KR100335366B1

KR100335366B1 - 광섬유 온도센서의 신호처리장치

Info

Publication number: KR100335366B1
Application number: KR1019990031736A
Authority: KR
Inventors: 오영환
Original assignee: 오영환
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2002-05-06
Also published as: KR20010016707A

Abstract

본 발명에 따른 광섬유 온도센서의 신호처리장치는 발광다이오드로부터 광섬유 내로 유도된 빛이 회절격자에서 온도의 변화에 의한 격자폭의 변화에 따라 반사되는 빛의 중심파장이 변하도록 하고, 회절격자에 의해 반사되는 파장의 빛을 커플러에서 신호광과 기준광으로 분리시켜 신호광은 장주기 광섬유격자를 거쳐 광검지기에서 전기신호로 변환시키고, 기준광은 그대로 광검지기에 입사시켜 전기신호로 변환되도록 하며, 상기 광검지기에 의해 변환된 아날로그 전기신호를 증폭기에서 증폭한 후 컴퓨터의 사운드카드로 전달하고, 상기 사운드카드에서는 입력된 아날로그 전기신호를 디지털신호로 변환하며, 컴퓨터에 내장된 구동프로그램에서는 상기의 디지털 신호의 노이즈를 제거한 후 두 신호를 연산처리하여 온도의 변화량을 구하여 컴퓨터의 모니터상에 나타내도록 구성함으로서 기존의 광학 필터를 사용하는 방법에 비하여 모든 광학계를 광섬유로 구성하여 광손실을 최소화하고, 환경변화에 따른 측정의 안정성을 높이며 시스템을 간단히 함으로서 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

광섬유 온도센서의 신호처리장치{Signal processing appatatus of optical fiber temperature sensor}

본 발명은 광섬유 온도센서의 신호처리장치에 관한 것으로 광섬유내에 유도된 빛이 회절격자의 반사 파장에 해당하는 빛으로 되돌아 오면 이를 둘로 분리하여하나는 그대로 광검지기에 입사시켜 기준신호 광에 해당되는 전기신호로 변환시키고 다른 하나는 장주기 광섬유격자를 통과시켜 광검지기에서 전기신호로 변환시키도록 함으로서 기존의 광학 필터를 사용하는 방법에 비하여 광손실을 최소화하고, 환경변화에 따른 측정의 안정성을 높이도록 하며 시스템을 간단히 함으로써 신뢰성을 높일 수 있도록 한 광섬유 온도센서의 신호처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유는 코어의 외주면에 크래드를 형성하여 광신호의 전송손실이 최소가 되도록 하면서 멀리 떨어진 곳까지 안정되게 전송할 수 있도록 한 것이다.

이러한 광섬유는 빠른 신호전달과 노이즈의 감소 및 안정성 때문에 통신분야에 있어서 그 이용가치가 매우 높을 뿐만 아니라 실제로도 이용량도 많고 이용범위 또한 확대되는 추세이며 근래에는 광섬유 브라그 격자를 센서소자로 이용하여 온도를 측정하는 것이 사용되고 있는데 이러한 센서는 장거리이면서 전자장의 세기가 강한 전기적 신호전달이 열악한 환경에서도 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 광섬유를 이용한 온도측정 시스템을 도시한 것으로,

먼저 도 1에서 보는 바와 같이 펄스발생기(1)에서 발광다이오드(2)를 통해 온도성분을 포함하는 0.86㎛의 펄스를 발생하도록 되어 있으며, 한편 상기 펄스 발생기(1)에서 발생된 온도성분을 포함하는 0.86㎛ 펄스를 지연기(11)에서 지연시켜서 받은 발광다이오드(3)를 통해 센서(6)와는 무관한 기준광의 역할을 하게 하는 1.3㎛의 파장을 발생시키고, 혼합기(4)에서는 상기의 두파장을 혼합하여 광섬유(5)를 통해 센서(6)를 거쳐 광검지기(7)로 전달되도록 되어 있다.

상기 광검지기(7)로 전달된 두 개의 파장은 기준광 및 온도성분을 포함한 신호광으로 분리되어 증폭기(8)(9)에 의해 각각 얼마간 증폭된 후에 프로세서(10)에 의해 두 파장의 비를 구함으로서 센서(6)가 감지한 온도를 알 수 있도록 하였다.

도 2는 또다른 종래의 온도센서의 신호처리장치를 도시한 것으로서, 발광다이오드(20)에서 발생되는 빛의 파장은 광섬유(21)의 끝단에 고정된 회절격자센서(22)에 흡수되고, 이 회절격자센서(22)에서 다시 다른 파장의 빛이 발광되어 커플러(23)에 의해 알맞게 선택된 기준파장을 중심으로 짧은 파장과 긴 파장의 빛으로 분리된다. 반도체의 발광이 온도에 따라 중심파장이 이동하는 특성에 따라 두 파장의 변화세기는 다르게 나타나게 된다.

광학필터(24)(26)에 의해 원하는 파장성분만을 통과시켜 그 성분을 광검지기(25)(27)에 전달하여 전기신호로 변환한다. 상기와 같이 전기신호로 변환된 두 신호광을 각각 증폭기(28)(29)서 증폭시킨 후 연산기(30)에서 두 신호의 비를 구함으로서 회절격자센서(22)가 감지한 온도를 알 수 있도록 하였다.

그러나 상기와 같은 광섬유 온도센서의 신호처리장치는 시스템이 복잡하며 기존의 광학소자를 사용하여 광섬유와의 결합시 손실이 발생되어 신호의 크기가 줄어들고 노이즈가 증가하는 문제점이 있었다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 광학필터로 장주기 격자를 사용함으로서 기존의 광학 필터를 사용하는 방법에 비하여 광손실을최소화하고, 환경변화에 따른 측정의 안정성을 높이며 시스템을 간단히 함으로서 제작비를 줄일 수 있도록 한 광섬유 온도센서의 신호처리장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유에 빛을 입사시키는 발광다이오드와, 광섬유의 끝단에 위치하며 온도의 변화에 의한 격자폭의 변화에 따라 상기 발광다이오드로부터 입사되는 빛의 파장을 변화하여 반사시키는 회절격자와, 상기 회절격자에 의해 반사되는 빛의 파장을 둘로 분리시키는 커플러와, 상기 회절격자에 의해 반사된 빛을 파장특성에 따라 통과하는 광량을 다르게 변환시키는 장주기 광섬유격자와, 상기 장주기 광섬유격자를 통과한 빛을 전기신호로 변환시키는 광검지기와, 상기 광검지기에 의해 변환된 전기신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭된 아날로그 전기신호를 입력받아 디지털화 하는 사운드카드 및 상기 사운드카드로부터의 디지털신호를 입력받아 그에 해당하는 온도값으로 변환하여 모니터에 표시하도록 하는 컴퓨터에 내장된 구동프로그램으로 구성함으로써 광손실을 최소화하고, 환경변화에 따른 측정의 안정성을 높일 수 있도록 한 것이다.

도 1은 종래의 광섬유 온도센서 신호처리장치의 구성을 나타낸 블럭도.

도 2는 종래의 광섬유 온도센서 신호처리장치의 구성을 나타낸 블럭도.

도 3은 본 발명의 전체적인 구성을 나타낸 개략도.

도 4는 본 발명의 구성을 나타낸 블록도.

도 5는 본 발명의 구동프로그램의 동작과정을 나타낸 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

40 : 발광다이오드 41 : 광섬유

42 : 회절격자 43 : 커플러

44 : 장주기 광섬유격자 45:제1 광검지기

46:제1 증폭기 47 : 제2 광검지기48 : 제2 증폭기 51 : 사운드카드

이하, 본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 4는 본 발명의 전체적인 구성를 나타낸 것으로서, 광섬유(41)에 빛을 입사시키는 발광다이오드(40)와, 광섬유(41)의 끝단에 위치하며 온도의 변화에 의한 격자폭의 변화에 따라 상기 발광다이오드(40)로부터 입사되는 빛의 파장을 변화하여 반사시키는 회절격자(42)와, 상기 회절격자(42)에 의해 반사되는 빛의 파장을 둘로 분리시키는 커플러(43)와, 상기 커플러(43)에 의해 분리된 두 개의 파장중에서 파장특성에 따라 통과하는 광량을 다르게 변환시키는 장주기 광섬유격자(44)와, 상기 장주기 광섬유격자(44)를 통과한 빛을 전기신호로 변환시키는 제1 광검지기(45)와, 상기 제1 광검지기(45)에 의해 변환된 전기신호 파형을 증폭ㆍ보상하는 제1 증폭부(46)와, 상기 커플러(43)에 의해 분리된 두 개의 파장중에 다른 하나의 파장을 전기신호로 변환시키는 제2 광검지기(47)와, 상기 제2 광검지기(47)에 의해 변환된 전기신호 파형을 증폭ㆍ보상하는 제2 증폭부(48)와, 상기 제1 및 제2 증폭부(46)(48)에서 증폭된 아날로그 전기신호 파형을 입력받아 디지털 신호를 변환하는 사운드카드(51)와, 상기 사운드카드(51)로부터 디지털신호를 입력받아 그에 해당하는 온도값으로 변환하여 모니터(53)에 표시하도록 하는 컴퓨터(50)에 내장된 구동프로그램(52)들로 구성한 것이다.

이와 같이 구성한 본 발명의 광섬유 온도센서의 신호처리장치는 기본적인 개념은 종래의 방법과 개념적으로는 유사하나 본 발명은 장주기 광섬유격자(44)의 특성을 이용하여 신호광을 처리하는 특징이 있는 것으로, 센서시스템에 회절격자(42)의 반사 스펙트럼보다 충분히 넓은 파장 특성을 갖는 광원을 가진 발광다이오드(40)를 사용하여 광섬유(41)에 빛을 입사시킨다.

이와 같이 광섬유(41)에 입사된 빛은 그 끝단에 위치한 회절격자(42)에 도달하여 이 회절격자(42)의 특성파장에 해당하는 빛만 반사되어 광섬유(41)내를 되돌아오며 이때 반사되는 빛의 파장은 회절격자(42)의 온도에 따라 중심파장이 변하게 된다.

이 반사되는 빛은 커플러(43)에 의해 파장이 둘로 나누어져 하나는 신호광이 되고 다른 하나는 기준광으로 되는데 신호광은 장주기 광섬유격자(44)를 통과하여 광검지기(45)에 의해 전기신호로 변환되고, 기준광은 그대로 광검지기(47)에 입사되어 전기신호로 변환된다. 이때 신호광은 온도에 따라 파장이 다른 빛이 장주기 광섬유격자(44)를 통과하면서 장주기 광섬유격자(44)에 의한 파장에 따른 투과 특성의 차이로 파장에 따라 광세기가 다르게 나타나게 된다.

상기 기준광 및 신호광의 아날로그 전기신호는 증폭기(46)(48)에 의해 얼마간 증폭된 후 컴퓨터(50)의 사운드카드(51)에 입력되고, 두 신호를 동시에 받는 사운드카드(51)에서는 이 두신호를 디지털신호로 변환하고, 컴퓨터(50)에 내장된 구동프로그램(52)에 의해 상기 디지털 신호를 입력받아 신호광을 기준광으로 나눔으로서 노이즈를 제거한 후에 그에 해당하는 온도값으로 변환하여 컴퓨터(50)의 모니터(53)상에 나타내 준다. 상기 컴퓨터(50)에 내장된 구동프로그램(52)의 동작과정은 도 5에 도시되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이 프로그램을 셋업한 후(단계60), 윈도우가 모니터(53)에 나타나면 프로그램을 시작하기 위해서 마우스로 스타트 버튼을 클릭하여(단계61), 사운드카드(51)에서 나온 디지털 신호의 노이즈를 제거하고, 제1 광검지기(45) 및 제2 광검지기(47)의 원신호를 협대역 주파수 대역으로 조절ㆍ증폭하도록 구동프로그램(52)의 주파수를 맞추며(단계62), 다시 기준이 되는 채널을 선택하기 위해서 사운드카드(51)내의 협대역 증폭기(도시하지 않음)의 주파수를 맞추어 준다(단계63).

상기와 같이 협대역 증폭기의 주파수 대역 및 주파수를 맞춘 후에 사용자가 원하는 온도범위를 설정하면(단계64), 상기 사운드카드(51)에서 디지털화된 기준광과 신호광의 입력이 있는가를 판단하여(단계65), 디지털화된 기준광과 신호광의 입력이 있으면(YES일 경우), 신호광을 기준광으로 나누어 줌으로써 노이즈가 제거된 깨끗한 신호를 얻는다(단계66).상기 단계65에서 기준광과 신호광의 입력이 없으면(No일 경우), 단계65의 동작을 반복해서 행한다.

상기 노이즈가 제거된 신호광 및 기준광의 비에 의한 수학적 처리(단계67)에 의해 계산된 온도의 수치는 디지털로 모니터(53)의 일측에 표시됨과 함께 온도와 시간의 축을 가지는 아날로그의 형태로 모니터(53)의 다른 일측에 표시된다(단계68).

또한 측정온도를 사용자가 설정한 설정온도와 비교하여(단계69) 측정온도가 설정온도 보다 낮으면(YES일 경우) 온도의 측정치를 메모리에 데이터화일로 기록하고(단계70), 단계69에서 측정온도가 설정온도 보다 높으면(No일 경우), 알람을 작동시켜 과열이 되었음을 외부에 알려주는 것이다(단계71).

따라서, 본 발명의 광섬유 온도센서의 신호처리장치에 의하여서는 광학필터로 장주기 격자를 사용함으로서 기존의 광학 필터를 사용하는 방법에 비하여 광손실을 최소화하고, 환경변화에 따른 측정의 안정성을 높이며 시스템을 간단히 함으로써 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

광섬유(41)에 빛을 입사시키는 발광다이오드(40)와, 광섬유(41)의 끝단에 위치하며 온도의 변화에 의한 격자폭의 변화에 따라 상기 발광다이오드(40)로부터 입사되는 빛의 파장을 변화하여 반사시키는 회절격자(42)와, 상기 회절격자(42)에 의해 반사되는 빛의 파장을 둘로 분리시키는 커플러(43)로 구성된 광섬유 온도센서의 신호처리장치에 있어서,

상기 커플러(43)에 의해 분리된 두 개의 파장중에 신호광에 대해서 파장특성에 따라 통과하는 광량을 다르게 변환시키는 장주기 광섬유격자(44)와,

상기 장주기 광섬유격자(44)를 통과한 빛을 전기신호로 변환시키는 제1 광검지기(45)와,

상기 제1 광검지기(45)에 의해 변환된 전기신호 파형을 증폭ㆍ보상하는 제1 증폭부(46)와,

상기 커플러(43)에 의해 분리된 두 개의 파장중에 기준광을 전기신호로 변환시키는 제2 광검지기(47)와,

상기 제2 광검지기(47)에 의해 변환된 전기신호 파형을 증폭ㆍ보상하는 제2 증폭부(48)와,

상기 제1 및 제2 증폭부(46)(48)에서 증폭ㆍ보상된 아날로그 전기신호 파형을 입력받아 디지털화 하는 사운드카드(51)와, 상기 사운드카드(51)로 부터 디지털 신호를 입력받아 그에 해당하는 온도 값으로 변환하여 모니터에 표시하도록 하는 컴퓨터(50)에 내장된 구동프로그램(52)을 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 온도센서의 신호처리장치.
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