and the third and fourth installation members 25 and 26. Can be.
- the installation groove 27 increases the friction force acting between each strand of the third and fourth optical fibers 22 and 23 and the connecting means and the outer circumferential surfaces of the third and fourth mounting members 25 and 26 to fix each strand. In order to do so, it may be formed in a V shape.
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 are connected to the third and fourth optical fibers 22 and 23. It is possible to increase the friction force between the means 24 and the third and fourth installation members 25, 26.
- the present invention is not necessarily limited thereto, and the lower end portion of the installation groove 27 is formed in a plane to be in line contact through three lines, or the installation groove 27 is formed in a semi-circular shape or a U shape to make a surface contact. It may be changed to make.
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 may be installed in a state in which at least 0.5 times are wound on the outer peripheral surfaces of the connecting means 24 and the third and fourth mounting members 25 and 26 formed in a disk shape, respectively. .
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 may be installed with different number of strands by winding different times.
- the third optical fiber 22 is wound around the third mounting member 25 and the connecting means 24 once, respectively, and installed in a total of four strands.
- the optical fiber 23 is wound twice each of the fourth installation member 26 and the connecting means 24 may be installed in a total of eight strands.
- the third and fourth optical fibers 22 and 23 change according to the length ratio and the cross sectional area ratios of the third and fourth optical fibers 22 and 23
- the third and fourth optical fibers ( The lengths and diameters of 22 and 23 may be set identically.
- the present invention is not necessarily limited thereto, and the third and fourth optical fibers 22 and 23 are mutually provided by providing one or more strands of the third optical fiber 22 and two or more strands of the fourth optical fiber 23. Can be changed to install with different strand numbers.
- the tension acting on each strand can be varied depending on the number of strands.
- the tension acting on each strand of the third optical fiber 22 acts on each strand of the fourth optical fiber 23. It is twice the tension.
- Table 1 is a change table according to the tension of the optical fiber.
- Table 1 describes the amount of change in tension with an optical fiber having a diameter of about 125 ⁇ m and a reference wavelength of 1550 nm.
- the wavelength output from the optical fiber may be changed by about 1.32 nm by the amount of tension change, and by about 1.2 nm when the length of the optical fiber is changed by about 1000 ⁇ and the amount of change is 0.1%.
- the tension applied to each strand of the third optical fiber 22 is about 100 g, and the angles of the fourth optical fiber The tension on the strand is about 50 g.
- the wavelength output from the third optical fiber 22 is changed by about 1.32 nm by the amount of tension change 100g acting on each strand, and the wavelength output from the fourth optical fiber 23 is 50g tension acting on each strand. It changes by about 0.66 nm.
- the amount of change in length of the third optical fiber 22 is twice the amount of change in length of the fourth optical fiber 23.
- the wavelength output from the third optical fiber 22 is changed by about 1.32 nm by 100 g of the tension change acting on each strand, and the wavelength output from the fourth optical fiber 23 is changed by 50 g of the tension change acting on each strand. By 0.66 nm.
- the present invention provides a pair of optical fibers having different number of strands on both sides by using the connecting means, so that the strain of the measurement target can be measured using the wavelength change according to the amount of tension change and the length change of each fiber. have.
- the present invention can increase the measurement sensitivity by providing an optical fiber grating sensor in the third optical fiber with a small number of strands.
- the present invention can improve the durability of the optical fiber grating sensor by reducing the length change amount by installing the optical fiber grating sensor in the fourth optical fiber having a large number of strands.
- the present invention can adjust the measurement sensitivity and durability of the strain sensor by selectively installing the optical fiber grating sensor in any one of the pair of optical fibers installed with different number of strands.
- the outer ends of the third and fourth optical fibers are drawn to both sides, respectively.
- the present invention may include one side end of the third and fourth optical fibers installed with the optical fiber grating sensor. It is preferable to install so that it may draw out.
- the side ends of the respective optical fibers may be installed to be drawn outward.
- the present invention further provides a temperature compensation optical fiber grating sensor to prevent the wavelength change due to the refractive index change of the optical fiber grating sensor according to the temperature change in the state where the optical fiber grating sensor is applied to the acceleration sensor 10 and the strain sensor 20. It may include.
- FIG. 4 is a configuration diagram of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a third embodiment of the present invention.
- the strain sensor 20 using the optical fiber grating sensor according to the preferred embodiment of the present invention is similar to the configuration of the strain sensor 20 described with reference to FIG. 2, as shown in FIG. 4, but with a connection means 24.
- a fifth optical fiber 28 selectively installed on at least two of the third and fourth mounting members 25 and 26 and having a temperature compensation optical fiber grating sensor (not shown) installed on one side thereof.
- the fifth optical fiber 28 is provided separately from the third and fourth optical fibers (22, 23), is installed in the connecting means 24 and the third mounting member 25, or the connecting means 24 and the fourth It may be installed on the mounting member 26, or may be installed on both the connecting means 24 and the third and fourth mounting members (25, 26).
- the fifth optical fiber 28 has a tension applied to at least two of the connecting means 24 and the third and fourth mounting members 25 and 26 in order to prevent a change in the wavelength output due to the change in tension. It may be loosely installed so that it does not work.
- the temperature compensation optical fiber grating sensor can output the wavelength changed according to the temperature change regardless of the tension change.
- the fifth optical fiber is provided separately from the third and fourth optical fibers.
- the third or fourth optical fiber is loosely installed on the connecting means and the installation member one or more times, and the optical fiber is It can be changed to install the grating sensor.
- the present embodiment has been described as being applied to the strain sensor described in the second embodiment, the present invention may be modified to precisely adjust the temperature compensation value by applying the fifth optical fiber to the tilt sensor described in the first embodiment. .
- the present invention loosely installs the connecting means installed between the pair of attachment members and the fifth optical fiber provided with the temperature compensation optical fiber grating sensor at two or more of the third and fourth mounting members to compensate for the temperature change. It can be adjusted precisely.
- the present invention can adjust the strain by adjusting the length ratio of the third optical fiber and the fourth optical fiber.
- FIG. 5 is a configuration diagram of a strain sensor using an optical fiber grating sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
- the strain sensor 20 using the optical fiber grating sensor according to the fourth embodiment of the present invention is similar to the configuration described with reference to FIGS. 2 and 3, as shown in FIG. 5, except that the third and fourth optical fibers ( 22, 23) may be changed differently.
- the length ratio of the third and fourth optical fibers 22 and 23 may be adjusted by adjusting the position of the connecting means 24.
- the length ratio of the third and fourth optical fibers 22 and 23 may be set in various ways such as 2: 1, 5: 1, 1: 2, and the like.
- the strains of the entire third and fourth optical fibers 22 and 23 are always the same even if the length ratio is changed.
- the present invention can increase the length of the third optical fiber and reduce the length of the fourth optical fiber can improve the durability of the optical fiber and the optical fiber grating sensor.
- the present invention can control the absolute value of the actual strain rate of each optical fiber by adjusting the length ratio of the pair of optical fibers provided with different number of strands.
- 6 and 7 are diagrams illustrating a strain sensor installed on a measurement target.
- FIG. 6 illustrates a strain sensor installed on a measurement object in a planar shape
- FIG. 7 illustrates a strain sensor installed on an uneven surface of a measurement object or a surface having a curvature such as a tunnel or a surface twisted from side to side. .
- the strain sensor 20 using the optical fiber grating sensor according to the present invention may be installed on the measurement target using the sensor fixing device 30 as shown in FIGS. 5 and 6.
- the sensor fixing device 30 may include a protective tube 31 in which the strain sensor 20 is accommodated therein and a pair of fixing brackets 32 fixing both ends of the protective tube 31 to the measurement target.
- Each fixing bracket 32 is provided as a block having a substantially 'cross' shape when viewed from the top, and both ends of the protective tube 31 may be coupled to opposite sides of each fixing bracket 32, respectively.
- Each fixing bracket 32 may be fixed to a measurement object in a planar shape by a fixing bolt 33 fastened through the vertical direction.
- fastening holes for fastening the fixing bolts 33 may be formed on both sides of each fixing bracket 32, respectively.
- Fixing grooves may be formed at outer ends of the fixing brackets 32 to fix both ends of the third and fourth optical fibers 22 and 23 provided in the strain sensor 20, respectively, using a fixing agent.
- the operator couples both ends of the protective tube 31 to the pair of fixing brackets 32 in a state in which the strain sensor 20 is disposed inside the protective tube 31 of the sensor fixing device 30 configured as described above. .
- the fixing bolt 32 and the protection tube 31 both ends of the combined portion of the setting bolt 34 to protect the strain sensor 20 and to maintain the set wavelength, respectively.
- the setting bolt 34 may be installed only at any one of the pair of fixing brackets 32.
- the fixing bolt 33 is fastened through the fastening holes formed in the respective fixing brackets 32 and fixed to the measurement target.
- the strain sensor 20 installed in the planar measurement object using the sensor fixing device 30 can measure the minute displacement of the measurement object.
- strain sensor 20 according to the present invention can accurately measure up to a resolution of about 1 ⁇ .
- the strain sensor 20 according to the present invention when installed on the surface with the curvature or the bottom of the curvature, such as a tunnel or the surface is twisted from side to side, the sensor fixing device 30 shown in FIG. Can be installed using.
- the sensor fixing device 30 is similar to the configuration of the sensor fixing device 30 described with reference to FIG. 6, except that a pair of fixing brackets 32 are installed in the protective tube 31. It can be combined to enable angle adjustment by rotating in up, down, left, and right directions.
- fasteners 35 may be coupled to both ends of the protective tube 31, respectively, and balls 36 may be coupled to the outer ends of the fasteners 35, respectively.
- Each fixing bracket 32 may include an upper bracket 37 and a lower bracket 38 that are coupled to each other in the upper and lower portions about the ball 36 to adjust the coupling angle.
- each of the fasteners 35 is connected to each of the fixing bracket 32 and the angle of attachment by using a body of a substantially hexahedral shape and the ball 36 connected to the outer end of the body 41 and coupled to the outer circumferential surface thereof. It may include a coupling portion 42 to be coupled.
- the inner end of the body 41 is provided with a coupling space 43 is coupled to the protective tube 31, the outer end of the coupling space 43 is the body 41 and the protective tube 31 when the displacement of the measurement target by the compressive force occurs
- a predetermined interval for example about 3mm.
- each ball 36 may be formed a coupling hole to which the coupling portion 42 of the fixture 36 is coupled.
- the ball 36 may be formed in a perfect ring shape, but an opening 39 may be formed at one side of the ball 36 to maintain a state of being coupled to the outer circumferential surface of the coupling part 42 using elasticity. have.
- the operator opens the ends of the ball 36 to be separated from each other with respect to the opening 39, and then coupled to the outer end of each engaging portion 42, the ball 36 acts to restore to the original shape
- the elastic force can be stably coupled to the coupling portion 42.
- the third and fourth installation members 25 and 26 and the attachment member 21 provided at both ends of the strain sensor 20 are respectively provided in the coupling portions 42 provided in the pair of fasteners 35. Can be installed.
- both ends of the lower bracket 38 may be formed with a fixing hole for fixing the fixing bolt 33 for fixing to the measurement object.
- the worker arranges the pair of lower brackets 38 provided in the sensor fixing device 30 configured as described above on an uneven surface or a surface having a curvature like a tunnel or a bottom twisted from side to side.
- the pair of lower brackets 38 are fixed to the measurement object by the fixing bolt 33 in a state spaced apart by a distance corresponding to the distance between the pair of balls 36 installed in each fastener (35).
- the present invention uses a sensor fixing device to install a strain sensor on not only a plane-shaped measurement object but also an uneven surface or a curved surface such as a tunnel or a surface twisted from side to side to prevent displacement of the measurement object. It can measure precisely.
- the present invention provides a displacement measuring apparatus using a fiber optic grating sensor for installing a load applying means between a pair of optical fibers provided with a different number of strands to measure the inclination, and installing a connecting means to adjust the sensitivity and durability of each optical fiber. Applies to the technology.
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Abstract
광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 관한 것으로, 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우, 외형을 형성하는 케이스, 상기 케이스 내부에 미리 설정된 간격만큼 이격되어 서로 다른 가닥 수로 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고 상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하는 구성을 마련하여, 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
Description
본 발명은 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유 센서(optical fiber sensor)는 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서이다.
광섬유의 주성분은 석영 유리로 이루어져 있으며, 광섬유 센서는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성된다.
광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파된다.
이러한 광섬유 센서는 이용되는 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절격자형, 모드변조형, 편광형, 분포측정형 등으로 구분되며, 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스농도 등 다양한 측정값을 제공한다.
광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 전자파의 영향를 받지 않으며, 원격측정이 용이하고, 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없는 특징을 갖는다.
광섬유 센서 중에서 대표적인 것은 광섬유 격자센서(Fiber Bragg Grating Sensor) 타입의 광섬유 센서이다
광섬유 격자센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
따라서 광섬유 격자센서는 격자(grating)가 형성된 광섬유에 물리적인 힘의 작용으로 인하여 변형이 생겼을 때 격자에서의 빛 굴절 변화가 유발되고, 이러한 굴절 변화를 측정하여 광섬유의 변형률을 측정함으로써 광섬유가 고정되는 구조물의 변형률을 측정하여 구조물에 작용하는 하중 및 응력을 알 수 있다.
광섬유 격자센서는 광파이버의 코어부의 굴절율을 일정한 주기로 변화시킨 것으로서, 특정 파장의 광만을 선택적으로 반사한다.
이러한 광섬유 격자센서는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 받지 않는 등 물리적인 특성이 매우 우수하여 기존의 전기식 게이지를 대체해가고 있는 우수한 물리량 측정소자로서, 현재 그 활용범위가 급속도로 증대되고 있다.
그래서 광섬유 격자센서는 광섬유 내에서 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리를 이용해서 변형률, 각도, 가속도, 변위, 온도, 압력변위 등을 감지하는 감지센서로 사용되고 있다.
예를 들어, 본 발명자는 특허문헌 1(대한민국 특허 등록번호 제10-1057309호, 2011년 8월 16일 공고) 및 특허문헌 2(대한민국 특허 등록번호 제10-00992628호, 2010년 11월 5일 공고) 등 다수에 FBG 센서를 이용한 기술을 개시하여 출원해서 등록받은 바 있다.
일반적으로 광섬유는 에너지 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실율이 낮고, 외부 요인에 따른 영향을 거의 받지 않는 장점이 있다.
이러한 광섬유는 철의 열팽창계수에 비해 약 1/20 정도로 열팽창계수가 작고, 연신율이 약 3 내지 5% 이상이면 쉽게 파단되는 특성이 있다.
특히, 광섬유 격자센서는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면, 지름이 약 125㎛로 매우 작기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파단 될 수 있어 건물이나 교각 등의 피측정물에 부착 시에는 매우 섬세한 작업이 요구된다.
즉, 광섬유 격자센서는 제조 공정상, 연신률이 약 0.5 내지 1% 이상이면 파단 되거나 손상이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 광섬유 격자센서의 감도 및 내구성 등의 특성을 고려하여 FBG 센서의 파단 및 손상을 방지하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
한편, 광섬유 격자센서는 내부에서 온도 변화에 따른 굴절률의 변화로 인해 다른 파장을 나타낼 수 있다.
이로 인해, 종래에는 케이스 내부에 한 쌍의 금속막대를 동일 선상에 설치하고, 한 쌍의 금속막대 사이에 온도 보상용 광섬유 격자센서를 설치하기도 하였으나, 금속막대의 열변형시 정밀도가 저하되고, 정밀한 온도보상이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광섬유 격자센서의 감도와 내구성을 조절해서 파단 및 손상을 방지할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광섬유 격자센서의 온도 변화에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치는 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서에 적용되는 경우, 외형을 형성하는 케이스, 상기 케이스 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유 그리고 상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 설치되고 상기 제1 및 제2 광섬유에 하중을 인가하는 하중인가수단을 포함하여 측정 대상의 진동에 의한 상기 하중인가수단의 상하 이동에 의해 상기 제1 및 제2 광섬유에 설치된 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장의 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치는 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우, 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재, 상기 한 쌍의 부착부재 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고 상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하여 서로 다른 가닥 수로 설치된 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도 및 내구성의 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법은 연결수단의 양측에 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서에서 측정되는 감도 및 상기 광섬유 격자센서의 내구성 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치에 의하면, 서로 나란하게 설치된 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치함으로써, 진동 발생시 한 쌍의 광섬유에 각각 작용하는 인장력 및 압축력 변화를 이용해서 가속도를 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 의하면, 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 측정 대상의 변위를 정밀하게 측정하는 경우에는 한 쌍의 광섬유 중에서 가닥 수가 적은 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도를 높일 수 있다는 효과가 얻어진다.
반면, 본 발명에 의하면, 측정 대상의 변위가 큰 경우에는 한 쌍의 광섬유 중에서 가닥 수가 많은 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 광섬유 및 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 한 쌍의 부착부재에 설치된 연결수단과 제3 및 제4 설치부재 중에서 둘 이상에 온도보상용 광섬유 격자센서가 마련된 제5 광섬유를 느슨하게 설치해서 온도변화에 따른 보상값을 정밀하게 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유의 길이비를 조절해서 각 광섬유의 실제 변형율 절대값을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 센서 고정장치를 이용해서 평면 형태의 측정 대상뿐만 아니라, 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 변형율 센서를 설치해서 측정대상의 변위를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서의 구성도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 정면도,
도 3은 도 2에 도시된 변형율 센서의 평면도,
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도,
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도,
도 6 및 도 7은 측정 대상에 설치된 변형율 센서를 예시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 과정에서 광섬유 격자센서의 감도 및 내구성을 조절하여 광섬유 격자센서의 손상을 방지한다.
이하에서는 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서와 변형률 센서의 구성을 제1 및 제2 실시 예로 구분해서 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서의 구성도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외형을 형성하는 케이스(11), 케이스(11) 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유(12,13) 그리고 제1 및 제2 광섬유(12,13) 사이에 설치되고 제1 및 제2 광섬유(12,13)에 하중을 인가하는 하중인가수단(14)을 포함한다.
케이스(11)는 가로 및 세로 길이에 비해 높이가 긴 직육면체 형상으로 형성되고, 측정대상에 부착되거나 볼트 등을 이용해서 고정 설치될 수 있다.
이러한 케이스(11)의 상단과 하단 사이에는 제1 및 제2 광섬유(12,13)가 설치되는 제1 및 제2 설치부재(15,16)가 마련될 수 있다.
제1 및 제2 설치부재(15,16)는 설치 과정 및 설치 완료 후 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 손상이나 변형을 방지하도록 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 광섬유(12,13)는 각각 케이스(11) 내부에 상하 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격되어 나란하게 설치되고, 제1 및 제2 광섬유(12,13) 중에서 어느 하나 이상에는 하나 이상의 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치될 수 있다.
하중인가수단(14)은 미리 설정된 하중으로 제조되고, 제1 광섬유(12)와 제2 광섬유(13)의 중앙부에 각각 부착될 수 있다.
여기서, 하중인가수단(14)은 육면체 형상으로 형성되거나, 원판 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 하중인가수단(14)이 원판 형상으로 형성되는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)는 각각 하중인가수단(14)의 외주면에 부착되거나 0.5회 이상 감긴 상태로 설치될 수 있다.
여기서, 하중인가수단(14)의 좌우 양측에는 하중인가수단(14)의 좌우 방향 이동을 제한하도록 가이드(17)가 각각 설치될 수 있다.
그리고 하중인가수단(14)의 상측 및 하측에는 각각 과도한 변위 발생으로 인한 광섬유의 손상을 방지하도록, 하중인가수단(14)의 변위를 제한하는 변위제한수단(18)이 설치될 수 있다.
제1 및 제2 광섬유(12,13)는 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치될 수 있다.
예를 들어, 제1 광섬유(12)는 제1 설치부재(15)와 하중인가수단(14)에 각각 0.5회씩 감겨서 총 2가닥으로 설치되고, 제2 광섬유(13)는 제2 설치부재(16)와 하중인가수단(14)에 각각 1회씩 감겨서 총 4가닥으로 설치될 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 광섬유(12,13) 사이에 하중인가수단(14)이 설치됨에 따라, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에는 하중인가수단(14)의 하중에 의해 인장력이 발생하고, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에는 하중인가수단(14)에 의해 압축력이 발생한다.
한편, 하중인가수단(14)이 상하 방향으로 진동하는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)에는 각각 인장력과 압축력이 교번적으로 발생할 수 있다.
예를 들어, 하중인가수단(14)이 상방으로 이동하는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에 작용하는 인장력이 제거되고 압축력이 작용하며, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에는 압축력이 제거되고 인장력이 작용한다.
다시 하중인가수단(14)이 하방으로 이동하면, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에 작용하는 압축력이 제거되고 인장력이 작용하며, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에 작용하는 인장력이 제거되고 압축력이 작용한다.
따라서 본 발명은 제1 및 제2 광섬유의 상부 및 하부에 각각 총 4개의 광섬유 격자센서를 설치해서 진동 발생으로 인한 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 나란하게 설치된 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치함으로써, 진동 발생시 한 쌍의 광섬유에 각각 작용하는 인장력 및 압축력 변화를 이용해서 가속도를 측정할 수 있다.
[실시예 2]
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 정면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 변형율 센서의 평면도이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재(21), 한 쌍의 부착부재(21) 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유(22,23) 그리고 제3 및 제4 광섬유(22,23) 사이에 설치되고 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단(24)을 포함한다.
부착부재(21)는 대략 사각판이나 육면체 형상으로 형성되고, 측정대상에 부착되거나 볼트 등을 이용해서 고정 설치될 수 있다.
이러한 한 쌍의 부착부재(21)에는 각각 제3 및 제4 광섬유(22,23)가 설치되는 제3 및 제4 설치부재(25,26)가 마련될 수 있다.
제3 및 제4 설치부재(25,26)는 광섬유 및 광섬유 격자센서의 설치 과정 및 설치 완료 후 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 손상이나 변형을 방지하도록 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제3 및 제4 광섬유(22,23)는 각각 한 쌍의 부착부재(21) 사이에 좌우 방향을 따라 설치되고, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에는 하나 이상의 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치될 수 있다.
연결수단(24)은 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 하중이 인가되는 것을 최소화하기 위해, 알루미늄과 같은 경금속 재질 또는 합성수지 재질을 이용해서 원판 형상 또는 링 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면에는 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥이 설치되는 복수의 설치홈(27)이 형성될 수 있다.
설치홈(27)은 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥과 연결수단, 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면 사이에서 작용하는 마찰력을 증가시켜 각 가닥을 고정할 수 있도록, V 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥이 V 형상의 설치홈(27) 내부에서 2개의 라인을 통해 선접촉함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23)와 연결수단(24), 제3 및 제4 설치부재(25,26) 사이의 마찰력을 증가시킬 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 설치홈(27)의 하단부를 평면으로 형성해서 3개의 라인을 통해 선 접촉시키거나, 설치홈(27)을 반원 형상 또는 U 형상으로 형성해서 면 접촉시키도록 변경될 수도 있다.
그래서 제3 및 제4 광섬유(22,23)는 각각 원판 형상으로 형성된 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면에 적어도 0.5회 이상 감긴 상태로 설치될 수 있다.
특히, 제3 및 제4 광섬유(22,23)는 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치될 수 있다.
예를 들어, 제3 광섬유(22)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제3 설치부재(25)와 연결수단(24)에 각각 1회씩 감겨서 총 4가닥으로 설치되고, 제4 광섬유(23)는 제4 설치부재(26)와 연결수단(24)에 각각 2회씩 감겨서 총 8가닥으로 설치될 수 있다.
여기서, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 변형율은 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이 비 및 단면적 비에 따라 변화함에 따라, 본 실시 예에서는 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이 및 직경은 동일하게 설정될 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 광섬유(22)를 1가닥 이상 설치하고, 제4 광섬유(23)를 2가닥 이상 설치해서 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 서로 다른 가닥 수로 설치하도록 변경될 수 있다.
이와 같이, 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 서로 다른 가닥 수로 설치함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 걸리는 전체 장력은 동일하고, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥에 작용하는 장력은 가닥 수에 따라 변경될 수 있다.
즉, 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 각각 4가닥과 8가닥으로 설치한 경우, 제3 광섬유(22)의 각 가닥에 작용하는 장력은 제4 광섬유(23)의 각 가닥에 작용하는 장력의 2배가 된다.
표 1은 광섬유의 장력에 따른 변화량 테이블이다.
장력(g) | 파장 변화량 (nm) | 길이 변화율 (με) |
0 | 0.00 | 0 |
50 | 0.66 | 549 |
100 | 1.32 | 1099 |
150 | 1.98 | 1648 |
200 | 2.64 | 2197 |
250 | 3.30 | 2747 |
300 | 3.96 | 3296 |
360 | 4.61 | 3945 |
400 | 5.27 | 4395 |
450 | 5.93 | 4944 |
500 | 6.59 | 5493 |
550 | 7.25 | 6043 |
600 | 7.91 | 6592 |
표 1에는 직경이 약 125㎛이고 기준 파장이 1550㎚인 광섬유에서 장력에 따른 변화량이 기재되어 있다.
표 1에 기재된 바와 같이 광섬유에서 출력되는 파장은 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 광섬유의 길이가 약 1000με만큼 변화하여 길이변화량 0.1%인 경우, 약 1.2㎚만큼 변화할 수 있다.
이와 같은 장력 변화량과 길이 변화량에 따른 광섬유의 파장 변화를 이용해면, 측정대상의 변형율 측정이 가능하다.
그래서 본 실시 예에서 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 작용하는 장력 변화량이 각각 400g인 경우, 제3 광섬유(22)의 각 가닥에 작용하는 장력은 약 100g이고, 제4 광섬유의 각 가닥에 작용하는 장력은 약 50g이 된다.
이에 따라, 제3 광섬유(22)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 제4 광섬유(23)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 50g에 의해 약 0.66㎚만큼 변화한다.
그리고 제3 광섬유(22)의 길이변화량은 제4 광섬유(23)의 길이변화량의 2배가 된다.
따라서 제3 광섬유(22)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 제4 광섬유(23)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 50g에 의해 약 0.66㎚만큼 변화한다.
이와 같이, 본 발명은 연결수단을 이용해서 양측에 서로 다른 가닥 수를 갖는 한 쌍의 광섬유를 설치함으로써, 각 광섬유의 장력변화량 및 길이변화량에 따른 파장 변화를 이용해서 측정대상의 변형율을 측정할 수 있다.
그리고 본 발명은 가닥 수가 적은 제3 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도를 높일 수 있다.
반면, 본 발명은 가닥 수가 많은 제4 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 길이 변화량을 감소시킴으로써, 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서 제3 및 제4 광섬유의 외측단은 각각 양측으로 인출되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 제3 및 제4 광섬유 중에서 광섬유 격자센서가 설치되는 하나의 측단을 외부로 인출하도록 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 제3 및 제4 광섬유에 각각 광섬유 격자센서가 설치되는 경우에는 각 광섬유의 측단을 외부로 인출하도록 설치될 수 있다.
한편, 본 발명은 광섬유 격자센서를 가속도 센서(10)와 변형율 센서(20)에 적용한 상태에서 온도 변화에 따른 광섬유 격자센서의 굴절률 변화로 인해 파장 변화를 방지하도록, 온도보상용 광섬유 격자센서를 더 포함할 수 있다.
[실시예 3]
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 도 2를 참조해서 설명한 변형율 센서(20)의 구성과 유사하고, 다만 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26) 중에서 둘 이상에 선택적으로 설치되고 일측에 온도보상용 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치되는 제5 광섬유(28)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제5 광섬유(28)는 제3 및 제4 광섬유(22,23)와 별도로 마련되고, 연결수단(24)과 제3 설치부재(25)에 설치되거나, 연결수단(24)과 제4 설치부재(26)에 설치되거나, 또는 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)에 모두 설치될 수 있다.
여기서, 제5 광섬유(28)는 장력 변화로 인해 출력되는 파장의 변화가 발생하는 것을 방지하기 위해, 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26) 중에서 둘 이상에 장력이 작용하지 않도록 느슨하게 설치될 수 있다.
따라서 상기 온도보상용 광섬유 격자센서는 장력 변화와 무관하게 온도 변화에 따라 변화된 파장으로 출력할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 제5 광섬유가 제3 및 제4 광섬유와 별도로 마련되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 제3 또는 제4 광섬유를 연결수단과 설치부재에 추가로 1회 이상 느슨하게 설치하고, 광섬유 격자센서를 설치하도록 변경될 수 있다.
그리고 본 실시 예에서는 제2 실시 예에서 설명한 변형율 센서에 적용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 제1 실시 예에서 설명한 기울기 센서에 제5 광섬유를 적용해서 온도 보상값을 정밀하게 조절하도록 변경될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 한 쌍의 부착부재 사이에 설치된 연결수단과 제3 및 제4 설치부재 중에서 둘 이상에 온도보상용 광섬유 격자센서가 마련된 제5 광섬유를 느슨하게 설치해서 온도변화에 따른 보상값을 정밀하게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명은 제3 광섬유와 제4 광섬유의 길이비를 조절해서 변형율을 조절할 수 있다.
[실시예 4]
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도이다.
본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 구성과 유사하고, 다만 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비를 서로 다르게 변경할 수 있다.
즉, 연결수단(24)의 위치를 조절해서 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비는 2:1, 5:1, 1:2 등 다양하게 설정될 수 있다.
여기서, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 걸리는 전체 장력은 동일함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23) 전체의 변형율은 길이비가 변화하더라도 항상 동일하다.
그러나 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비가 2:1 에서 5:1로 증가하면, 제3 및 제4 광섬유(22,23) 각각의 실제 변형율 절대값은 증가한다.
반면, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비가 감소하면, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 실제 변형율 절대값은 감소한다.
따라서 본 발명은 제3 광섬유의 길이를 증가시키고, 제4 광섬유의 길이를 감소시켜 광섬유 및 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유의 길이비를 조절해서 각 광섬유의 실제 변형율 절대값을 조절할 수 있다.
다음, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 설치방법을 상세하게 설명한다.
도 6 및 도 7은 측정 대상에 설치된 변형율 센서를 예시한 도면이다.
도 6에는 평면 형태의 측정 대상에 설치된 변형율 센서가 예시되어 있고, 도 7에는 측정 대상의 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 설치된 변형율 센서가 예시되어 있다.
본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 센서 고정장치(30)를 이용해서 측정 대상에 설치될 수 있다.
센서 고정장치(30)는 내부에 변형율 센서(20)가 수용되는 보호관(31) 및 보호관(31)의 양단을 측정 대상에 고정하는 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 포함할 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 상부에서 보았을 때 단면이 대략 '十' 형상의 블록으로 마련되고, 각 고정 브래킷(32)의 대향하는 측면에는 각각 보호관(31)의 양단이 결합될 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 상하 방향을 따라 관통 체결되는 고정볼트(33)에 의해 평면 형태의 측정 대상에 고정될 수 있다.
이를 위해, 각 고정 브래킷(32)의 양측에는 각각 고정볼트(33)가 체결되는 체결공이 형성될 수 있다.
이러한 각 고정 브래킷(32)의 외측단에는 변형율 센서(20)에 마련된 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 양단을 각각 고착제를 매개로 고정하는 고정홈이 형성될 수 있다.
그래서 작업자는 상기와 같이 구성되는 센서 고정장치(30)의 보호관(31) 내부에 변형율 센서(20)를 배치한 상태에서 보호관(31)의 양단을 각각 한 쌍의 고정 브래킷(32)에 결합한다.
이때, 각 고정 브래킷(32)과 보호관(31) 양단이 결합된 부위에는 각각 변형율 센서(20)를 보호하고 세팅된 파장을 유지하는 세팅볼트(34)가 결합된 상태이다.
세팅볼트(34)는 한 쌍의 고정 브래킷(32) 중에서 어느 하나에만 설치될 수 있다.
그리고 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 측정 대상 상에 배치한 후, 각 고정 브래킷(32)에 형성되는 체결공을 통해 고정볼트(33)를 체결해서 측정 대상에 고정한다.
이때, 작업자는 계측 대상의 변위가 변형율 센서(20)에 민감하게 전달되도록 각 세팅볼트(34)를 느슨하게 풀고 설치를 완료한다.
이와 같이, 센서 고정장치(30)를 이용해서 평면 형태의 측정 대상에 설치된 변형율 센서(20)는 측정 대상의 미세한 변위를 측정할 수 있다.
실험에 의하면, 본 발명에 따른 변형율 센서(20)는 분해능 약 1με까지 정밀하게 측정 가능함을 확인하였다.
한편, 본 발명에 따른 변형율 센서(20)는 측정 대상의 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 설치하는 경우, 도 7에 도시된 센서 고정장치(30)를 이용해서 설치될 수 있다.
센서 고정장치(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 도 6을 참조해서 설명한 센서 고정장치(30)의 구성과 유사하고, 다만 보호관(31)에 설치시 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 상하 전후 좌우 방향으로 회전시켜 각도 조절이 가능하게 결합할 수 있다.
이를 위해, 보호관(31)의 양단에는 각각 고정구(35)가 결합되고, 각 고정구(35)의 외측단에는 각각 볼(36)이 결합될 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 볼(36)을 중심으로 상하부에서 서로 결합되어 결합각도를 조절하는 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)을 포함할 수 있다.
여기서, 각 고정구(35)는 대략 육면체 형상의 바디(41)와 바디(41) 외측단에 연결되고 외주면에 결합된 볼(36)을 이용해서 각 고정 브래킷(32)과 결합각도 조절이 가능하게 결합되는 결합부(42)를 포함할 수 있다.
바디(41)의 내측단에는 보호관(31)이 결합되는 결합공간(43)이 마련되고, 결합공간(43)의 외측단은 압축력에 의한 측정 대상의 변위 발생시 바디(41)와 보호관(31)의 접촉을 방지하도록, 미리 설정된 간격, 예컨대 약 3㎜만큼 이격되게 설치될 수 있다.
각 볼(36)의 중앙부에는 고정구(36)의 결합부(42)이 결합되는 결합공이 형성될 수 있다.
이러한 볼(36)은 완전한 링 형상으로 형성될 수 있으나, 탄성을 이용해서 결합부(42)의 외주면에 결합된 상태를 유지하도록, 볼(36)의 일측에는 개방부(39)가 형성될 수 있다.
따라서 작업자는 개방부(39)를 중심으로 볼(36)의 양단을 서로 멀어지도록 벌린 후, 각 결합부(42)의 외측단에 결합하고, 볼(36)은 본래 형상으로 복원되기 위해 작용하는 탄성력에 의해 결합부(42)에 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 변형율 센서(20)의 양측단에 마련되는 제3 및 제4 설치부재(25,26)와 부착부재(21)는 각각 한 쌍의 고정구(35)에 마련된 각 결합부(42) 내부에 설치될 수 있다.
상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)의 중앙부에는 각각 볼(36)이 삽입되는 삽입홈이 형성되고, 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)은 양측에 형성된 조립공에 체결되는 조립볼트(40)에 의해 조립될 수 있다.
그리고 하부 브래킷(38)의 양단에는 측정 대상에 고정하기 위한 고정볼트(33)가 체결되는 고정공이 형성될 수 있다.
그래서 작업자는 상기와 같이 구성된 센서 고정장치(30)에 마련된 한 쌍의 하부 브래킷(38)을 면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 부착면에 배치한다.
이때, 한 쌍의 하부 브래킷(38)은 각 고정구(35)에 설치된 한 쌍의 볼(36) 사이 거리에 대응되는 거리만큼 이격된 상태에서 고정볼트(33)에 의해 측정대상에 고정된다.
그리고 작업자는 각 하부 브래킷(38) 및 볼(36)의 상부에 상부 브래킷(37)을 배치한 후, 조립볼트(40)를 체결해서 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)을 조립한다.
이와 같이, 본 발명은 센서 고정장치를 이용해서 평면 형태의 측정 대상뿐만 아니라, 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 변형율 센서를 설치해서 측정대상의 변위를 정밀하게 측정할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치하여 기울기를 측정하고, 연결수단을 설치해서 각 광섬유에서 작용하는 감도 및 내구성을 조절하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 기술에 적용된다.
Claims (12)
- 광섬유 격자 센서를 이용한 가속도 센서에 적용되는 경우,외형을 형성하는 케이스,상기 케이스 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유 그리고상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 설치되고 상기 제1 및 제2 광섬유에 하중을 인가하는 하중인가수단을 포함하여측정 대상의 진동에 의한 상기 하중인가수단의 상하 이동에 의해 상기 제1 및 제2 광섬유에 설치된 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장의 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제2 광섬유 중에서 어느 하나 이상에는 하나 이상의 광섬유 격자센서가 설치되고,상기 케이스의 상단과 하단 사이에는 상기 제1 및 제2 광섬유의 일단부가 설치되는 제1 및 제2 설치부재가 마련되며,상기 하중인가수단과 제1 및 제2 설치부재는 각각 원판 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1 및 제2 광섬유는 각각 상기 하중인가수단의 외주면에 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우,미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재,상기 한 쌍의 부착부재 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하여서로 다른 가닥 수로 설치된 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도 및 내구성의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제4항에 있어서,상기 연결수단은 상기 제3 및 제4 광섬유에 하중이 인가되는 것을 방지하도록, 경금속 재질 또는 합성수지 재질을 이용해서 원판 형상으로 형성되고,상기 제3 및 제4 광섬유는 상기 연결수단의 외주면에 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제5항에 있어서,상기 연결수단의 외주면에는 상기 제3 및 제4 광섬유의 각 가닥과 연결수단 사이의 마찰력을 증가시키도록, 복수의 설치홈이 형성되고,상기 설치홈은 V 형상 또는 V 형상의 하단부가 평면인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광섬유 격자센서는 측정 대상의 변위를 측정하는 감도를 증가시키는 경우, 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 가닥 수가 적은 광섬유에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제7항에 있어서,상기 광섬유 격자센서는 내구성을 증대하는 경우, 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 가닥 수가 많은 광섬유에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 변형율 센서는 센서 고정장치를 이용해서 측정 대상에 설치되고,상기 센서 고정장치는 내부에 상기 변형율 센서가 수용되는 보호관 및상기 보호관의 양단을 측정 대상에 고정하는 한 쌍의 고정 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 제9항에 있어서,상기 보호관의 양단에는 각각 고정구가 결합되고,각 고정구의 외측단에는 각각 볼이 결합되며,각 고정 브래킷은 상기 볼을 중심으로 상하부에서 서로 결합되는 상부 브래킷과 하부 브래킷을 포함하고,상기 고정 브래킷은 상기 고정구에 설치된 볼을 중심으로 회전하여 상기 고정구의 결합각도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
- 연결수단의 양측에 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서에서 측정되는 감도 및 상기 광섬유 격자센서의 내구성 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치의 감도 및 내구성 조절방법.
- 제11항에 있어서,(a) 한 쌍의 부착부재 사이에 상기 연결수단을 배치하고, 상기 한 쌍의 광섬유를 상기 연결수단에 서로 다른 횟수로 감아서 서로 다른 가닥 수로 설치하는 단계,(b) 상기 한 쌍의 광섬유 중에서 상대적으로 가닥 수가 적은 광섬유에 상기 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 대상의 변위를 측정하는 감도를 증가시키는 단계 및(c) 상기 한 쌍의 광섬유 중에서 상대적으로 가닥 수가 많은 광섬유에 상기 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서의 내구성을 증대하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치의 감도 및 내구성 조절방법.
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