KR100275521B1 - 파장선택형 광검출기를 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유브래그 격자 센서 장치 및 그방법 - Google Patents

파장선택형 광검출기를 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유브래그 격자 센서 장치 및 그방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 파장 측정장치와 광섬유 브래그 격자 센서장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 파장선택형 광검출기의 파장 의존성을 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유 브래그 격자 센서 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 광신호를 발생하기 위한 광신호 발생 수단; 광신호를 입사받아 설정 파라미터에 따라 광신호를 반사하는 광섬유 브래그 격자; 광신호 발생 수단의 광신호를 상기 광섬유 브래그 격자로 전달하고, 광섬유 브래그 격자의 반사광을 분기하기 위한 광분기 수단; 분기된 광신호를 분배하기 위한 광분배 수단; 광분배 수단의 일출력을 파장에 관계없이 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 광검출 수단; 광분배 수단의 타출력을 파장에 따라 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 파장선택형 광검출 수단; 및 전기적 신호를 처리하여 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하기 위한 신호 처리 수단을 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 온도 및 스트레인 등의 측정에 이용됨.

Description

파장선택형 광검출기를 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유 브래그 격자 센서 장치 및 그 방법
본 발명은 파장 의존성을 갖는 파장선택형 광검출기를 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유 브래그 격자(FBG : Fiber Bragg Grating) 센서 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 파장 의존성을 갖는 파장선택형 광검출기를 이용하므로써, 필요한 광소자의 개수를 최소화하여 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 광섬유 브래그 격자(FBG)로부터의 반사 광신호를 복조하는 간단하고 경제적인 광신호 파장 측정 장치와 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
광섬유 브래그 격자(FBG)는 광섬유에 일정한 간격의 규칙적인 굴절율(refractive index) 변이 격자를 새긴 것으로, 광신호를 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사하면 입력측으로 굴절율(refractive index) 변이 및 격자간 거리에 따른 해당 파장만을 반사하고, 나머지 파장 대의 신호는 투과시키는 특징이 있는 일종의 광학 필터 소자이다.
이때, 굴절율(refractive index) 및 간격 등 격자의 구조 특성을 변화시키면 반사되는 광신호의 파장 특성이 변화된다. 현재 이러한 과정을 거쳐, 온도 및 스트레인 등을 측정하는 광섬유 브래그 격자(FBG) 광센서의 연구가 활발히 진행되고 있다.
광섬유 브래그 격자(FBG)에 인가된 온도 및 스트레인 등의 양을 정확하게 측정하기 위해서는, 광섬유 브래그 격자(FBG)로부터 반사되는 광신호의 파장 변화를 광섬유 브래그 격자(FBG) 복조기를 통하여 측정할 수 있어야 한다. 종래의 광섬유 브래그 격자(FBG) 복조 방식으로는 모노크로미터 또는 스펙트로미터를 이용하는 방법, 가변 광학 필터를 스캐닝하는 방법, 광학 간섭기를 이용하는 방법 및 광학 필터의 파장 의존성 응답 특성을 이용하는 방법 등이 있다.
도 1 은 종래의 모노크로미터 또는 스펙트로미터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도로서, 광섬유 브래그 격자로부터 반사되는 광신호의 파장 값을 모노크로미터 또는 스펙트로미터를 이용하여 측정하는 방식의 일예시도이다.
종래의 모노크로미터 또는 스펙트로미터를 이용한 방식은, 도 1 에 도시된 바와 같이, 광원(11)으로부터 발생되는 광대역의 스펙트럼 폭을 갖는 광신호가 광커플러(12)를 통하여 광섬유 브래그 격자(FBG)(13)에 입사되고, 단순히 광섬유 브래그 격자(13)로부터 반사되는 광신호를 상기 광커플러(12)에서 분기하여 모노크로미터 또는 스펙트로미터(14)에 입사하여 개인용 컴퓨터(PC) 또는 신호처리기(15)에 의해 파장을 측정하는 방식으로, 공간적 회절 격자 소자, 패브리 페로 간섭기를 사용한 공간적 광학 기술을 통하여 구성할 수 있다. 즉, 모노크로미터는 공간적인 패브리 페로 간섭기로 구성할 수 있고, 스펙트로미터는 공간 광학적인 회절 격자 소자와 이를 공간적으로 검출하는 광검출기로 구성할 수 있다.
"Yun-Jiang Rao" 등이 1997년에 "광파장 기술 저널(Journal of Lightwave Technology) Vol.15, No.5 pp779-785"에 게재한 "의료 응용을 위한 광섬유 브래그 격자 온도 센서 시스템(In-Fiber Bragg-Grating Temperature Sensor System for Medical Application)"에서 제시한 복조방식의 일부가 이러한 방식의 예로 볼 수 있다.
그러나, 상기 종래 기술은, 공간적 구성에 따른 장치의 크기 및 외부 환경 변화에 따른 신뢰성에 문제가 있어 그다지 좋은 방법이라 할 수 없다.
도 2 는 종래의 가변 광학 필터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도로서, 종래의 광섬유 브래그 격자로부터 반사되는 광신호의 파장 변화를 가변 광학 필터를 사용하여 측정하는 방식의 일예시도이다.
종래의 가변 광학 필터를 이용한 방식에서는, 광원(21)으로부터 발생되는 광대역의 스펙트럼 폭을 갖는 광신호가 광커플러(22)를 통하여 광섬유 브래그 격자(FBG)(23)에 입사되고, 광섬유 브래그 격자(23)에서 반사된 광신호가 상기 광커플러(22)에서 분기되어 광섬유 패브리 페로 간섭기 및 음향 광학 소자 등의 가변 광학 필터(24)에 입사되며, 출력을 광검출기(25)를 이용하여 전기적 신호로 변환한 다음에 신호처리기(26)에 의해 파장의 변화를 측정한다. 신호처리 방법은 가변 광학 필터(24)를 스캐닝 제어기(27)에 의해 주기적으로 스캐닝하여 변화되는 파장을 시간축 또는 주파수축의 지점으로 측정하는 것으로, 일정한 속도로 예상되는 파장 영역을 지속적으로 스캐닝하여야 한다.
따라서, 상기 종래 기술은, 검출 속도가 제한된다는 단점이 있고, 또한 가변 광학 필터의 가변 특성이 선형적이어야 정확한 양을 측정할 수 있으며, 고가의 가변 광학 필터와 이를 제어하는 제어기를 사용하므로써 구성이 복잡하고 비경제적이다.
"M. A. Davis" 등이 미국에서 특허등록을 받은 US5,818,585호(Fiber Bragg grating interrogation system with adaptive calibration)에 제시된 복조방식을 이러한 종래 방식의 일예로 볼 수 있다.
도 3 은 종래의 파장 의존성을 갖는 광학 필터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도로사, 종래의 광섬유 브래그 격자로부터 반사되는 광신호의 파장 변화를 파장 의존성을 갖는 광학 필터를 사용하여 측정하는 방식의 일예시도이다.
종래의 파장 의존성을 갖는 광학 필터를 이용한 방식에서는, 광원(31)으로부터 발생되는 광대역의 스펙트럼 폭을 갖는 광신호가 광커플러(32)를 통하여 광섬유 브래그 격자(FBG)(33)에 입사되고, 광섬유 브래그 격자(33)에서 반사되어 상기 광커플러(32)에서 분기된 광신호가 또다른 광커플러(34)에 의해 두개의 출력으로 분배되고, 각각의 분배된 출력을 입력받은 두개의 광학 필터(35, 36)와 광검출기(37, 38)에 의해 광섬유 브래그 격자 반사광의 파장 변화가 전기 세기의 변화로 검출된다. 검출된 전기 신호를 신호처리기(39)에 의해 처리하여 그 파장 변화량을 측정하고, 이를 섭동(perturbation) 양으로 환산한다.
그러나, 상기 종래 기술 역시 광학 필터를 사용한다는 점에서 구성 방식이 비교적 복잡하고 비경제적이다.
"M. A. Davis"가 1994년에 "Electronic Letters, Vol.30, No1 pp75-77"에 발표한 "파장분할 커플러를 이용한 전 광섬유 브래그 격자 스트레인 센서 복조 방식(All-fibre Bragg grating strain sensor demodulation technique using a wavelength division coupler)"과 "S. M. Serge" 등이 미국에서 특허등록을 받은 US5,319,435호(Method and apparatus for measuring the wavelength of spectrally narrow optical signal)의 복조방식을 이러한 종래 방식의 예로 볼 수 있다.
한편, 광학 간섭기를 사용하는 방법은 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 광신호를 마하젠더 등의 비대칭 광간섭기에 입사시켜, 파장의 미세한 변화를 간섭기의 위상 차이로 바꾸어서 측정하는 방식이다. 이러한 방법은 반사광의 미세한 파장 변화를 측정할 수 있으므로, 높은 분해능 특성을 보이는 장점이 있으나, 그 구성이 복잡하고 광간섭기의 외부 영향에 따른 측정 데이터의 실시간 보정 기능이 필요하다. 또한, 간섭기를 사용하므로써 기본적으로 2π 이상의 위상 변화를 초래하는 인가량을 구분할 수 없기 때문에, 동작 범위가 제한되는 단점이 있다. 이러한 종래 방식의 예로는, "A. D. Kersey" 등이 미국에서 특허등록을 받은 US5,361,130호(Fiber grating-based sensing system with interferometric wavelength-shift detection)를 들 수 있다.
상기와 같은 종래들의 기술적 특성을 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 공간 광학적인 모노크로미터나 스펙트로미터를 사용하는 방법은 공간적 구성에 따른 장치의 크기 및 외부 환경 변화에 따른 신뢰성 저하 등의 단점이 있다.
그리고, 가변 광학 필터의 스캐닝 방법은 일정한 속도로 예상되는 파장 영역을 지속적으로 스캐닝하여야 하므로, 검출 속도가 제한된다는 단점이 있고, 또한 가변 광학 필터의 가변 특성이 선형적이어야 정확한 양을 측정할 수 있다. 또한, 가변 광학 필터를 사용하므로써 구성이 복잡하고 비경제적이다.
그리고, 비대칭 광간섭기를 사용하는 방법은 광섬유 브래그 격자(FBG) 반사광의 미세한 파장 변화를 측정할 수 있으므로, 높은 분해능 특성을 보이는 장점이 있으나, 그 구성이 복잡하고 광간섭기의 외부 영향에 따른 측정 데이터의 보정 기능이 필요하다. 또한, 간섭기를 사용하므로써 기본적으로 2π 이상의 위상 변화를 초래하는 인가량을 구분할 수 없기 때문에, 동작 범위가 제한되는 단점이 있다.
종래 기술중 가장 간단한 방법은 광학 필터의 파장 응답 특성을 이용한 방식이나, 이 방식 역시 광학 필터를 사용한다는 점에서 구성 방식이 비교적 복잡하고 비경제적이다.
상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 파장선택형 광검출기의 파장 의존성(파장에 따라 그 출력 응답이 선형적으로 변화하는 특성)을 이용하여, 광섬유 브래그 격자(FBG)에 인가되는 온도 및 스트레인 등의 섭동(perturbation)에 기인하는 반사광의 파장 변화를 전기 세기로 변환하여 인가된 섭동(perturbation) 양을 측정하는 광신호 파장 측정 장치와 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래의 모노크로미터 또는 스펙트로미터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도.
도 2 는 종래의 가변 광학 필터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도.
도 3 은 종래의 파장 의존성을 갖는 광학 필터를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 파장선택형 광검출기를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 일실시예 구성도.
도 5 는 본 발명에 따른 신호처리기의 일실시예 구성도.
도 6 은 본 발명에 따른 파장선택형 광검출기를 이용한 광섬유 브래그 격자 센싱 방법에 대한 일실시예 흐름도.
도 7 은 본 발명의 방식을 사용한 온도 센서의 일실시예 구성도.
도 8 은 본 발명을 이용한 온도 센서 실험에서 사용한 파장선택형 광검출기의 파장 응답 특성도.
도 9 는 본 발명을 이용한 온도 센서 실험 결과의 특성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
41 : 광원 42,44 : 광커플러
43 : 광섬유 브래그 격자 45 : 광검출기
46 : 파장선택형 광검출기 47 : 신호처리기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 브래그 격자 센서 장치는, 광섬유 브래그 격자 센서 장치에 있어서, 광대역 스펙트럼 폭을 갖는 광신호를 발생하기 위한 광신호 발생 수단; 상기 광신호를 입사받아 설정 파라미터에 따라 광신호를 반사하는 광섬유 브래그 격자; 상기 광신호 발생 수단의 광신호를 상기 광섬유 브래그 격자로 전달하고, 상기 광섬유 브래그 격자의 반사광을 분기하기 위한 광분기 수단; 상기 광분기 수단에서 분기된 광신호를 분배하기 위한 광분배 수단; 상기 광분배 수단의 일출력을 파장에 관계없이 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 광검출 수단; 상기 광분배 수단의 타출력을 파장에 따라 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 파장선택형 광검출 수단; 및 상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 처리하여 상기 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하기 위한 신호 처리 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광섬유 브래그 격자 센싱 방법은, 광섬유 브래그 격자 센서 장치에 적용되는 광섬유 브래그 격자 센싱 방법에 있어서, 입사 광신호가 광섬유 브래그 격자의 설정 파라미터에 따라 반사된 광신호를 분기하는 제 1 단계; 상기 분기된 광신호를 분배하는 제 2 단계; 상기 분배된 일측의 광신호를, 파장에 관계없이 일정한 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하고, 상기 분배된 타측의 광신호를, 파장에 따라 변화하는 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 제 3 단계; 상기 전기적 신호로 변환된 신호들을 증폭한 후에, 다시 차동 증폭하는 제 4 단계; 상기 차동 증폭된 신호를, 상기 일정한 응답 특성에 따라 변환된 전기적인 신호로 나누어 정규화(normalization)하는 제 5 단계; 및 상기 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에 미리 보정되어 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하는 제 6 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 광신호 파장 측정 장치는, 광신호 파장 측정 장치에 있어서, 측정하고자 하는 광신호를 입사받아 분배하기 위한 광분배 수단; 상기 광분배 수단의 일출력을 파장에 관계없이 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 광검출 수단; 상기 광분배 수단의 타출력을 파장에 따라 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 파장선택형 광검출 수단; 및 상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 처리하여 상기 입사 광신호의 파장을 측정하기 위한 신호 처리 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광신호 파장 측정 방법은, 광신호 파장 측정 장치에 적용되는 광신호 파장 측정 방법에 있어서, 측정하고자 하는 입사 광신호를 분배하는 제 1 단계; 상기 분배된 일측의 광신호를, 파장에 관계없이 일정한 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하고, 상기 분배된 타측의 광신호를, 파장에 따라 변화하는 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 제 2 단계; 상기 전기적 신호로 변환된 신호들을 증폭한 후에, 다시 차동 증폭하는 제 3 단계; 상기 차동 증폭된 신호를, 상기 일정한 응답 특성에 따라 변환된 전기적인 신호로 나누어 정규화(normalization)하는 제 4 단계; 및 상기 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에 미리 보정되어 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 입사 광신호의 파장을 측정하는 제 5 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도 4 이하를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명에 따른 파장선택형 광검출기를 이용한 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 일실시예 구성도로서, 파장선택형 광검출기와 보통의 광검출기로 구성하여 광섬유 브래그 격자(FBG)로부터 반사되는 광신호의 파장 변화를 측정하는 방식의 광섬유 브래그 격자 센서 장치를 나타낸다.
본 발명에서는 광섬유 브래그 격자(FBG)(43)에 인가되는 온도 및 스트레인 등에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG)의 굴절율(refractive index) 및 격자간의 거리가 변화되므로써, 반사광의 통과 대역이 변화된다. 이를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG)에 인가된 섭동(perturbation) 양을 복조기에 의해 측정하는 기능을 수행한다.
본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 장치의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다.
LED(Light Emitting Diode), SLD(Super Luminescence Laser Diode) 또는 EDFA(Erbium-doped Fiber Amplifier)의 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 잡음 등과 같은, 광대역 스펙트럼 폭을 갖는 광원(41)으로부터 나오는 광신호는 광커플러(42)를 통하여 광섬유 브래그 격자(FBG)(43)로 입사되며, 광섬유 브래그 격자(43)의 조건에 맞는 협대역의 반사광이 광커플러(42)에서 분기되어 또다른 광커플러(44)로 전달된다.
광커플러(44)는 보통의 광검출기(45)와 파장선택형 광검출기(46)로 반사광을 분배하며, 보통의 광검출기(45)와 파장선택형 광검출기(46)에서는 분배된 광신호를 전기적인 신호로 각각 변환한다. 이때, 파장선택형 광검출기(46)는 파장에 따라 응답 특성이 선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있고, 보통의 광검출기(45)는 파장에 따라 일정한 응답 특성을 보이고 있다.
전기적 신호로 변환된 신호는 신호처리기(47)에서 증폭, 차동증폭 및 나누기(divider) 과정을 거치고, 이미 보정되어 저장되어 있는 파장 변화량 및 센싱 파라미터를 대응시키는 룩업 테이블(lookup table)을 참고하여 광섬유 브래그 격자(43)에 인가된 파라미터 양을 측정하게 된다.
이처럼, 본 방법은 2개의 광검출 소자, 2개의 광커플러, 광섬유 브래그 격자(FBG) 및 광원만으로 구성할 수 있기 때문에 기존 방식보다 간단하고, 신뢰성있는 구성이 가능하고, 또한 경제적인 센서 시스템을 제작할 수 있다.
한편, 상기 광커플러(42) 대신에 광서큘레이터를 사용하여 구성할 수도 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 신호처리기의 일실시예 구성도이다.
각각의 광검출기(45, 46)로부터 전기신호로 변환된 신호를 입력받아 신호증폭기(51)에서 적절한 크기로 증폭한 후에, 차동증폭기(52)에서 2개의 출력을 차동 증폭한다. 차동증폭기(52)는 신호의 포화 방지와 전기적 특성에 의해 동작범위가 제한되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
광원의 출력 세기 변화는 파장선택형 광검출기(46)의 출력 세기를 직접 변화시켜 측정치의 오류를 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해 제산기(53)에서 차동증폭기(52)의 출력을 보통의 광검출기(45)의 출력으로 나누어 정규화(normalization)한다. 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에 미리 보정된 값을 기록한 룩업 테이블(lookup table)(57)의 값과 비교하여 인가된 파라미터 양을 계산한다.
도 6 은 본 발명에 따른 파장선택형 광검출기를 이용한 광섬유 브래그 격자 센싱 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 광대역 스펙트럼 폭을 갖는 광원으로부터 나오는 광신호가 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사되어, 광섬유 브래그 격자(43)의 조건에 따라 반사된 협대역의 반사광을 분기한 후에(61), 분기된 광신호를 보통의 광검출기와 파장선택형 광검출기로 분배한다(62). 이후, 분배된 광신호를 보통의 광검출기와 파장선택형 광검출기를 이용하여 전기적인 신호로 각각 변환한다(63).
이후, 전기신호로 변환된 2개의 신호를 적절한 크기로 증폭한 후에(64), 증폭된 2개의 출력을 차동 증폭한다(65). 이후, 차동 증폭된 신호를 보통의 광검출기에서 검출된 신호로 나누어 정규화(normalization)한다(66).
이후, 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에(67) 미리 보정된 값을 기록한 룩업 테이블(lookup table)의 값과 비교하여 인가된 파라미터 양을 측정한다(68).
도 7 은 본 발명의 방식을 사용한 온도 센서의 일실시예 구성도이다.
도 7 은 상기 도 4 의 구성과 유사하며, 광섬유 브래그 격자(73)에 온도를 인가하기 위해 TEC(Thermo Electric Cooler)(74)를 광섬유 브래그 격자(73)에 부착하였다. 그리고, 광커플러 대신에 광서큘레이터(72)를 사용하여 손실을 줄이고, 광커플러(76)로는 95:5 비율의 광커플러를 사용하였다. 본 구성에서 사용한 파장선택형 광검출기(77)의 특성을 도 8 에 나타내었다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 1535 nm에서 1550 nm 까지 선형적인 응답 특성을 보이고 있다. 광원으로는 EDFA(71)를 사용하였고, 광섬유 브래그 격자(73)는 실온에서 1545.7 nm의 브래그 파장을 가지고, 반사율은 99%이다. TEC(74)의 온도는 0.01。C의 정확도를 갖는 온도조절기(75)로 제어하였다. 도 9 는 5。C ~ 55。C 사이의 온도 변화에 따른 센서의 출력을 표시한 것으로, 광섬유 브래그 격자(FBG)의 브래그 파장의 변화는 파장측정기(wavemeter)로 측정하여 센서 출력과 비교하였다. 이러한 본 발명은 온도 뿐만아니라 스트레인 측정에도 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명은, 파장선택형 광검출기의 파장 의존성, 즉 파장에 따라 그 출력 응답이 선형적으로 변화하는 특성을 이용하여, 광섬유 브래그 격자(FBG)에 인가되는 온도 및 스트레인 등의 섭동(perturbation)에 기인하는 반사광의 파장 변화를 전기 세기로 변환하여 인가된 섭동(perturbation) 양을 측정하므로써, 기존의 광섬유 브래그 격자(FBG) 복조 방식에서 필요한 가변 광필터, 광간섭기 및 모노크로미터 등의 사용이 불필요하고, 단지 광검출기만을 사용하여 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 간단하게 구성할 수 있으며, 이에 따라 경제적인 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 제작이 가능하고, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 광섬유 브래그 격자 센서 장치에 있어서,
    광대역 스펙트럼 폭을 갖는 광신호를 발생하기 위한 광신호 발생 수단;
    상기 광신호를 입사받아 설정 파라미터에 따라 광신호를 반사하는 광섬유 브래그 격자;
    상기 광신호 발생 수단의 광신호를 상기 광섬유 브래그 격자로 전달하고, 상기 광섬유 브래그 격자의 반사광을 분기하기 위한 광분기 수단;
    상기 광분기 수단에서 분기된 광신호를 분배하기 위한 광분배 수단;
    상기 광분배 수단의 일출력을 파장에 관계없이 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 광검출 수단;
    상기 광분배 수단의 타출력을 파장에 따라 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 파장선택형 광검출 수단; 및
    상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 처리하여 상기 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하기 위한 신호 처리 수단
    을 포함하는 광섬유 브래그 격자 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장선택형 광검출 수단은,
    파장에 따라 응답 특성이 선형적으로 변화하는 파장선택형 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호 처리 수단은,
    상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 증폭하기 위한 증폭 수단;
    상기 증폭 수단에서 증폭된 신호를 차동 증폭하기 위한 차동 증폭 수단;
    상기 차동 증폭 수단의 출력을 상기 광검출 수단의 출력으로 나누어 정규화(normalization)하기 위한 제산 수단;
    상기 제산 수단에서 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환하기 위한 아날로그/디지탈 변환 수단;
    미리 보정된 값을 파라미터 값을 저장하고 있는 저장 수단; 및
    상기 아날로그/디지탈 변환 수단의 출력값과 상기 저장 수단에 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하기 위한 중앙 처리 수단
    을 포함하는 광섬유 브래그 격자 센서 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광분기 수단은,
    광커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광분기 수단은,
    광서큘레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서 장치.
  6. 광섬유 브래그 격자 센서 장치에 적용되는 광섬유 브래그 격자 센싱 방법에 있어서,
    입사 광신호가 광섬유 브래그 격자의 설정 파라미터에 따라 반사된 광신호를 분기하는 제 1 단계;
    상기 분기된 광신호를 분배하는 제 2 단계;
    상기 분배된 일측의 광신호를, 파장에 관계없이 일정한 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하고, 상기 분배된 타측의 광신호를, 파장에 따라 변화하는 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 제 3 단계;
    상기 전기적 신호로 변환된 신호들을 증폭한 후에, 다시 차동 증폭하는 제 4 단계;
    상기 차동 증폭된 신호를, 상기 일정한 응답 특성에 따라 변환된 전기적인 신호로 나누어 정규화(normalization)하는 제 5 단계; 및
    상기 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에 미리 보정되어 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 광섬유 브래그 격자에 인가된 파라미터 양을 측정하는 제 6 단계
    를 포함하는 광섬유 브래그 격자 센싱 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 단계의 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 과정은,
    파장선택형 광검출기를 이용하여 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 검출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센싱 방법.
  8. 광신호 파장 측정 장치에 있어서,
    측정하고자 하는 광신호를 입사받아 분배하기 위한 광분배 수단;
    상기 광분배 수단의 일출력을 파장에 관계없이 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 광검출 수단;
    상기 광분배 수단의 타출력을 파장에 따라 전기적 신호로 변환하여 검출하기 위한 파장선택형 광검출 수단; 및
    상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 처리하여 상기 입사 광신호의 파장을 측정하기 위한 신호 처리 수단
    을 포함하는 광신호 파장 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 파장선택형 광검출 수단은,
    파장에 따라 응답 특성이 선형적으로 변화하는 파장선택형 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광신호 파장 측정 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리 수단은,
    상기 광검출 수단 및 상기 파장선택형 광검출 수단으로부터의 전기적 신호를 증폭하기 위한 증폭 수단;
    상기 증폭 수단에서 증폭된 신호를 차동 증폭하기 위한 차동 증폭 수단;
    상기 차동 증폭 수단의 출력을 상기 광검출 수단의 출력으로 나누어 정규화(normalization)하기 위한 제산 수단;
    상기 제산 수단에서 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환하기 위한 아날로그/디지탈 변환 수단;
    미리 보정된 값을 파라미터 값을 저장하고 있는 저장 수단; 및
    상기 아날로그/디지탈 변환 수단의 출력값과 상기 저장 수단에 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 입사 광신호의 파장을 측정하기 위한 중앙 처리 수단
    을 포함하는 광신호 파장 측정 장치.
  11. 광신호 파장 측정 장치에 적용되는 광신호 파장 측정 방법에 있어서,
    측정하고자 하는 입사 광신호를 분배하는 제 1 단계;
    상기 분배된 일측의 광신호를, 파장에 관계없이 일정한 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하고, 상기 분배된 타측의 광신호를, 파장에 따라 변화하는 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 제 2 단계;
    상기 전기적 신호로 변환된 신호들을 증폭한 후에, 다시 차동 증폭하는 제 3 단계;
    상기 차동 증폭된 신호를, 상기 일정한 응답 특성에 따라 변환된 전기적인 신호로 나누어 정규화(normalization)하는 제 4 단계; 및
    상기 정규화(Normalization)된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환한 후에 미리 보정되어 저장되어 있는 값과 비교하여 상기 입사 광신호의 파장을 측정하는 제 5 단계
    를 포함하는 광신호 파장 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 선형적인 응답 특성에 따라 전기적인 신호로 변환하는 과정은,
    파장선택형 광검출기를 이용하여 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 검출하는 것을 특징으로 하는 광신호 파장 측정 방법.
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