[논문]광섬유를 이용한 각도 측정 연구

김아희; 김지선; 오한별; 김준식; 고봉준; 이은숙; 정현철; 최주현; 백진영; 전재훈

doi:10.5370/kiee.2015.64.4.605

[국내논문] 광섬유를 이용한 각도 측정 연구
A Study on Angle Measurements Using an Optical Fiber 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.4, 2015년, pp.605 - 611

Abstract ▼ AI-Helper

The measurement and analysis of angular change have been studied in many fields. This study developed an angle measurement technique with optical fiber and photodiode. The position and attached angle of photodiode were investigated to find the proper combination of parameter. The results showed that the increased measuring range was achieved when the position of detector was away from the center of rotation. Inverse mathematical model was used to obtain angular changes with an optical fiber. The applications of this study include in optical sensor, joint angle measurement, and sport science.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

광섬유 자체를 굽히거나 파손시켜 빛의 손실 양으로 데이터를 얻는 방법이 아닌[8-9], 발광부와 수광부의 위치를 변경하여 서로 다른 센서에서 받아들이는 광량의 차이를 이용하여 각도를 검출 할 수 있는 시스템을 구성하였다. 궁극적인 목표는 광 다이오드를 다양한 형태로 구성하여 광량의 차이를 분석하여 모델링하고, 새로운 각도 측정 방법으로써의 정밀도를 평가해 보았다. 고안한 시스템을 실제 각도 측정에 적용한다면 사용자가 보다 정확하고 간편하게 각도를 검출해 낼 수 있는 장점이 있다.
기존의 각도 측정 방법들은 주관적 판단, 마모, 크기, 비용, 신호처리의 어려움 등의 단점이 존재한다. 본 논문에서는 기존 각도 측정 방법의 단점들을 보완할 수 있는 새로운 측정 기술을 제시하였다. 이를 위해 크기가 작고 가벼우며 전기저항의 마모가 없고 비교적 가격이 저렴한 광섬유와 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 세부 각도를 출력할 수 있도록 빛에 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하였다.
본 연구에서는 크기가 작고 가벼우며 가격이 저렴한 광섬유와 광 다이오드를 사용하여 각도를 측정 할 수 있는 시스템을 연구하였다. 빛을 이용하여 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 각도를 정밀하게 출력할 수 있도록 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하여 디자인하고 기초 데이터를 얻었다.

제안 방법

빛을 이용하여 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 각도를 정밀하게 출력할 수 있도록 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하여 디자인하고 기초 데이터를 얻었다. 광섬유 자체를 굽히거나 파손시켜 빛의 손실 양으로 데이터를 얻는 방법이 아닌[8-9], 발광부와 수광부의 위치를 변경하여 서로 다른 센서에서 받아들이는 광량의 차이를 이용하여 각도를 검출 할 수 있는 시스템을 구성하였다. 궁극적인 목표는 광 다이오드를 다양한 형태로 구성하여 광량의 차이를 분석하여 모델링하고, 새로운 각도 측정 방법으로써의 정밀도를 평가해 보았다.
실험에 사용된 변수는 회전반경 (R = 8 mm ～ 15 mm), 중간센서의 돌출거리 (L = 0 mm ～ 3 mm), 좌·우 센서의 부착각도(Φ = 45°, 60°) 그리고 광섬유의 회전각도 (θ = 0° ～180°, 5°간격)이다. 광원에서 나온 빛은 광섬유를 통해 손실 없이 전송되고, 회전각도마다 세 개 센서에서의 광 출력신호(V) 변화를 LabVIEW(National Instruments)를 통해 실시간으로 측정하였다.
이를 위해 크기가 작고 가벼우며 전기저항의 마모가 없고 비교적 가격이 저렴한 광섬유와 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 세부 각도를 출력할 수 있도록 빛에 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하였다. 또한 사용자가 보다 쉽게 사용할 수 있도록 역변환 모델링으로 구한 n차 함수식을 LabVIEW에 연동하여 측정되는 광 출력 신호를 실시간으로 각도로 검출 되도록 구성 하였다. 측정 범위를 넓게 잡기 위하여 광 신호를 받는 광 다이오드를 세 개를 사용하였으며 이 센서들 간의 위치와 부착각도, 광섬유와의 거리 조합으로 출력 해상도를 좋게 하고 측정 범위를 넓힘으로써 각도를 측정하기 쉽게 하였다.
빛을 이용하여 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 각도를 정밀하게 출력할 수 있도록 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하여 디자인하고 기초 데이터를 얻었다.
이는 회전각의 변위를 부호판과 광전소자를 사용하여 측정하는 센서이다. 빛의 투과부분과 불 투과 부분을 갖는 스케일판과 판독 격자판으로 구성되어 있어 스케일 판이 움직이면 광전소자에 주기적으로 명암이 나타나기 때문에 이것을 계수하여 각도를 측정한다. 측정범위도 넓고 매우 정밀하지만 각도의 분해도를 높이기 위해서는 판독 격자판의 신호처리를 더 추가해야 하며, 스케일 판의 슬릿열을 증가 시켜야 하기 때문에 복잡하고 고가이다[6].
센서에 수광되는 광량의 변화로 각도를 측정하기위해 MATLAB을 사용하여 세 개의 광 다이오드의 출력신호에 대해 모델링하였다. 각도 검출방법은 역변환 방법을 사용하였다.
각도 검출방법은 역변환 방법을 사용하였다. 역변환 모델링(inverse mathematical model)은 계속적으로 증가하거나 감소하는 경향을 보이는 영역에서 사용이 가능하기 때문에[10] 각 센서마다 범위를 나누어 모델링하였다. 측정되는 전압 값을 이용하여 각도를 알아내기 위해 각 범위마다 여러 다항식으로 모델링을 하고 측정하지 않은 중간 값도 추정할 수 있도록 n차 함수식을 만들었다.
전압 값(V)으로 각도(θ)를 검출하기 위해 역변환 방법을 사용하였다. 역변환 모델링은 계속적으로 증가하거나 감소하는 경향을 보이는 영역에서 사용이 가능하기 때문에 그림 7과 같이 센서마다 범위를 나누어 모델링을 하였다. 이때, 최적의 측정범위와 해상도, 높은 전압 값을 가지는 그림 6 (b)의 조건 R = 13 mm, L = 3 mm, Φ = 45°를 선택하였다.
본 논문에서는 기존 각도 측정 방법의 단점들을 보완할 수 있는 새로운 측정 기술을 제시하였다. 이를 위해 크기가 작고 가벼우며 전기저항의 마모가 없고 비교적 가격이 저렴한 광섬유와 각도에 따른 빛의 미세한 양의 차이로 세부 각도를 출력할 수 있도록 빛에 민감도가 높은 광 다이오드를 사용하였다. 또한 사용자가 보다 쉽게 사용할 수 있도록 역변환 모델링으로 구한 n차 함수식을 LabVIEW에 연동하여 측정되는 광 출력 신호를 실시간으로 각도로 검출 되도록 구성 하였다.
또한 사용자가 보다 쉽게 사용할 수 있도록 역변환 모델링으로 구한 n차 함수식을 LabVIEW에 연동하여 측정되는 광 출력 신호를 실시간으로 각도로 검출 되도록 구성 하였다. 측정 범위를 넓게 잡기 위하여 광 신호를 받는 광 다이오드를 세 개를 사용하였으며 이 센서들 간의 위치와 부착각도, 광섬유와의 거리 조합으로 출력 해상도를 좋게 하고 측정 범위를 넓힘으로써 각도를 측정하기 쉽게 하였다. 결과적으로 중간 센서가 다른 센서에 비해 돌출되면 가우시안 빔과 유사한 형태를 이루고, 좌·우 센서의 부착 각도가 작을수록 측정 범위가 향상됨을 확인하였다.
역변환 모델링(inverse mathematical model)은 계속적으로 증가하거나 감소하는 경향을 보이는 영역에서 사용이 가능하기 때문에[10] 각 센서마다 범위를 나누어 모델링하였다. 측정되는 전압 값을 이용하여 각도를 알아내기 위해 각 범위마다 여러 다항식으로 모델링을 하고 측정하지 않은 중간 값도 추정할 수 있도록 n차 함수식을 만들었다. 역변환 식에서 x는 전압 값을 의미하고 y는 각도를 나타낸다.

대상 데이터

실험에 사용된 변수는 회전반경 (R = 8 mm ～ 15 mm), 중간센서의 돌출거리 (L = 0 mm ～ 3 mm), 좌·우 센서의 부착각도(Φ = 45°, 60°) 그리고 광섬유의 회전각도 (θ = 0° ～180°, 5°간격)이다.

데이터처리

또한 원 데이터와 모델링을 통해 얻어진 회귀식(Regression equation)의 적합도를 재는 척도인 결정계수(Coefficient of determination, R2)를 구하였다. 결정 계수는 0과 1사이 값을 가지는데 값이 1에 가까울수록 모든 데이터가 해당 수식에 근접하다는 것을 나타내고 이는 식 (1)로 구할 수 있다.

이론/모형

센서에 수광되는 광량의 변화로 각도를 측정하기위해 MATLAB을 사용하여 세 개의 광 다이오드의 출력신호에 대해 모델링하였다. 각도 검출방법은 역변환 방법을 사용하였다. 역변환 모델링(inverse mathematical model)은 계속적으로 증가하거나 감소하는 경향을 보이는 영역에서 사용이 가능하기 때문에[10] 각 센서마다 범위를 나누어 모델링하였다.
실시간으로 각도를 검출하기 위해 역변환 모델링으로 구한 n차 함수식을 LabVIEW로 연동시켰다. 각 센서의 범위에서 구한 역변환 n차 함수식을 그림 4의 방법을 사용하여 실시간으로 측정되는 전압 값을 각도로 변환하여 출력되도록 하였다.
전압 값(V)으로 각도(θ)를 검출하기 위해 역변환 방법을 사용하였다.

성능/효과

(c)와 같이 R = 13 mm로 더 증가시키면 좌·우 센서의 출력은 향상되나 중간센서의 출력이 일그러짐을 확인하였다.
각도 측정이 가능한 0° ～ 175° 범위 내에서 기준각도와 출력되는 각도의 상관관계는 R2 = 0.9999, p < 0.01로 높은 유의성을 보이므로 본 논문에 사용한 방법을 이용하여 각도를 검출 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
결과적으로 중간 센서가 다른 센서에 비해 돌출되면 가우시안 빔과 유사한 형태를 이루고, 좌·우 센서의 부착 각도가 작을수록 측정 범위가 향상됨을 확인하였다.
본 논문에서 실험을 통해 얻어진 최적의 조건 R = 13 mm, L = 3 mm, Φ = 45°의 결과를 사용하여 모델링을 하였고, 그 결과 각도 측정 범위는 0° ～ 175°로 총 175°의 넓은 범위를 가진다. 또한 LabVIEW에 실시간으로 출력되는 전압 값 신호로부터 각도를 측정할 수 있도록 역변환의 n차식을 연동하여 측정한 결과 측정 범위 내에서 각도 측정이 가능한 것을 확인 하였다. 그러나 본 논문의 방법으로는 175° 까지만 모델링이 가능하며 측정된 광 출력신호를 역 모델링을 한 후, LabVIEW에 연동하여 각도를 측정하기 때문에 광 출력 신호만으로 각도를 측정하기는 어렵다.
본 논문에서 실험을 통해 얻어진 최적의 조건 R = 13 mm, L = 3 mm, Φ = 45°의 결과를 사용하여 모델링을 하였고, 그 결과 각도 측정 범위는 0° ～ 175°로 총 175°의 넓은 범위를 가진다.
이 결과 역시 같은 부착각도(Φ = 60°)일 때, 돌출거리(L)가 1.5 mm일 때 보다 3 mm일 때 가운데 센서의 출력이 가우시안 빔과 유사한 형태를 이루는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

궁극적인 목표는 광 다이오드를 다양한 형태로 구성하여 광량의 차이를 분석하여 모델링하고, 새로운 각도 측정 방법으로써의 정밀도를 평가해 보았다. 고안한 시스템을 실제 각도 측정에 적용한다면 사용자가 보다 정확하고 간편하게 각도를 검출해 낼 수 있는 장점이 있다.
차후 연구에서는 좀 더 다양한 센서들의 조합, 센서의 개수 증가, 광섬유와 센서와의 거리 변화 등에 대한 연구를 수행하여 각도 측정 범위와 해상도를 향상 시키고 더욱 간단하고 정확한 모델링 역변환식을 소프트웨어에 대입하여 추가적 처리 없이 실시간으로 각도를 측정 할 수 있는 프로그램을 구성하여 사용자가 보다 편리하게 할 수 있도록 구축할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관성센서 (inertial sensor)의 단점은?	측정범위도 넓고 매우 정밀하지만 각도의 분해도를 높이기 위해서는 판독 격자판의 신호처리를 더 추가해야 하며, 스케일 판의 슬릿열을 증가 시켜야 하기 때문에 복잡하고 고가이다 [6]. 군사 분야 및 휴대단말장치에 사용되고 있는 관성센서 (inertial sensor)의 경우 자세나 위치를 추정할 수 있는 장점이 있지만 노이즈 제거, 파라미터 오차보상, 온도 드리프트 보상 등의 각종 신호 처리 기술들이 따라야 한다는 단점이 있다[7].
	광전식 인코더(optical encorder)란?	산업 분야에서는 NC기계(Numerical Control Machine)나 로봇의 위치 결정 등 디지털 소자로서 중요한 위치를 차지하는 광전식 인코더(optical encorder)를 사용하여 각도를 측정한다[5]. 이는 회전각의 변위를 부호판과 광전소자를 사용하여 측정하는 센서이다. 빛의 투과부분과 불 투과 부분을 갖는 스케일판과 판독 격자판으로 구성되어 있어 스케일 판이 움직이면 광전소자에 주기적으로 명암이 나타나기 때문에 이것을 계수하여 각도를 측정한다.
	의료용 측 각도기(goniometer)의 단점은 무엇이며, 대안책은 무엇인가?	임상에서 각도 측정은 관절의 각도를 측정하고 수술이나 재활 후의 치료 정도를 판단할 때 사용하는데 이때 일반적으로 의료용 측 각도기(goniometer)를 사용한다. 이는 측정이 간단 하지만 각도 측정에 검사자의 주관적인 요소가 개입될 수 있고, 정적일 때만 측정이 가능하므로 객관적이고 정확하게 측정하기에는 어려움이 있으며 데이터를 디지털화하여 저장할 수 없다는 단점이 있다 [1-2]. 이에 따른 대안으로 전자 각도기(electro-goniometer)를 사용하지만, 이 경우 잦은 사용 시 전기 저항부문의 마모가 올 수 있으며 정확성이 낮아 질 수 있다[3-4].

참고문헌 (10)

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상세보기
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P. Roriz, L. Carvalho, O. Frazã, J. L. Santos, and J. A. Simõs, “From conventional sensors to fibre optic sensors for strain and force measurements in biomechanics applications: A review,” Journal of biomechanics, vol. 47, no. 6, pp. 1251-1261, 2014.

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S. G. Kim, S. H. Shin, D. Jeon, S. H. Hong, H. I. Sim, K. W. Jang, W. J. Yoo, B. Lee, “Fiber-optic Goniometer to Measure Knee Joint Angle for the Diagnosis of Gait Disturbance,” The Transactions of KIEE, vol, 62, no. 7, pp. 1009-1013, 2013.
G. I. Jung, J. S. Kim, D. H. Hur, H. D. Yu, S. H. Lim, J. H. Choi, J. H. Lee, G. M. Eom, and J. H. Jun, “Angular Displacement Measurement Using Optical Sensor,” The Transaction of KIEE, vol. 60, no. 10, pp. 1959-1965, 2011.

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