KR101611792B1

KR101611792B1 - 온도 보정이 가능한 fbg 변형률 센서 탐촉자 및 그 센싱방법

Info

Publication number: KR101611792B1
Application number: KR1020150051791A
Authority: KR
Inventors: 권일범
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2016-04-27

Abstract

본 발명은 바이메탈 보를 사용하여 FBG 탐촉자 자체에서 온도 보정을 할 수 있도록 구성되는 FBG 변형률 센서 탐촉자에 관한 것이다. 본 발명의 일례와 관련된 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자는, 하단이 피측정물에 고정된 고정 브래킷; 하단이 상기 피측정물에 고정되고, 상기 고정 브래킷과 기 설정된 제 1 거리만큼 이격된 바이메탈 보; 및 일측은 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치되고, 타측은 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되며, 내부로 빛이 진행하고, 상기 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 상기 일측과 상기 타측 사이에 배치된 광섬유;를 포함하되, 온도의 변화가 발생되는 경우, 상기 바이메탈 보에 변형이 발생되고, 상기 바이메탈 보의 변형은 상기 온도의 변화에 따라 상기 브래그 파장이 변경되는 것을 방지할 수 있다.

Description

온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자 및 그 센싱방법{FBG Strain Sensor Probe for Temperature Compensation and Method for Sensing thereof}

본 발명은 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이메탈 보를 사용하여 FBG 탐촉자 자체에서 온도 보정을 할 수 있도록 구성되는 FBG 변형률 센서 탐촉자에 관한 것이다.

광섬유는 외부 환경 변화에 대해 고유 특성의 변화가 민감하므로 여러 가지 물리 변수에 대한 센서로서 활용될 수 있다. 또한, 그 특성상 긴 길이를 이용하여 구조물 내부에 밀도 있게 포설하는 것이 가능하므로 분포형 계측에 유리한 장점을 가지고 있으며, 교량, 터널, 건물과 같은 시설의 실시간 감시용으로 사용될 수 있다.

도 1은 이러한 광섬유의 일반적인 구조를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유는 일반적으로 광섬유 중심인 코어(core) 부분, 중심을 보호하는 클래딩(cladding) 부분과 피복 부분으로 이루어져 있다. 코어와 클래딩의 주성분은 유리로 구성되어 있으며, 이러한 주요 구성인 코어와 클래딩을 보호하기 위하여 폴리머(polymer)나 아크릴레이트(acrylate) 등을 사용하여 클래딩 표면을 피복한다.

광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, Ge의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다.

광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다.

격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 축방향 하중이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 압력 또는 굽힘 등을 감지할 수 있으며, 센서로 응용이 가능하다.

광섬유 브래그 격자 센서는 간섭 무늬의 에너지 분포에 따라 코어의 굴절률을 주기적으로 변조하여 특정 파장(브래그 파장, Bragg Wavelength)의 빛을 반사시키는 광섬유 소자이다.

도 2는 종래의 광섬유 브래그 격자 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸다. 광섬유 브래그 격자는 도 2와 같은 구조 및 동작 특성을 갖는다. 코어의 주기적인 굴절률 변화는 브래그 격자의 역할을 하게 된다.

브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 아래의 수학식 1과 같은 브래그 조건에 해당하는 파장의 빛은 보강간섭을 일으켜 브래그 격자 부위에서 반사되며 나머지 파장의 빛은 통과하게 된다.

여기서,

는 브래그 파장이고,

는 유효 굴절률(core effective reffractive index)로서 빛이 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며,

는 코어에 새겨진 브래그 격자의 주기를 나타낸다.

상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 격자에서 반사되는 빛의 브래그 파장(

)은 유효 굴절률(

)과 격자 주기(

)의 함수이다. 그리고 유효 굴절률과 격자의 주기는 온도와 변형률의 함수이므로, 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 브래그 파장이 바뀌게 된다.

브래그 조건에서 브래그 파장을 전미분을 취한 뒤 온도, 변형률과 격자 간격, 유효 굴절률의 식을 대입하면 아래의 수학식 2를 얻을 수가 있다.

여기서,

는 광섬유의 열팽창계수이고,

는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학계수이며,

는 광탄성 상수로서 대략 0.22의 값을 갖는다.

변화된 브래그 파장을 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자에 가해진 온도나 변형률을 상기 수학식 2를 통하여 계산할 수 있다. 이것이 광섬유 브래그 격자가 센서로 사용될 수 있는 원리이다.

상기 수학식 2에서 센서에 가해지는 온도의 변화가 없다고 가정하면(

), 수학식 2는 아래의 수학식 3과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.

상기 수학식 3을 이용하면 FGB를 변형률 센서로 사용할 수 있으며, 상기 수학식 3에 나타난 바와 같이 이 변형률은 파장의 변화량을 정확히 측정하면 구할 수 있다.

FBG 센서는 전자파 간섭에 무관하고 센서 다중화가 용이하며 내부식성이 뛰어나 장기계측에 적합하다. 최근 교량이나 터널과 같은 토목구조물의 구조건전성 모니터링이나 사면 모니터링, 선체 응력 모니터링 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

구체적으로, 종래의 FGB 탐촉자는 도 2에 도시된 바와 같이 광원(2), 연결부(4) 및 파장 검출기(6) 등으로 구성되며, 이들은 광섬유로 연결되어 있다.

여기서 확대된 도면에서 알 수 있듯이, 광섬유의 브래그 격자 센서 부분은 소정 길이만큼 브래그 격자가 새겨져 있다. 광원(2)에서 광섬유를 통해 조사된 빛 중 브래그 격자에 반사되는 반사빛의 브래그 파장을 측정하고, 그 브래그 파장의 변화에 기한 피측정물(예: 교량이나 건물 등과 같은 대형 구조물)의 변형 정도를 알 수 있다.

이러한 광섬유 브래그 격자 센서는 크기가 작고, 전자기장에 영향이 없으며, 화학물질에 대한 안정성이 뛰어나 산업 설비 모니터링을 위한 센서로서 각광받고 있다.

그러나, 실제로는 상기 수학식 2에서 온도의 변화가 0이 되지 않기 때문에(

) 브래그 파장의 변화를 정확하게 측정하더라도 상기 수학식 3으로부터 변형률을 정확하게 도출할 수 없다는 문제점이 있었다. 이에 따라, 변형률을 정확하게 측정하는 데 한계가 있었으며, 특히 정밀한 측정이 요구되는 분야에서는 그 활용에 제한이 있었다.

종래에는 온도를 측정하기 위한 FBG를 따로 설치하여 변형률 FBG 데이터로부터 보정해주는 방식을 사용하기도 하였다. 그러나 이는 비용이나 복잡성 측면에서 불리하고 사용상 편의성이 다소 떨어진다는 문제점이 있었다.

이에 따라, FBG 탐촉자 자체에서 온도 보정이 자동적으로 이루어질 수 있도록 하는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1314848호 대한민국 등록특허공보 제10-1280922호 대한민국 등록특허공보 제10-0943710호

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바이메탈 보를 사용하여 FBG 탐촉자 자체에서 온도 보정을 할 수 있도록 구성되는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

구체적으로, 본 발명은 약간의 초기 변형이 일어나게 당겨진 상태로 광섬유를 설치하고, 온도 변화에 따라 바이메탈 보에 변형이 유도되면 바이메탈 보의 변형이 브래그 파장의 변경을 방지할 수 있도록 구성함으로써 온도의 영향을 받지 않고 정확하게 변형률을 측정할 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 별도의 온도 보정이 불필요하여 신호처리량을 간소화시킬 수 있으며 복잡성을 줄일 수 있고 보다 신속하게 변형률 측정을 수행할 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

피측정물의 변형률을 측정하기 위한 FBG 변형률 센서 탐촉자에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자는, 하단이 상기 피측정물에 고정된 고정 브래킷; 하단이 상기 피측정물에 고정되고, 상기 고정 브래킷과 기 설정된 제 1 거리만큼 이격된 바이메탈 보; 및 일측은 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치되고, 타측은 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되며, 내부로 빛이 진행하고, 상기 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 상기 일측과 상기 타측 사이에 배치된 광섬유;를 포함하되, 온도의 변화가 발생되는 경우, 상기 바이메탈 보에 변형이 발생되고, 상기 바이메탈 보의 변형은 상기 온도의 변화에 따라 상기 브래그 파장이 변경되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 광섬유는, 기 설정된 초기 인장길이만큼 당겨진 상태로 상기 고정 브래킷의 자유단과 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되고, 상기 당겨진 상태로 설치된 광섬유에는 초기 변형이 발생된다.

또한, 상기 광섬유에 발생된 상기 초기 변형은 하기의 수학식 A에 따라 결정된다.

수학식 A

상기 수학식 A에서,

는 상기 광섬유의 초기 변형률이고,

는 상기 바이메탈 보의 탄성계수이며,

는 상기 바이메탈 보의 단면 2차 모멘트이고,

는 상기 광섬유의 탄성계수이며,

는 상기 광섬유의 단면적이고,

은 상기 바이메탈 보의 하단과 상기 광섬유의 타측이 설치된 바이메탈 보의 자유단 사이의 거리이고,

은 상기 제 1 거리이며,

는 상기 초기 인장길이이다.

또한, 상기 바이메탈 보는, 제 1 메탈; 및 상기 제 1 메탈과 결합되고, 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상이한 열팽창계수를 갖는 제 2 메탈;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 온도의 변화에 따라 발생되는 상기 바이메탈 보의 변형은, 상기 바이메탈 보의 자유단의 처짐이다.

또한, 상기 온도의 변화에 따라 발생되는 상기 바이메탈 보의 변형은, 상이한 값을 갖는 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상기 제 2 메탈의 열팽창계수에 의하여 유도된다.

또한, 상기 온도의 변화에 따른 상기 바이메탈 보의 변형은 하기의 수학식 B에 따라 결정된다.

수학식 B

상기 수학식 B에서,

는 상기 온도의 변화이며,

는 상기 온도의 변화에 따른 상기 바이메탈 보의 변형이며,

는 하기의 수학식 C와 같이 정의된다.

수학식 C

상기 수학식 C에서,

은 상기 제 1 메탈의 탄성계수이고,

은 상기 제 2 메탈의 탄성계수이며,

은 상기 제 1 메탈의 두께이고,

은 상기 제 2 메탈의 두께이며,

는 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상기 제 2 메탈의 열팽창계수의 차이이다.

또한, 상기 온도의 변화에 따른 상기 브래그 파장의 변경을 방지하기 위하여 수학식 C인

을 만족시키는 상기 바이메탈 보와 상기 광섬유를 이용한다. 상기 수학식 C에서,

은 상기 제 1 거리이고,

는 상기 광섬유의 광온도계수이며,

는 상기 광섬유의 광탄성계수이며,

는 상기 광섬유의 열팽창계수이다.

또한, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛을 이용하여 상기 피측정물의 변형률을 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있고, 상기 측정부는 하기의 수학식 D을 이용하여 상기 피측정물의 변형률을 측정할 수 있다.

삭제

수학식 D

상기 수학식 D에서,

은 상기 피측정물의 변형률이고,

는 상기 브래그 파장이며,

는 상기 바이메탈 보의 탄성계수이고,

는 상기 바이메탈 보의 단면 2차 모멘트이며,

는 상기 광섬유의 탄성계수이고,

는 상기 광섬유의 단면적이다.

한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법은, 온도의 변화가 발생되는 단계; 상기 온도의 변화에 대응하여 바이메탈 보에 변형이 발생되는 단계; 상기 바이메탈 보의 변형에 의하여 상기 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변경이 방지되는 단계; 및 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛을 이용하여 피측정물의 변형률을 측정하는 단계;를 포함하되, 상기 피측정물에는 고정 브래킷의 하단 및 상기 바이메탈 보의 하단이 고정되고, 상기 고정 브래킷과 상기 바이메탈 보는 기 설정된 제 1 거리만큼 이격되며, 광섬유의 일측은 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치되고, 상기 광섬유의 타측은 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되며, 상기 광섬유의 내부로 빛이 진행하고, 상기 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 상기 광섬유의 일측과 상기 광섬유의 타측 사이에 배치된 것을 방지할 수 있다.

한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자의 설치방법은, 고정 브래킷의 하단을 피측정물에 고정시키는 단계; 일측이 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치된 광섬유를 기 설정된 초기 인장길이만큼 당겨진 상태로 만드는 단계; 및 자유단에 상기 광섬유의 타측이 설치된 바이메탈 보의 하단을 상기 피측정물에 고정시키는 단계;를 포함하되, 상기 고정 브래킷과 상기 바이메탈 보는 기 설정된 제 1 거리만큼 이격되고, 상기 광섬유의 내부로 빛이 진행하고, 상기 광섬유의 일측과 상기 광섬유의 타측 사이에는 상기 광섬유의 내부로 진행하는 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 배치되며, 온도의 변화가 발생되는 경우, 상기 바이메탈 보에 변형이 발생되고, 상기 바이메탈 보의 변형은 상기 온도의 변화에 따라 상기 브래그 파장이 변경되는 것을 방지할 수 있다.

한편, FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들이 유형적으로 구현되어 있는 프로그램에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 상기 FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법은, 온도의 변화가 발생되는 단계; 상기 온도의 변화에 대응하여 바이메탈 보에 변형이 발생되는 단계; 상기 바이메탈 보의 변형에 의하여 상기 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변경이 방지되는 단계; 및 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛을 이용하여 피측정물의 변형률을 측정하는 단계;를 포함하되, 상기 피측정물에는 고정 브래킷의 하단 및 상기 바이메탈 보의 하단이 고정되고, 상기 고정 브래킷과 상기 바이메탈 보는 기 설정된 제 1 거리만큼 이격되며, 광섬유의 일측은 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치되고, 상기 광섬유의 타측은 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되며, 상기 광섬유의 내부로 빛이 진행하고, 상기 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 상기 광섬유의 일측과 상기 광섬유의 타측 사이에 배치된 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 바이메탈 보를 사용하여 FBG 탐촉자 자체에서 온도 보정을 할 수 있도록 구성되는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 약간의 초기 변형이 일어나게 당겨진 상태로 광섬유를 설치하고, 온도 변화에 따라 바이메탈 보에 변형이 유도되면 바이메탈 보의 변형이 브래그 파장의 변경을 방지할 수 있도록 구성함으로써 온도의 영향을 받지 않고 정확하게 변형률을 측정할 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 별도의 온도 보정이 불필요하여 신호처리량을 간소화시킬 수 있으며 복잡성을 줄일 수 있고 보다 신속하게 변형률 측정을 수행할 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자를 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명과 관련한 광섬유의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 2는 종래의 광섬유 브래그 격자 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따라 구현될 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자에 적용될 수 있는 바이메탈 보의 일 실시례이다.
도 5는 본 발명에 따른 FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법의 일례와 관련된 순서도이다.
도 6a 및 도 6b는 온도 변화에 따른 바이메탈 보의 처짐을 모식적으로 나타낸다.
도 7은 바이메탈 보의 두께와 폭에 따른 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자의 민감도에 대한 실험결과이다.
도 8은 바이메탈 보의 두께와 폭에 따른 바이메탈 보의 초기 처짐에 대한 실험결과이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

< FBG 변형률 센서 탐촉자의 구성>

이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명이 제안하고자 하는 FBG 변형률 센서 탐촉자의 구성을 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명에 따라 구현될 수 있는 FBG 변형률 센서 탐촉자의 일례를 나타내고, 도 4는 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자에 적용될 수 있는 바이메탈 보의 일 실시례이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)는 피측정물(10)에 설치된 고정 브래킷(20)과 바이메탈 보(30), 광섬유(40), 측정부(미도시) 등을 포함할 수 있다. 단, 도 3에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)가 구현될 수도 있다.

고정 브래킷(20)과 바이메탈 보(30)는 제 1 거리(L)만큼 이격되어 있다. 고정 브래킷(20)의 자유단과 바이메탈 보(30)의 자유단에는 광섬유(40)가 설치되며, 광섬유(40)는 바이메탈 보(30)의 하단으로부터 l 만큼 떨어져 설치된다. 고정 브래킷(20)의 하단과 바이메탈 보(30)의 하단은 피측정물(10)에 고정되어 있다.

도 4를 참조하면, 바이메탈 보(30)는 제 1 메탈(32)과 제 2 메탈(34)이 결합된 형태로 구성된다. 제 1 메탈(32)의 열팽장계수와 제 2 메탈(34)의 열팽장계수는 상이한 값을 가지며, 제 1 메탈(32)의 열팽장계수와 제 2 메탈(34)의 열팽장계수의 차이는

라고 표현한다.

제 1 메탈(32)의 두께는

으로 표현되고, 제 2 메탈(34)의 두께는

라고 표현하며, 양자는 동일할 수 있다. 제 1 메탈(32)과 제 2 메탈(34)은 W의 폭을 갖는다.

한편, 변형률을 측정하기 위해서는 광섬유(40)가 팽팽한 상태를 유지하여야 한다. 따라서, 광섬유(40)는 기 설정된 초기 인장길이만큼 당겨진 상태로 설치된다. 온도 변화에 따라 바이메탈 보(30)의 자유단에 처짐이 발생하게 되는데, 만약 광섬유(40)가 당겨진 상태에 있지 않다면, 광섬유(40)가 느슨한 상태로 될 수 있어 변형률 측정이 어려워질 수 있다.

구체적으로, 광섬유(40)는 초기 인장길이

만큼 당겨진 상태로 고정 브래킷(20)의 자유단과 바이메탈 보(30)의 자유단에 설치된다. 이러한 초기 상태에서 고정 브래킷(20)은 변형되지 않으나, 광섬유(40)가 잡아당기는 힘에 의하여 바이메탈 보(30)의 자유단에 처짐

이 발생할 수 있다. 초기 상태에서 광섬유(40)의 초기 변형률은 아래의 수학식 4와 같다.

여기서, 바이메탈 보(30)의 자유단은 집중하중

을 받고 있고,

는 광섬유(40)의 탄성계수이며,

는 광섬유(40)의 단면적이다.

집중하중

에 의한 바이메탈 보(30)의 초기 처짐

은 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 바이메탈 보(30)의 탄성계수이며,

는 바이메탈 보(30)의 단면 2차 모멘트이다.

상기 수학식 4와 수학식 5를 정리하면, 아래의 수학식 6과 같은 광섬유(40)의 초기 변형률을 얻을 수 있다.

이 상태에서 피측정물(10)에 힘이 가해져

의 변형이 발생하면, 바이메탈 보(30)는 휨 변형을 겪게 된다. 이때 광섬유(40)의 변형률

은 피측정물(10)의 변형률

과 바이메탈 보(30)의 자유단 처짐

에 의한 광섬유(40)의 변형률

을 이용하여 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

바이메탈 보(30)의 자유단 처짐

에 의한 광섬유(40)의 변형률

은 아래의 수학식 8과 같으며, 광섬유(40)의 인장 변형률은 아래의 수학식 9와 같다.

상기 수학식 7 내지 수학식 9를 하중

에 대하여 정리하면 아래의 수학식 10을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)에 온도 변화가 주어지는 경우에 대하여 고려해 본다. 온도 변화에 따라 바이메탈 보(30)는 자유단의 처짐

이 발생하며, 이는 아래의 수학식 11과 같다.

상기 수학식 11의 상세한 유도를 아래의 수학식 12에 나타내었다. 일정한 폭의 바이메탈 보(30)를 사용하는 경우 온도 변화에 따른 곡률반경은 수학식 12와 같다.

여기서,

은 제 1 메탈(32)의 탄성계수이고,

은 제 2 메탈(34)의 탄성계수이며,

은 제 1 메탈(32)의 두께이고,

은 제 2 메탈(34)의 두께이다.

따라서, 온도 변화에 따른 바이메탈 보(30)의 자유단 처짐에 따른 광섬유(40)의 변형률은 아래의 수학식 13과 같이 표현 가능하다.

온도 팽창에 의한 광섬유(40)의 변형률은 아래의 수학식 14와 같이 표현된다.

여기서,

는 광섬유(40)의 열팽창계수이다.

이상과 같이 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)에 작용하는 역학적인 변형률과 온도에 의한 변형률 변화를 살펴보았다. 이러한 변형률 변화와 온도 변화는 궁극적으로 브래그 파장의 변화를 가져오며, 이는 아래의 수학식 15와 같이 표현된다. 즉, 변형률

과 온도 변화

가 주어지면 브래그 파장의 변화

는 아래의 수학식 15와 같다.

여기서,

는 광섬유(40)의 광온도계수이고,

는 광섬유(40)의 광탄성계수이다.

상기 수학식 15에 수학식 6, 수학식 10, 수학식 13, 수학식 14를 대입하여 정리하면 아래의 수학식 16을 얻을 수 있다.

상기 수학식 16에서 온도 변화에 대하여 브래그 파장 변화가 발생하지 않기 위해서는 아래의 수학식 17의 조건이 성립하여야 한다.

상기 수학식 17에서 좌변의

는 바이메탈 보(30)의 물성에 관한 변수이고, 수학식 17의 우변은 광섬유(40)의 물성에 관한 변수이다.

이에 따라, 측정부가 측정하고자 하는 피측정물(10)의 변형률

과 파장 변화

사이의 민감도는, 아래의 수학식 18과 같이, 바이메탈 보(30)의 특성에 의하여 변화되고 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이 바이메탈 보(30)를 사용한 FBG 변형률 센서 탐촉자(10)는 실제 측정하고자 하는 변형률과 FBG 응답 변형률과 위 식만큼의 차이가 발생한다. 따라서 이 양을 잘 조절하면 허용할 수 있는 분해능을 유지하면서 측정 범위를 최대한 증대시킨 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)를 설계할 수 있을 것이다.

< FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법>

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 제안하고자 하는 FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법을 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 FBG 변형률 센서 탐촉자의 센싱방법의 일례와 관련된 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저, FBG 변형률 센서 탐촉자(100)에 온도의 변화가 발생되면(S10), 온도의 변화에 대응하여 바이메탈 보(30)에 변형이 발생된다(S12). 바이메탈 보(30)는 열팽창계수가 다른 제 1 메탈(32)과 제 2 메탈(34)로 구성되어 있기 때문에 온도 변화에 따라 바이메탈 보(30)의 변형이 발생될 수 있다.

여기서, 도 6a 및 도 6b는 온도 변화에 따른 바이메탈 보의 처짐을 모식적으로 나타낸다. 예를 들어, 온도가 상승하게 되면 도 6a에 도시된 것과 같이 바이메탈 보(30)의 자유단에 왼편으로 변형이 발생될 수 있으며, 반대로 온도가 하강하게 되면 도 6b에 도시된 것과 같이 바이메탈 보(30)의 자유단에 오른편으로 변형이 발생될 수 있다.

이어서, 바이메탈 보(30)의 변형에 의하여 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변경이 방지된다(S14). 온도가 상승하게 되면

가 양수가 되며, 바이메탈 보(30)는 이를 상쇄하는 방향으로 변형된다. 온도가 하강하게 되면

가 음수가 되며, 바이메탈 보(30)는 이를 상쇄하는 방향으로 변형된다.

이어서, 측정부는 광섬유 브래그 격자(42)에서 반사되는 빛을 이용하여 피측정물(10)의 변형률을 측정한다(S16). 상기 S16 단계에서 측정부는 상기 수학식 18을 이용하여 변형률을 측정한다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자(100)을 이용한 실제 실험결과를 도시한다. 도 7은 바이메탈 보의 두께와 폭에 따른 본 발명의 FBG 변형률 센서 탐촉자의 민감도에 대한 실험결과이고, 또한, 도 8은 바이메탈 보의 두께와 폭에 따른 바이메탈 보의 초기 처짐에 대한 실험결과이다.

자동 온도 보정을 위하여 상기 수학식 17을 만족하도록 바이메탈 보(30)와 게이지 길이를 선정하였다. 또한, 수학식 6의 초기 변형률은 약 5000 마이크론의 크기를 갖도록 설계하면 가장 넓은 작동 범위를 갖게 될 것이다.

본 실험에서, 광섬유의 특성치는 아래와 같이 설정하였다.

,

바이메탈 보(30)의 특성치는 아래와 같이 설정하였다.

,

이와 같은 특성치를 사용하면 도 7과 같은 변형률 감도 변화값과 도 8과 같은 초기 처짐량을 얻을 수 있다.

본 발명은 FBG 센서의 자동 온도 보정을 위하여 수직 바이메탈 보를 설치한 탐촉자를 제안하였다. 이러한 탐촉자의 민감도는 측정하고자 하는 재료의 변형에 따라 FBG의 파장 변화 감도로 정의되는데 이 민감도가 바이메탈 보의 사이즈에 따라서 변화되는 것을 알 수 있었다. 또한 초기 변위도 바이메탈 보의 사이즈에 따라서 다르게 설정되어야 함을 알 수 있다. 이러한 초기 변위 설정 후에는 변형률 측정 범위 ±5000 마이크론을 가지면서 자동 온도 보정이 가능한 FBG 탐촉자로서 작동되게 된다.

한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행할 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

10: 피측정물
20: 고정 브래킷
30: 바이메탈 보
32: 제 1 메탈
34: 제 2 메탈
40: 광섬유
42: 광섬유 브래그 격자
100: FBG 변형률 센서 탐촉자

Claims

피측정물의 변형률을 측정하기 위한 FBG 변형률 센서 탐촉자에 있어서,
하단이 상기 피측정물에 고정된 고정 브래킷;
하단이 상기 피측정물에 고정되고, 상기 고정 브래킷과 기 설정된 제 1 거리만큼 이격된 바이메탈 보; 및
일측은 상기 고정 브래킷의 자유단에 설치되고, 타측은 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되며, 내부로 빛이 진행하고, 상기 빛 중 브래그 파장(Bragg Wavelength)에 해당되는 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG)가 상기 일측과 상기 타측 사이에 배치된 광섬유;를 포함하되,
온도의 변화가 발생되는 경우, 상기 바이메탈 보에 변형이 발생되고, 상기 바이메탈 보의 변형은 상기 온도의 변화에 따라 상기 브래그 파장이 변경되는 것을 방지하고,
상기 광섬유는,
기 설정된 초기 인장길이만큼 당겨진 상태로 상기 고정 브래킷의 자유단과 상기 바이메탈 보의 자유단에 설치되고,
상기 당겨진 상태로 설치된 광섬유에는 초기 변형이 발생되며,
상기 광섬유에 발생된 상기 초기 변형은 하기의 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
수학식

상기 수학식에서,
는 상기 광섬유의 초기 변형률이고,
는 상기 바이메탈 보의 탄성계수이며,
는 상기 바이메탈 보의 단면 2차 모멘트이고,
는 상기 광섬유의 탄성계수이며,
는 상기 광섬유의 단면적이고,
은 상기 바이메탈 보의 하단과 상기 광섬유의 타측이 설치된 바이메탈 보의 자유단 사이의 거리이고,
은 상기 제 1 거리이며,
는 상기 초기 인장길이이다.
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제 1항에 있어서,
상기 바이메탈 보는,
제 1 메탈; 및
상기 제 1 메탈과 결합되고, 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상이한 열팽창계수를 갖는 제 2 메탈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
제 4항에 있어서,
상기 온도의 변화에 따라 발생되는 상기 바이메탈 보의 변형은,
상기 바이메탈 보의 자유단의 처짐인 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
제 4항에 있어서,
상기 온도의 변화에 따라 발생되는 상기 바이메탈 보의 변형은,
상이한 값을 갖는 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상기 제 2 메탈의 열팽창계수에 의하여 유도되는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
제 6항에 있어서,
상기 온도의 변화에 따른 상기 바이메탈 보의 변형은 하기의 수학식 1에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
수학식 1

상기 수학식 1에서,
은 상기 바이메탈 보의 하단과 상기 광섬유의 타측이 설치된 바이메탈 보의 자유단 사이의 거리이고,
는 상기 온도의 변화이며,
는 상기 온도의 변화에 따른 상기 바이메탈 보의 변형이며,
는 하기의 수학식 2와 같이 정의된다.
수학식 2

상기 수학식 2에서,
은 상기 제 1 메탈의 탄성계수이고,
은 상기 제 2 메탈의 탄성계수이며,
은 상기 제 1 메탈의 두께이고,
은 상기 제 2 메탈의 두께이며,
는 상기 제 1 메탈의 열팽창계수와 상기 제 2 메탈의 열팽창계수의 차이이다.
제 7항에 있어서,
상기 온도의 변화에 따른 상기 브래그 파장의 변경을 방지하기 위하여 하기의 수학식을 만족시키는 상기 바이메탈 보와 상기 광섬유를 이용하는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
수학식

상기 수학식에서,
은 상기 제 1 거리이고,
는 상기 광섬유의 광온도계수이며,
는 상기 광섬유의 광탄성계수이며,
는 상기 광섬유의 열팽창계수이다.
제 8항에 있어서,
상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛을 이용하여 상기 피측정물의 변형률을 측정하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
제 9항에 있어서,
상기 측정부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 피측정물의 변형률을 측정하는 것을 특징으로 하는, 온도 보정이 가능한 FBG 변형률 센서 탐촉자.
수학식

상기 수학식에서,
은 상기 피측정물의 변형률이고,
는 상기 브래그 파장이며,
는 상기 바이메탈 보의 탄성계수이고,
는 상기 바이메탈 보의 단면 2차 모멘트이며,
는 상기 광섬유의 탄성계수이고,
는 상기 광섬유의 단면적이다.
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