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문제 정의
- 본 논문에서는 반사형 장거리 변위 감지기용 광학계를 설계하고, 이를 실험적으로 구현하여 그 성능을 측정해 보았다. 시력 보호를 위해 850 nm 파장대의 LED 광원 2개를 사용하고, 이들 광원으로 관측 대상체를 집중적으로 비추어줄 수 있는 광학계를 설계하였다.
- 본 연구에서는 이러한 교량 또는 고층 건물 등의 진동에 따른 변위 감시를 위한 반사형 장거리 변위 감지기 구성에 필요한 광학계의 설계와 실제 실험적인 구성을 통한 변위 감지 성능을 측정한 결과를 소개하고자 한다. 특히 관측 대상체와 관측기 사이의 거리가 10 m ~ 250 m인 범위를 수용할 수 있는 정밀 변위 감지기 구성에 필요한 광송수신기용 광학계와 이를 실험적으로 구현한 특성 분석 결과를 다음 절에서 기술하고자 한다.
- 본 연구에서는 이러한 교량 또는 고층 건물 등의 진동에 따른 변위 감시를 위한 반사형 장거리 변위 감지기 구성에 필요한 광학계의 설계와 실제 실험적인 구성을 통한 변위 감지 성능을 측정한 결과를 소개하고자 한다. 특히 관측 대상체와 관측기 사이의 거리가 10 m ~ 250 m인 범위를 수용할 수 있는 정밀 변위 감지기 구성에 필요한 광송수신기용 광학계와 이를 실험적으로 구현한 특성 분석 결과를 다음 절에서 기술하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 관측 거리를 최소 10 m에서 최대 250 m 까지로 고려하여 10 m 거리에서는 관측 대상체의 관측 범위를 16 cm × 16 cm로 하여 변위 분해능은 0.16 mm 이하로 설계하고, 최대 250 m 거리에서는 관측 범위를 4 m x 4 m 이상, 변위 분해능은 4 mm 이내로 설계하였다.
- 1과 같다. 사람의 시력 안전을 위해 레이저를 사용하지 않고 적외선 LED 광원과 광학계로 관측 대상체에 설치된 코너 규브와 같은 후방 반사형 광학계의 진동 범위를 비출 수 있도록 설계하고, 변위 감지기 내에 설치된 2차원 광 위치 감지 센서 (position sensitive detector; PSD) 를 이용하여 반사 광학계로 부터 반사된 빛 신호의 진동을 감지하도록 구성하였다. 본 연구에서는 관측 거리를 최소 10 m에서 최대 250 m 까지로 고려하여 10 m 거리에서는 관측 대상체의 관측 범위를 16 cm × 16 cm로 하여 변위 분해능은 0.
- 아울러 2차원 광 위치센서로 멀리 떨어져 있는 관측 대상체의 변위를 정밀 측정 할 수 있도록 2개의 렌즈를 이용한 광학계가 설계되었다. 설계에 따라 반사형 장거리 변위 감지기를 제작하였으며, 이를 이용하여 실제 거리에 따른 변위 측정 성능을 측정하였다. 측정 최소 거리로 관측 대상체가 10 m로 떨어져 있을 때 측정된 변위 분해능은 0.
- 본 논문에서는 반사형 장거리 변위 감지기용 광학계를 설계하고, 이를 실험적으로 구현하여 그 성능을 측정해 보았다. 시력 보호를 위해 850 nm 파장대의 LED 광원 2개를 사용하고, 이들 광원으로 관측 대상체를 집중적으로 비추어줄 수 있는 광학계를 설계하였다. 아울러 2차원 광 위치센서로 멀리 떨어져 있는 관측 대상체의 변위를 정밀 측정 할 수 있도록 2개의 렌즈를 이용한 광학계가 설계되었다.
- 시력 보호를 위해 850 nm 파장대의 LED 광원 2개를 사용하고, 이들 광원으로 관측 대상체를 집중적으로 비추어줄 수 있는 광학계를 설계하였다. 아울러 2차원 광 위치센서로 멀리 떨어져 있는 관측 대상체의 변위를 정밀 측정 할 수 있도록 2개의 렌즈를 이용한 광학계가 설계되었다. 설계에 따라 반사형 장거리 변위 감지기를 제작하였으며, 이를 이용하여 실제 거리에 따른 변위 측정 성능을 측정하였다.
- 앞서 언급된 부품들로 최종 구성된 장거리 변위 감지기와 관측 대상체에 설치된 반사경들의 실물 사진은 FIG. 9에 보여지는 바와 같으며, 이 감지기의 실제 원거리 관측 대상체에 따른 변위 감지 성능을 테스트 해 보았다. 제작된 변위 감지기가 삼발대 위에 부착된 모습이 FIG.
- 16 mm 이하의 변위 감지기를 구현하기 위해서는 충분한 관측 범위를 유지하면서도 정밀한 변위 분해능을 얻을 수 있는 광학계가 갖추어진 위치 센서 (PSD)가 필요하다. 이러한 관측 범위와 변위 분해능을 얻기 위해서는 단일 광학계로는 구성이 힘들고, FIG. 3과 같은 이중 광학계에 의한 망원 렌즈 기능이 필요함이 이론적인 분석을 통해 확인이 되었다.
- 16 mm 이하로 설계하고, 최대 250 m 거리에서는 관측 범위를 4 m x 4 m 이상, 변위 분해능은 4 mm 이내로 설계하였다. 이와 같은 변위 감지기 구성을 위해서 FIG. 1과 같은 광신호 송신부와 광신호 수신부용 광학계 구성을 고려하였으며, 변위 관측 범위가 거리에 따라 달라지기 때문에 반사판의 크기와 이에 사용되는 반사 광학계도 충분한 반사 출력을 가질 수 있도록 설계하였다.
- 제작된 변위 감지기는 삼발대에 올리고, 거리에 따른 반사경을 선택하여 이동형 관측 대상체에 설치하여 관측 거리를 10 m에서 300 m까지 이동하면서 실제 변위 측정을 실험하였다. 관측 대상체가 변위 감지기로부터의 10 m와 250 m로 떨어져 있을 때 측정한 데이터는 각각 FIG.
대상 데이터
- 7에 보여진다. 2.1절에서 LED용 수렴 렌즈의 경우에는 초점거리가 85 mm인 렌즈가 적절한 것으로 계산되었으나, 시중에서는 초점거리가 100 mm인 렌즈를 쉽게 구할 수 있어서 이를 이용하고, 위치 감지 센서부의 광학계는 초점거리가 75 mm 및 9 mm인 2개의 렌즈를 사용하였다. 반사경으로는 일반적인 코너 큐브형 후방 반사경 (corner cube-type retro-reflector)를 사용하였으며, 위치 감지 센서가 놓이는 위치에서 반사빔이 잘 수렴되는 것을 확인하였다.
- 광 수신부에서는 칩 크기가 9 × 9 mm 인 Hammamatsu 사의 위치센서 (S5991-01)가 사용되었으며, 피크 투과파장대가 880 nm 이고 반치폭이 약 100 nm인 밴드투과필터가 외부 가시광에 의한 영향을 배제하기 위해 사용되었다.
- 광송신부에서는 한국 고덴시에서 생산한 피크 파장이 대략 870 nm이고 반폭이 45 nm이며, 구동 전류가 80 mA에서 대략 10 mW의 출력빔을 ±9°의 방사각으로 방출하는 GaAlAs 계열의 적외선 LED (모델 CL-205)가 사용되었다.
- 본 논문에서는 변위 측정용 송신부 광원으로 사람의 눈을 보호하고 낮 동안의 가시광에 의한 신호 간섭을 최소화하고 기존에 상용화되어 있는 광 위치 감지 센서 (PSD) 들이 주로 실리콘으로 제작되어 있기 때문에 광신호 수신이 가능한 파장 대역인 850 nm 파장대 LED를 광원으로 사용하였다. 일반적인 상용 LED의 경우에는 레이저 광원과 달리 광원의 방사각이 9° 이상이 되어 장거리를 진행하게 되면 빛이 너무 퍼져서 실제 관측 대상체에 도달하는 광세기가 너무 약해져 관측이 어려울 수 있다.
- 주로 시중에서 쉽게 구할 수 있고 적절한 크기로 구성하기 위해서는 대물렌즈의 직경으로 1 인치 또는 2인치 크기가 고려될 수 있다. 본 변위감지기 기술의 개발에 있어서 장거리 변위감지에 따른 충분한 수신 신호를 확보하기 위해 구경이 큰 2 인치(≃50 mm) 직경의 대물렌즈를 선택하였다. 2인치 직경의 상용대물렌즈의 경우 가장 짧은 초점 거리는 대략 75 mm 이므로, 이 대물렌즈와 적절한 조합으로 위치센서에서의 상의 크기가 대략 9 mm 이하가 되면서 최소 변위에 따른 충분한 분해능을 가질 수 있는 접안렌즈의 선택이 필요하다.
- 본 연구에서 고려된 위치센서는 Hammamatsu사의 S5991-01 제품이 었으며, 이 위치센서의 칩 크기는 9 × 9 mm이고, 위치 분해능은 1.5 µm 이다.
성능/효과
- 광 수신부에서는 칩 크기가 9 × 9 mm 인 Hammamatsu 사의 위치센서 (S5991-01)가 사용되었으며, 피크 투과파장대가 880 nm 이고 반치폭이 약 100 nm인 밴드투과필터가 외부 가시광에 의한 영향을 배제하기 위해 사용되었다. 2.2절에서 설계된 바와 같이 대물렌즈로는 초점거리가 75 mm이고 직경이 50 mm인 색수차 보정용 렌즈와 접안렌즈로는 직경과 초점거리가 9 mm인 렌즈가 FIG. 8(b)와 같이 배치되었다. 앞 절의 계산 결과에 의하면 위치센서로 부터 두 렌즈의 맨 앞까지의 총 경통 길이는 대략 130 mm에서 150 mm로 렌즈 간의 간격과 접안렌즈와 위치 감지 센서간의 거리가 각각 조절될 수 있도록 구성되었다.
- 12에 보여진다. 거리가 10 m 떨어져 있을 때에는 플라스틱 반사경 하나를 사용하여 2 cm만큼 한 방향으로 움직이는 동안 변위 감지기에서 측정된 변위는 비교적 일정하게 변화하였으며, 최소 변위 분해능이 0.1 mm 이하가 가능함이 확인되었다. 그리고 거리가 250 m 떨어져 있을 때에는 유리 코너 큐브로 된 후방 반사경 4개 묶음 세트 2개를 반사경으로 사용하였으며, 이 반사경을 4 cm만큼 한 방향으로 움직이는 동안 변위 감지기에서 측정된 변위는 다소 왜곡이 있지만 전반적으로는 비교적 선형적인 변화를 보였다.
- 5 µm 보다 충분히 커서 변위 인식이 가능함을 알 수 있고, 위치센서에 맺히는 상의 크기를 충분히 크게 해 줄수록 변위 크기가 커서 인식률을 높일 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 렌즈 간의 경통 길이뿐만 아니라 렌즈와 위치센서 간의 거리도 적절히 조절하여 위치센서에 맺히는 상을 충분히 크게 해 줌으로써 10 m부터 250 m 거리까지 떨어져 있는 관측 대상체의 미세 변위를 더욱 용이하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
- 1 mm 이하가 가능함이 확인되었다. 그리고 거리가 250 m 떨어져 있을 때에는 유리 코너 큐브로 된 후방 반사경 4개 묶음 세트 2개를 반사경으로 사용하였으며, 이 반사경을 4 cm만큼 한 방향으로 움직이는 동안 변위 감지기에서 측정된 변위는 다소 왜곡이 있지만 전반적으로는 비교적 선형적인 변화를 보였다. 이 경우에도 변위 분해능이 3.
- 렌즈 간의 간격과 접안렌즈와 위치센서 간의 간격이 앞에서 계산된 값들로 잘 맞추어진 경우에 상기 관측 대상체가 변위 분해능에 해당하는 만큼 변위를 일으켰다면, 위치 감지 센서에서의 상의 이동은 FIG. 6에 보여지는 바와 같이 5 mm 또는 7 mm 크기의 상으로 맺혀졌을 때 각각 5 µm와 7 µm가 됨이 계산으로 확인되었다.
- 1절에서 LED용 수렴 렌즈의 경우에는 초점거리가 85 mm인 렌즈가 적절한 것으로 계산되었으나, 시중에서는 초점거리가 100 mm인 렌즈를 쉽게 구할 수 있어서 이를 이용하고, 위치 감지 센서부의 광학계는 초점거리가 75 mm 및 9 mm인 2개의 렌즈를 사용하였다. 반사경으로는 일반적인 코너 큐브형 후방 반사경 (corner cube-type retro-reflector)를 사용하였으며, 위치 감지 센서가 놓이는 위치에서 반사빔이 잘 수렴되는 것을 확인하였다.
- 1차원 PSD로 선형 이동에 따른 반사 신호의 위치를 인식하는 프로그램으로 하단 웨이브폼 차트에는 위치의 시간에 따른 변화 상태를 보여주고 있다. 왼쪽 콤보 박스 가운데 최대값과 최소값은 관측 대상체의 반사경에서 반사되어 오는 광신호를 위치 감지 센서가 검출할 때 인식되는 전류값의 크기 정도를 나타내며, A+B의 값이 4,000 정도의 값을 유지할 때 변위를 가장 민감하게 측정할 수 있었다.
- 그리고 거리가 250 m 떨어져 있을 때에는 유리 코너 큐브로 된 후방 반사경 4개 묶음 세트 2개를 반사경으로 사용하였으며, 이 반사경을 4 cm만큼 한 방향으로 움직이는 동안 변위 감지기에서 측정된 변위는 다소 왜곡이 있지만 전반적으로는 비교적 선형적인 변화를 보였다. 이 경우에도 변위 분해능이 3.0 mm 이하는 충분히 확보가 가능함을 확인하였다. 이 들간의 중간 거리에서도 앞에서 언급한 바와 같이 적절한 반사 출력을 얻을 수 있는 반사경을 선택하여 변위 측정을 하였으며, 우리가 설계한 계획대로 변위 측정이 가능하였다.
- 설계에 따라 반사형 장거리 변위 감지기를 제작하였으며, 이를 이용하여 실제 거리에 따른 변위 측정 성능을 측정하였다. 측정 최소 거리로 관측 대상체가 10 m로 떨어져 있을 때 측정된 변위 분해능은 0.1 mm이었으며, 최대 거리 250 m일 때는 3 mm 이하의 변위 분해능이 가능함이 확인되었다. 본 연구에서 개발된 반사형 장거리 변위 감지기 기술은 실제 산업적인 용도로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
- 1 mm이었으며, 최대 거리 250 m일 때는 3 mm 이하의 변위 분해능이 가능함이 확인되었다. 본 연구에서 개발된 반사형 장거리 변위 감지기 기술은 실제 산업적인 용도로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
- 앞서 언급된 바와 같이 본 연구에서는 관측 거리가 최대 250 m이고 관측 범위는 4 m × 4 m 이상, 변위 분해능은 4 mm 이내로 하며, 최소 관측거리인 10 m 거리에서는 관측 범위와 변위 분해능은 각각 16 cm × 16 cm와 0.16 mm 이하의 변위 감지기를 구현하기 위해서는 충분한 관측 범위를 유지하면서도 정밀한 변위 분해능을 얻을 수 있는 광학계가 갖추어진 위치 센서 (PSD)가 필요하다.
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