KR100367297B1 - Fiber Fabry-Perot interferometric temperature measuring device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간섭계형 온도센서의 정밀도를 그대로 유지하면서 측정범위를 제한된 범위로부터 벗어날 수 있도록 한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것으로, 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단; 상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및 상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하여, 측정대상물의 온도변화에 상응하는 광위상의 변화를 검출할 때 주 센서의 위상변화분이 소속하는 주기의 위치에 대한 정보를 상대적으로 주기가 수 십배 내지 수백배 느린 보조 센서로부터 받아들여 주 센서의 정밀도를 안정적으로 유지함으로서 주 센서용 고정도 광섬유 간섭계형 온도센서의 적용 영역을 확장시키게 된다.The present invention relates to an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring device which allows the measurement range to deviate from the limited range while maintaining the accuracy of the interferometer type temperature sensor. Sensing means having a primary sensor and an auxiliary sensor for generating; Optical means for inputting the modulated light to the main sensor and the auxiliary sensor, and converting the reflected light from the main sensor and the auxiliary sensor into an electrical signal, respectively; And signal processing means for converting each electric signal from the optical means into a phase and calculating the temperature of the measurement object based on the phase value, so as to detect a change in the optical phase corresponding to the temperature change of the measurement object. High accuracy fiber optic interferometer temperature for main sensor is obtained by receiving information about the position of the cycle to which the phase change of the main sensor belongs from the auxiliary sensor, which is relatively tens or hundreds of times slower, to maintain the accuracy of the main sensor stably. It extends the application area of the sensor.

Description

광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치{Fiber Fabry-Perot interferometric temperature measuring device}Fiber Fabry-Perot interferometric temperature measuring device

본 발명은 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패브리페로 간섭계와 같은 고정도(high resolution) 광섬유 간섭계를 이용한 온도센서의 고정밀도를 저정도 광섬유 간섭계를 이용하여 넓은 온도 영역까지 그대로 유지할 수 있도록 한 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber Faberifero interferometer type temperature measuring apparatus, and more particularly to a high temperature fiber sensor using a high resolution optical fiber interferometer, such as a Fabrifero interferometer to a wide temperature range using a low-fiber optical interferometer It is related with an interferometer type temperature measuring device which is one of the fabrics which can be kept as it is.

온도를 간편하고 정확하게 측정해 보고자 하는 노력은 오랜 역사를 가지고 있다.Efforts to measure temperature simply and accurately have a long history.

광섬유 센서를 이용하여 온도를 측정하고자 하는 시도 역시 수없이 많이 보고되고 있었으나, 제안된 광섬유 온도센서중에서 현재 상용화되어 시장을 형성하고 있는 방식은 그리 많지 않다.Many attempts to measure temperature using fiber optic sensors have been reported, but there are not many methods currently commercialized in the proposed fiber optic temperature sensor to form a market.

형광물질의 온도에 따른 감소시간의 차이를 이용한 Luxtron의 제품과 가간섭성이 낮은 광원을 이용하여 저가의 다채널 센서를 구현한 OptoMet의 제품 등이 어느 정도의 시장을 가지고 있을 뿐, 그 이외에는 대부분 주문제작식이거나 Turn-Key 방식 또는 OEM 방식을 취한다.Luxtron's products using the difference in the reduction time according to the temperature of the fluorescent materials and OptoMet's products that implement low-cost multi-channel sensors using low coherence light sources have a certain market. Custom or turn-key or OEM.

국내의 경우 전기연구소, 표준연구소, 국방과학연구소, LG전선, KAIST 등에서 광섬유 분포형 온도센서를 다년간 연구해 오고 있다. 또한, 광주과기원, 서울대, KAIST, KIST 등에서 브래그 격자(Bragg grating)를 이용한 광섬유 온도센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 고정도 간섭계형 광섬유 온도센서와 관련된 연구는 KAIST의 김병윤 교수팀에서 소규모로 외장형 광섬유 패브리페로에 대한 연구활동 외에는 찾아보기 힘들다(제 1 참고문헌(한영근 외, "장주기 격자의 온도의존도 조절에 의한 온도 및 변형도 센서의 성능 개선", 제 6회 광전자공학 학술대회, p27-, 1999), 제 2 참고문헌(송민호 외, "마하젠더 간섭계를 이용한 광섬유 격자쌍 스트레인 센서의 신호처리", 한국광학회지 Vol.8 No.4,pp333-339, 1997)).In Korea, we have been researching fiber optic distributed temperature sensors for many years at the Electric Research Institute, Standard Research Institute, National Defense Science Research Institute, LG Cable, and KAIST. In addition, Gwangju Institute of Science, Seoul National University, KAIST, KIST, etc., are actively researching fiber temperature sensors using Bragg grating, but research on high-precision interferometric fiber temperature sensors has been conducted by KAIST professor Kim Byung-yoon on a small scale. It is hard to find anything other than research activities on the external fiber Fabry Ferro (1 Reference (Han Young-geun et al., "Improvement of Temperature and Strain Sensors by Controlling Temperature Dependence of Long-period Gratings", 6th Optoelectronics Conference, p27-) , 1999), 2nd Reference (Song, Min-Ho et al., "Signal Processing of Optical Fiber Grating Pair Strain Sensors Using Mach-Zehnder Interferometers", Korean Journal of Optics and Photonics Vol.

미국의 경우 'Smart Structure and Smart Skin'이라는 대형 국책 프로젝트의 일환으로 광섬유 스트레인센서와 더불어 광섬유 온도센서에 대한 연구가 많은 진전을 보이고 있으나, 이는 정밀도를 중시하는 단위제품보다는 다중화나 분포형에 적합한 네트워크형 광섬유센서의 개발이 주된 목적이다. 그래서, 광섬유 패브리페로 센서와 광섬유 브래그 격자 센서 중에서 동일한 성능을 갖는 센서의 대량생산 문제로 인해 광섬유 브래그 격자 센서가 주도권을 쥐고 있다.In the United States, as part of a large-scale national project called 'Smart Structure and Smart Skin', research on optical fiber temperature sensors and optical fiber temperature sensors has made a lot of progress, but this is more suitable for multiplexing or distribution type than for unit products that emphasize precision. The main purpose is the development of optical fiber sensor. Therefore, the fiber Bragg grating sensor is taking the lead due to the mass production problem of the sensor having the same performance among the fiber Fabry Ferro sensor and the fiber Bragg grating sensor.

그러나, 고정도 간섭계형 광섬유 센서는 미국 VPI의 Claus교수를 중심으로 외장형 광섬유 패브리페로 센서, Texas AM 대학의 Taylor교수를 중심으로 내장형 광섬유 패브리페로 센서라는 양대 산맥을 이루면서 보안분야나 감시분야에 관련하여 상용화 연구중이며, 주기성에 대한 대비책을 통해 정밀도는 낮아지더라도 측정영역을 확정시킬 수 있는 방향, 제한된 측정영역에서 정밀도를 향상시키는 방향, 그리고 앞의 두가지를 결합하는 방향 등 다각도로 연구가 진행되고 있다(제 1 참고문헌(V.Arya et al., "Analysis of the effect of imperfect fiber endfaces onthe perfor mance....", Optical Eng. Vol.35 No.8, pp2262-2265, 1996), 제 2 참고문헌(C.E. Lee et al., "Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050", Optics Letters, Vol.13, p1038-1040, 1988)).However, high-precision interferometric optical fiber sensor is composed of external fiber optic fabric sensor centered by Claus professor of VPI in the US and Taylor fiber of Texas AM University. Commercialization is under way, and research is being conducted at various angles, such as the direction in which the measurement area can be determined even if the precision is low, the direction to improve the precision in the limited measurement area, and the combination of the two above. (V. Arya et al., "Analysis of the effect of imperfect fiber endfaces on the perfor mance ....", Optical Eng. Vol. 35 No. 8, pp2262-2265, 1996), second (CE Lee et al., "Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050", Optics Letters, Vol. 13, p1038-1040, 1988).

영국의 경우 Kent대학의 Jackson 교수 및 London College의 Meggitt 교수 연구실을 중심으로 다양한 모델의 간섭계형 광섬유 센서가 선을 보이고 있으나, 모두 주기성 극복을 위해 복잡한 광학부를 추가로 사용하고 있어서 상품화 단계에서 제품의 신뢰성 확보가 상당히 어려운 실정이다(제 1 참고문헌(Y. Rao et al., "Improved synthesized source for white-light interferometry", Electronics Letters, Vol.30, pp1440-1441, 1994), 제 2 참고문헌(D.J. Webb et al., "Extended range interferometry using coherence tuned synthesized...", Electronics Letters, Vol.24, pp1173-1175, 1988)).In the UK, various models of interferometric optical fiber sensors are shown mainly in the laboratory of Jackson Professor Kent and Professor Meggitt of London College, but they all use additional complicated optics to overcome periodicity. It is quite difficult to secure (Y. Rao et al., "Improved synthesized source for white-light interferometry", Electronics Letters, Vol. 30, pp1440-1441, 1994), and second reference (DJ Webb et al., "Extended range interferometry using coherence tuned synthesized ...", Electronics Letters, Vol. 24, pp 1173-1175, 1988).

상술한 바와 같이 현재 사용되는 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치는 대부분 가간섭성이 큰 광원을 이용한 간섭계형이다.As described above, the high-precision optical fiber fabric measuring apparatus currently used is an interferometer type using a light source with high coherence.

도 1은 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 특정 장치의 구성도로서, 가간섭성이 높으면서 직접변조가 가능한 광원인 레이저 다이오드(11); 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(12); 광도파로인 싱글모드 광섬유(14); 광신호의 결합 및 분배용 광섬유 커플러(13); 온도에 따른 위상변화의 속도가 빠른 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15); 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기(17);및 상기 광전변환기(17)에서 변조되어 입력된 아날로그 광신호를 신호처리하여 온도를 환산해 내는 신호처리부(18)를 구비한다.1 is a block diagram of a conventional high-precision optical fiber fabric for a temperature specifying device, which is a laser diode 11 having a high coherence and a direct modulating light source; An optical isolator 12 which prevents the light from traveling backwards; A single mode optical fiber 14 which is an optical waveguide; Optical fiber couplers 13 for coupling and distributing optical signals; A high precision fiber fabric Fabry resonator 15 having a high speed of phase change with temperature; And a photoelectric converter 17 for converting the optical signal into an electrical signal; and a signal processing unit 18 for processing the analog optical signal modulated by the photoelectric converter 17 and converting the temperature into a signal.

상기 광섬유 커플러(13)는 상기 싱글모드 광섬유(14)를 통해 전달되는 광신호를 두 개의 싱글모드 광섬유(16, 19)로 나누고, 그 싱글모드 광섬유(16)에 설치된 상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)로부터의 광신호를 상기 광전변환기(17)로 전송한다. 이때, 상기 싱글모드 광섬유(19)로부터의 신호는, 광섬유(19)의 종단(end face)을 거친 단면으로 만들거나 굴절율 결합용 젤(index matching gel)에 담구어 광이 종단으로부터 반사되는 현상, 즉 프레즈넬 반사(Fresnel reflection)를 막아줌으로써 상기 광섬유 커플러(13)로 되돌아가지 않는다.The optical fiber coupler 13 divides the optical signal transmitted through the single mode optical fiber 14 into two single mode optical fibers 16 and 19, and the high-precision optical fiber Fabry Ferro resonator installed in the single mode optical fiber 16. The optical signal from (15) is transmitted to the photoelectric converter 17. At this time, the signal from the single-mode optical fiber 19 is made of a cross section through the end face of the optical fiber 19 or immersed in an index matching gel (index matching gel), the light is reflected from the end, That is, by preventing Fresnel reflections, the optical fiber coupler 13 does not return.

상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)는 도 2에 도시된 바와 같이, 싱글모드 광섬유(41)와 약 10%정도의 반사율을 갖는 두 개의 반투과경(44a, 44b)을 구비한다. 미설명 부호 42는 클래딩(cladding)이고, 43은 코아(core)이며, 46은 난반사 광섬유 종단이고, 47은 입사광이며, 48은 반사광이다.As shown in FIG. 2, the high-precision optical fiber Fabry Ferro resonator 15 includes a single mode optical fiber 41 and two semi-transmissive mirrors 44a and 44b having a reflectance of about 10%. Reference numeral 42 is a cladding, 43 is a core, 46 is a diffused optical fiber termination, 47 is incident light, and 48 is reflected light.

도 2에서와 같이 구성된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)에 따르면, 상기 광섬유 커플러(13)를 통하여 분기 출력되는 단 파장의 레이저빔이 반투과경(44a)에 입사되면 상기 반투과경(44a)은 약 10%의 레이저빔을 반사시키고 나머지 90%의 레이저빔을 반투과경(44b)방향으로 투과시키는 한편, 상기 반투과경(44b)은 상기 투과된 90%의 레이저빔 중 약 10%의 레이저빔을 다시 상기반투과경(44a)방향으로 재 반사시키고 나머지 90%의 레이저빔을 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 바깥으로 투과시킨다.According to the high-precision optical fiber Fabry Ferro resonator 15 configured as shown in FIG. 2, when the laser beam of short wavelength branched through the optical fiber coupler 13 is incident on the transflective mirror 44a, the transflective mirror 44a ) Reflects about 10% of the laser beam and transmits the remaining 90% of the laser beam in the direction of the transflective mirror 44b, while the transflective mirror 44b is about 10% of the transmitted 90% laser beam. Of the laser beam is reflected back to the transflective mirror 44a, and the remaining 90% of the laser beam is transmitted out of the resonator 15 with a high-fiber optical fiber fabric.

그에 따라, 상기 반투과경(44a)과 상기 반투과경(44b) 사이를 왕복 반사하는 레이저빔이 존재하게 된다. 따라서, 상기 광섬유 커플러(13)로 다시 되돌아오는 레이저빔은 상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 내부를 왕복 반사하면서 생기는 광로차(optical path difference)를 가진 레이저빔의 결합에 의한 간섭현상이 생겨서 간섭계 특유의 위상에 따른 레이저빔의 강약이 발생한다.Accordingly, there is a laser beam that reciprocally reflects between the transflective mirror 44a and the transflective mirror 44b. Therefore, the laser beam returning back to the optical fiber coupler 13 generates interference due to the coupling of the laser beam with the optical path difference generated by reciprocally reflecting the inside of the resonator 15 with the high-fiber optical fiber fabric. Weakness of the laser beam occurs according to the phase peculiar to the interferometer.

상술한 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)의 전달함수를 유도하기 위해, 주어진 광섬유 패브리페로 간섭계를 손실이 없는 이상적인 패브리페로 공진기로 가정하고 반사 및 투과계수의 양방향 값이 같다면, 입사광에 대한 패브리페로 공진기의 다중 반사에 의한 반사광의 전계(electric field)는 다음의 식 (3-1)과 같이 주어진다.In order to derive the transfer function of the resonator 15 with the high precision fiber fabric Fabry described above, assuming that the interferometer is an ideal Fabryfero resonator with no loss in a given fiber optic fabric and the bidirectional values of the reflection and transmission coefficients are equal, The electric field of reflected light due to multiple reflections of a ferro resonator is given by the following equation (3-1).

(3-1) (3-1)

여기에서,E r , E i 는 각각 반사광과 입사광에 대한 전계,r 1 r 2 는 반사계수(Reflection coefficient),t 1 는 투과계수(Transmission coefficient), φ는 입사광이 공진기 내를 왕복할 때 발생하는 광로차(Optical path difference)에해당하는 위상차이다.Where E r and E i are the electric fields for reflected and incident light, r 1 and r 2 are the reflection coefficients, t 1 is the transmission coefficient, and φ is the incident light reciprocating in the resonator. This is the phase difference corresponding to the optical path difference that occurs.

상기 식 (3-1)은 입사광에 대한 반사광의 비를 나타내며, 전계대신 광파워를 적용하고 반사계수대신 반사율(Reflectance)을 적용하여 정리하면, 입사광 쪽으로 되돌아가는 광파워는 다음의 식 (3-2)와 같이 정규화된 값인 반사율로 표현된다.Equation (3-1) represents the ratio of the reflected light to the incident light, and when the light power is applied instead of the electric field and the reflectance is applied instead of the reflection coefficient, the power returned to the incident light is expressed by the following equation (3-). It is expressed as reflectance, which is a normalized value as shown in 2).

(3-2) (3-2)

여기에서R 1 , R 2 는 공진기 양쪽 반사체의 반사율, 광이 공진기 내를 왕복할 때 발생하는 광로차는 위상차 φ로 표현되며, 그 위상차 φ는 다음의 식 (3-3)과 같이 주어진다.Here, R 1 and R 2 are the reflectances of both reflectors of the resonator and the optical path difference generated when the light reciprocates in the resonator. The phase difference φ is given by the following equation (3-3).

(3-3) (3-3)

여기에서n은 광섬유 코아의 유효 굴절율,L은 공진기 길이, λ는 레이저광의 중심파장이다.Where n is the effective refractive index of the fiber core, L is the resonator length, and λ is the center wavelength of the laser light.

상기 반사율 관계식이 결국 센서의 전달함수가 되므로, 광섬유 패브리페로 공진기를 센서로 동작시키기 위해서는 전 위상영역에서 감도의 최대최소값의 범위를 조절할 필요가 있다.Since the reflectance relation becomes the transfer function of the sensor, it is necessary to adjust the range of the maximum minimum value of the sensitivity in all phase regions in order to operate the resonator with the optical fiber fabric.

도 3은 상술한 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 내에 있는 반사체의 여러 가지 반사율에 대한 전달함수특성을 나타내고 있다.FIG. 3 shows the transfer function characteristics for the various reflectances of the reflector in the conventional high precision fiber fabric Faberifer described above.

도면에서처럼 반사율(R)이 80%정도로 크면 특정영역 즉, 매 2π근처에서는 감도가 대단히 뛰어나나 대부분이 null영역이므로 quadrature point 운전이 힘들어 일반적인 센서로서는 적당하지 않다.As shown in the figure, when the reflectance (R) is about 80%, the sensitivity is very excellent in a specific area, that is, every 2π, but most are null areas, so it is difficult to operate a quadrature point, which is not suitable as a general sensor.

그러나, 반사율(R)이 5%정도로 작으면 전체적인 감도는 떨어지나 상대적으로 거의 null영역이나 다름없는 부분이 매 π근처의 좁은 영역에서 발생하므로 일반 간섭계형 센서로서 적합하다.However, if the reflectance (R) is as small as 5%, the overall sensitivity is inferior, but a relatively almost null area is generated in a narrow area around every?, So it is suitable as a general interferometric sensor.

전체적인 감도를 유지하면서 null영역의 폭을 줄여 한 주기 내의 동작범위를 늘이기 위해서는 양쪽 반사체의 반사율을 동일한 값으로 제작하고 10% 이내의 값을 취하도록 설계하여야 한다. 이 때 null영역을 제외하면 상기 식 (3-2)는 다음의 식 (3-4)와 같이 단순화된다.In order to increase the operating range within one period by reducing the width of the null area while maintaining the overall sensitivity, the reflectances of both reflectors should be made to be the same value and designed to be within 10%. At this time, except for the null region, Equation (3-2) is simplified as in Equation (3-4) below.

(3-4) (3-4)

여기서,R 0 R 1 R 2 가 동일한 반사율을 가졌을 때의 값이고, 위상차 φ는 상기 식 (3-3)과 동일하게 주어진다.Here, R 0 is a value when R 1 and R 2 have the same reflectance, and the phase difference φ is given in the same manner as in the above formula (3-3).

도 4는 상술한 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)의 특성곡선을나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the characteristic curve of the conventional high precision fiber fabric Fabry resonator 15 described above.

광섬유내의 온도변화ΔT는 열수축팽창에 의한 길이변화ΔL/ΔT및 온도에 의한 굴절율의 변화Δn/ΔT와 같이 광섬유 고유의 물리적 성질을 변하게 하여 광섬유 내의 광도파 조건을 바꾼다.The temperature change ΔT in the optical fiber changes the optical waveguide conditions in the optical fiber by changing the physical properties inherent in the optical fiber such as the length change ΔL / ΔT due to thermal contraction expansion and the change in refractive index due to temperature Δn / ΔT .

이 도파 조건의 변화가 결과적으로 통과하는 광의 위상을 변조시키며, 축방향 변화라든가 다른 스트레인효과는 무시하고 이를 수식화하면 상기 식 (3-3)으로부터 다음의 식 (3-5)와 같은 변화치를 얻을 수 있다(참고문헌; E.Udd, Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, John Wiley Sons, 1991).This change in waveguide condition modulates the phase of the light passing through, and ignoring the axial change or other strain effects, and formulating it, a change can be obtained from equation (3-3) as shown in equation (3-5) below. (Ref. E. Udd, Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, John Wiley Sons, 1991).

(3-5) (3-5)

용융실리카 광섬유의 경우dL/(LdT)는 5x10-7/℃,dn/dT는 10-5/℃로 주어지므로 광섬유의 굴절율을 고려했을 때 첫 번째 항은 두 번째 항의 약 7∼8% 정도이다. 따라서 첫째 항을 무시하면 상기 식 (3-5)는 다음의 식 (3-6)과 같이 표현된다.In the case of molten silica optical fiber, dL / (LdT) is 5x10 -7 / ℃ and dn / dT is 10 -5 / ℃, so considering the refractive index of the optical fiber, the first term is about 7-8% of the second term. . Therefore, ignoring the first term, equation (3-5) is expressed as the following equation (3-6).

(3-6) (3-6)

여기에서,ΔΦ는 온도변화에 따른 위상변화,L은 공진기 길이,λ는 레이저광의 중심 파장,dn/dT는 실리카 광섬유에 대한 온도-굴절율 상수,ΔT는 온도의 변화분이다.Here, ΔΦ is the phase change with temperature change, L is the resonator length, λ is the center wavelength of the laser light, dn / dT is the temperature-refractive index constant for the silica optical fiber, and ΔT is the change in temperature.

이와 같은 고정도 광섬유 온도센서는 광원의 긴 가간섭 길이 때문에 이론적으로는 대단히 복잡한 간섭식을 갖게 되지만, 동작범위 내에서 간섭계의 선명도(visibility)를 조정하고 센서의 정밀도를 유지할 수 있는 한계까지 간섭식을 단순화시키면 실제로 위상영역에서 관찰한 간섭계의 전달함수는 다음의 식 (4)와 같이 정현파의 식으로 주어진다.The high accuracy fiber optic temperature sensor is theoretically very complicated because of the long interference length of the light source. However, the high accuracy fiber optic temperature sensor is interference type to the limit that can adjust the visibility of the interferometer and maintain the accuracy of the sensor within the operating range. To simplify, the transfer function of the interferometer actually observed in the phase domain is given by the sine wave equation as shown in equation (4).

(4) (4)

여기서,I는 위상변화에 따른 광출력 변화,I 0 는 최고 광출력 강도, φ는 위상변화치이다.Here, I is the light output change according to the phase change, I 0 is the maximum light output intensity, φ is the phase change value.

특히, 광섬유 패브리페로 간섭계의 경우는 도 3와 같이 반사체의 반사율(R)에 따라 선명도의 분포는 다르지만 프린지(fringe)에 따른 주기성은 동일하게 나타난다.In particular, in the case of the optical fiber Faberifero interferometer, as shown in FIG. 3, the distribution of clarity varies depending on the reflectance R of the reflector, but the periodicity according to the fringe is the same.

여기에서 횡축의 위상은 도 4의 특성곡선(calibration curve)처럼 간섭계의 감도에 따라 다소 비선형성을 보이지만 피측정 물리량(즉 여기에서는 온도)과 일대 일 대응을 이루므로 위상 값만 정확하게 알 수 있으면 이에 따른 측정온도의 값은 쉽게 결정된다.Here, the phase of the abscissa shows some nonlinearity according to the sensitivity of the interferometer, as shown in the calibration curve of FIG. 4, but has a one-to-one correspondence with the measured physical quantity (ie, temperature here). The value of the measured temperature is easily determined.

그러나, 도 1의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치에서 온도가 변할 때 광전변환기(17)를 통해 실시간으로 관측되는 값은 위상변화 값이 아니고 위상변화에 따라 출력강도가 변하는 간섭계의 광출력이므로, 광출력을 측정한 후 이에 해당하는 실제 위상값(53)을 도 3으로부터 구할 때 측정된 광출력(51)에 해당하는 다수의 후보 위상값(52)으로부터 실제 위상값(53)을 찾아내야 하는 문제가 발생한다.However, since the value observed in real time through the photoelectric converter 17 when the temperature changes in the high-precision optical fiber Fabry-Peero temperature measuring apparatus of FIG. 1 is not a phase change value but an optical output of an interferometer whose output intensity changes according to the phase change, When the optical power is measured and the actual phase value 53 corresponding thereto is obtained from FIG. 3, the actual phase value 53 must be found from the plurality of candidate phase values 52 corresponding to the measured optical power 51. A problem arises.

상기 문제는 위상의 움직임을 계속해서 관찰하고 있는 경우에는 현재의 위상이 속하고 있는 프린지(주기)를 바로 알 수 있지만 그렇지 않은 경우에는 현재의 위상이 어느 프린지(fringe)에 속하고 있는지가 불분명해진다. 또한, 계속해서 위상의 움직임을 관찰하고 있는 경우라 하더라도 온도의 변화가 빠를 경우 즉, 위상영역에서 본 샘플링 속도가 상대적으로 느린 경우 프린지 이동에 대한 정보가 충분치 않아 전체적으로 몇 개의 프린지를 지나 갔는지 모호해지는 일이 많다.The problem is that if the phase movement is continuously observed, the fringe (period) to which the current phase belongs is immediately known. Otherwise, it becomes unclear which fringe the current phase belongs to. . In addition, even when the phase movement is continuously observed, when the temperature change is fast, that is, when the sampling rate seen in the phase region is relatively slow, there is not enough information on the fringe movement, which may blur the overall number of fringes. a lot of works.

그래서, 신호처리부(18)의 성능을 개선시켜 온도의 빠른 변화에도 대응할 수 있는 초고속 샘플링으로 이러한 문제를 해결했다 하더라도, 광섬유센서의 광원으로 사용하는 반도체 레이저의 특성상 어쩔 수 없이 발생하는 처핑(chirping: unstability in semiconductor laser frequency)현상으로 인한 위상영역에서의 버스트(burst)가 존재할 때 또는 전원을 다시 투입(power-on reset)해야 할 때 기준위상을 찾기 어렵다.Therefore, even if this problem is solved by the ultra-fast sampling that can cope with a rapid change in temperature by improving the performance of the signal processing unit 18, the chirping is inevitably generated due to the characteristics of the semiconductor laser used as the light source of the optical fiber sensor. It is difficult to find the reference phase when there is a burst in the phase region due to unstability in semiconductor laser frequency or when a power-on reset is required.

이와 같이 위상의 초기값에 대한 위상변화의 상대치는 정확하게 읽을 수 있으나, 그 초기 위상값을 설정하는 것이 어렵다. 즉, 싱글모드 광섬유와 가간섭성이 좋은 레이저광을 광원으로 사용하는 고정도 광섬유 패브리페로 온도센서는 상기 식 (4) 또는 도 3과 같은 전달함수 특성을 가지며, 이 때 전달함수의 짧은 주기성으로 인하여 측정된 광반사강도(reflective intensity)로부터 위상영역에서 위상값을 읽을 때 소속하고 있는 프린지를 잘못 판단하는 문제가 자주 발생한다.Thus, although the relative value of the phase change with respect to the initial value of phase can be read correctly, it is difficult to set the initial phase value. That is, the high-precision optical fiber Fabry-Pelo temperature sensor, which uses a single mode optical fiber and a coherent laser light as a light source, has a transfer function characteristic as shown in Equation (4) or FIG. 3, wherein the short periodicity of the transfer function Therefore, when reading the phase value in the phase region from the measured reflectance intensity (reflective intensity), there is a problem that often misjudge the fringe to which it belongs.

이를 극복하기 위해 여러 가지 신호처리 기법이 제시되고 있다. 그 중 온도센서로서 상용화된 방법인 Yeh 등의 방법(참고문헌; Y. Yeh et al., "Fiber optic sensor for substrate temperature monitoring", J. Vac. Soc. Technol. A 8, pp3247-3250, 1990)은 비휘발성 메모리류의 도움을 받지 않는 한 전원 재투입(power-on reset)시 초기화 문제를 안정적으로 해결하기 어렵고, 압력센서로서 상용화된 방법인 Sadkowski 등의 방법(참고문헌; R. Sadkowski et al., "Multiplexed interferometric fiberoptic sensors with digital signal....", Applied Optics, Vol. 34, No.25, pp5861-5866, 1995)은 레이저성능에 대한 의존도가 지나치게 강해 채널당 가격이 높다는 약점이 있다.To overcome this, various signal processing techniques have been proposed. Among them, the method commercialized as a temperature sensor by Yeh et al. (Reference; Y. Yeh et al., "Fiber optic sensor for substrate temperature monitoring", J. Vac. Soc. Technol. A 8, pp3247-3250, 1990 R. Sadkowski et al. (Ref. R. Sadkowski et. al., "Multiplexed interferometric fiberoptic sensors with digital signal ....", Applied Optics, Vol. 34, No.25, pp5861-5866, 1995), have a weaker price-per-channel ratio due to their excessive dependence on laser performance. .

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 간섭계형 온도센서의 정밀도를 그대로 유지하면서 측정범위를 제한된 범위로부터 벗어날 수 있도록 한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an interferometer type temperature measuring device, which is an optical fiber fabric, which allows the measurement range to deviate from a limited range while maintaining the accuracy of the interferometer type temperature sensor. have.

도 1은 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치의 구성도,1 is a block diagram of a conventional high-precision optical fiber fabric temperature measurement device,

도 2는 도 1에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 상세도,FIG. 2 is a detailed view of the high precision optical fiber Fabry Ferro resonator shown in FIG. 1;

도 3은 도 2에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 전달함수를 나타낸 그래프,3 is a graph showing a transfer function of the high-precision fiber fabric Faberifer resonator shown in FIG.

도 4는 도 2에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선을 나타낸 그래프,4 is a graph showing a characteristic curve of the high-precision optical fiber Fabry-Pero resonator shown in FIG.

도 5는 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 구성도,5 is a block diagram of an optical fiber Fabry Ferro interferometer type temperature measuring apparatus according to the present invention,

도 6은 도 5에 도시된 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기)의 상세도,FIG. 6 is a detailed view of the low-precision asymmetric optical fiber Fabry-Pero resonator (low-precision dielectric thin-film optical fiber Faberipher resonator) shown in FIG. 5;

도 7은 도 6에 도시된 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기)의 전달함수를 나타낸 그래프,FIG. 7 is a graph showing a transfer function of the low-precision asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator (low-precision dielectric thin film optical fiber Fabry resonator) shown in FIG. 6;

도 8은 도 6에 도시된 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선을 나타낸 그래프,FIG. 8 is a graph showing characteristic curves of the low-precision asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator shown in FIG. 6;

도 9는 도 5에 도시된 광섬유 페브리페로 공진기(주 센서)와 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(보조 센서)의 전달함수를 비교한 그래프,FIG. 9 is a graph comparing the transfer functions of the optical fiber Fabry Ferro resonator (main sensor) and the low precision asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator (auxiliary sensor) shown in FIG. 5;

도 10은 도 5에 도시된 신호처리수단의 내부구성도,10 is an internal configuration diagram of the signal processing means shown in FIG. 5;

도 11은 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 측정대상물에 적용시켰을 경우의 구성도,11 is a configuration diagram when the optical fiber Fabry Ferro interferometer type temperature measuring device according to the present invention is applied to a measurement object,

도 12는 도 11에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(주 센서)와 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(보조 센서)의 전달함수를 비교한 그래프이다.FIG. 12 is a graph comparing the transfer functions of the high precision optical fiber Fabry Ferro resonator (main sensor) and the low precision asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator (auxiliary sensor) shown in FIG. 11.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing

11, 31, 101 : 레이저 다이오드11, 31, 101: laser diode

12, 32, 102 : 광 아이솔레이터12, 32, 102: optical isolator

13, 33, 103 : 광섬유 커플러13, 33, 103: fiber coupler

14, 16, 19, 34, 104 : 싱글모드 광섬유14, 16, 19, 34, 104: single mode fiber

15 : 고정도 광섬유 패브리페로 공진기15: high precision fiber fabric Fabrero resonator

17, 39, 109 : 광전변환기17, 39, 109: photoelectric converters

18 : 신호처리부18: signal processing unit

35, 105 : 주 센서(고정도 광섬유 패브리페로 공진기)35, 105: main sensor (high-precision fiber fabric resonator)

37, 107 : 광신호 지연기37, 107: optical signal retarder

38, 108 : 보조 센서(저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기)38, 108: auxiliary sensor (low-precision asymmetric fiber fabric resonator)

111 : 보호슬리브 112 : 광섬유 위상 제어기111: protection sleeve 112: optical fiber phase controller

113 : 전기 가열기 121 : 전처리부113: electric heater 121: pretreatment unit

122 : 펄스 발생기 123 : 전치가산 저장부122: pulse generator 123: pre-addition storage unit

124 : 마이크로 콘트롤러 시스템 125 : 퍼스널 컴퓨터124: microcontroller system 125: personal computer

130, 160 : 센싱수단 140, 170 : 광학수단130, 160: sensing means 140, 170: optical means

150, 180 : 신호처리수단150, 180: signal processing means

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치는, 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단; 상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및 상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하고,In order to achieve the above object, an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, the sensing having a primary sensor and an auxiliary sensor to differentially cause the optical phase change according to the temperature change of the measurement object Way; Optical means for inputting the modulated light to the main sensor and the auxiliary sensor, and converting the reflected light from the main sensor and the auxiliary sensor into an electrical signal, respectively; And signal processing means for converting each electric signal from the optical means into a phase and calculating the temperature of the measurement object based on the phase value.

상기 주 센서의 온도변화에 따른 광위상 변화 속도는 상기 보조 센서에 비해 빠르며, 상기 보조 센서의 출력신호는 상기 주 센서의 광위상이 속하는 주기의 위치를 알려주는 정보로 사용되는 것을 특징으로 한다.The change rate of the optical phase according to the temperature change of the main sensor is faster than that of the auxiliary sensor, and the output signal of the auxiliary sensor is used as information for indicating the position of a cycle to which the light phase of the main sensor belongs.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the optical fiber Fabry ferro interferometer type temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 5는 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 구성도로서, 측정 대상물의 온도변화에 따라 광위상 변화를 일으키는 센싱수단(130); 상기 센싱수단(130)으로 입사광의 강도를 변조하여 제공하고 상기 센싱수단(130)에서의 반사광을 검출하는 광학수단(140); 및 상기 광학수단(140)에서 검출된 반사광에 대한 위상을 산출하고 산출된 위상을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단(150)을 구비한다.5 is a block diagram of an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring apparatus according to the present invention, the sensing means for causing a change in the optical phase according to the temperature change of the measurement object; Optical means (140) for modulating the intensity of incident light to the sensing means (130) and detecting the reflected light from the sensing means (130); And signal processing means 150 for calculating a phase of the reflected light detected by the optical means 140 and calculating the temperature of the measurement object based on the calculated phase.

상기 센싱수단(130)은 정밀도가 높은 주 센서(35)와 정밀도가 낮은 보조 센서(38)로 구성된다.The sensing means 130 is composed of a high precision main sensor 35 and a low precision auxiliary sensor 38.

상기 주 센서(35)는 길이가 1∼5cm의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되고 온도에 따른 위상변화의 속도가 상기 보조 센서(38)에 비해 빠르다. 상기 보조 센서(38)는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기로 구성된다.The main sensor 35 is a high-fiber optical fiber fabric with a length of 1 to 5 cm and is composed of a resonator, and a speed of phase change with temperature is faster than that of the auxiliary sensor 38. The auxiliary sensor 38 is a low precision asymmetric fiber fabric, which is composed of a resonator.

상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 싱글모드 광섬유의 종단을 광섬유 클리버를 사용하여 깨끗하게 절단한 뒤, 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 유전체를 스퍼터링과 같은 방법으로 두께가 1㎛에서 50㎛사이에 오도록 코팅하고, 코팅이 안정되도록 400℃에서 750℃의 범위 내의 일정온도에서 3시간으로부터 24시간 정도 가열하여 제작한다. 그리고, 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기의 프린지 해상도는 0.0005프린지로 높으나 온도에 대해서는 1℃에서 5℃ 범위의 낮은 해상도를 갖고 온도변화에 따른 위상의 변화가 상기 주 센서(35)에 비해 100배에서 2000배 느리다.여기서, 상기 보조센서(38)인 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 광을 반사시키는 형태가 광신호의 전달함수 측면에서 전형적인 패브리페로 공진기의 대칭적 패턴과는 달리 비대칭이 심한 것으로, 본 실시예에서는 유전체 박막을 코팅하여 광의 반사 형태가 비대칭 특성을 갖도록 구성한 것이다. 따라서, 상기 보조센서(38)는 구성요소 측면에서 "저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기"라고 지칭할 수 있는 한편, 광 반사의 기능적 측면에서 "저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기"라고 지칭할 수 있는데, 이하의 명세서에서는 용어의 통일화를 위하여 "저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기"라고 지칭하기로 한다.The low asymmetric optical fiber Fabry resonator cleanly cuts the end of the single-mode optical fiber using an optical fiber cleaver, and then titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) or magnesium oxide (MgO). The dielectric is coated by a method such as sputtering so as to have a thickness of between 1 μm and 50 μm, and the coating is stabilized by heating for 3 to 24 hours at a constant temperature in the range of 400 ° C. to 750 ° C. In addition, the fringe resolution of the low asymmetric fiber Fabry Ferro resonator is 0.0005 fringe, but has a low resolution ranging from 1 ° C. to 5 ° C. with respect to temperature, and the phase change due to temperature change is 100 times higher than that of the main sensor 35. Here, the auxiliary sensor 38, the low-precision asymmetric fiber fabric Fabrero resonator is asymmetrical, unlike the symmetrical pattern of the typical Fabry resonator in terms of the optical signal transmission function. In the embodiment, the dielectric thin film is coated so that the reflective form of the light has an asymmetric characteristic. Accordingly, the auxiliary sensor 38 may be referred to as a "low dielectric film thin film fiber fabric resonator" in terms of its components, while in the functional aspect of light reflection may be referred to as a "low profile asymmetric fiber fabric Fabry resonator," In the description of the terminology, the term “lowly asymmetric fiber fabric resonator” is referred to for the sake of unity.

상기 주 센서(35)와 보조 센서(38)는 온도에 대한 영향을 동일하게 받도록 공간상 동일 위치에 설치된다.The main sensor 35 and the auxiliary sensor 38 are installed at the same position in space to be equally affected by the temperature.

상기 보조 센서(38)는 온도에 대해 둔감한 특성을 이용해 0℃에서 1000℃에 이르는 광범위 온도영역에서 상기 주 센서(35)의 위상이 소속하는 프린지의 위치를 알려 주고, 상기 주 센서(35)는 0.0005프린지 정도의 해상도를 가지도록 제작되어, 상기 보조 센서(38)로부터 그 현재 위치가 결정된 프린지 내에서 0.0005프린지의 해상도를 가지고 보다 정확한 위상을 구하게 된다. 그에 따라, 신호처리시 전체 시스템의 최종 정밀도가 상기 측정온도 범위 전체에서 상기 주 센서(35)의 정밀도를 그대로 따르도록 상호 보완관계를 갖는다.The auxiliary sensor 38 indicates the position of the fringe to which the phase of the main sensor 35 belongs in a wide range of temperature ranging from 0 ° C to 1000 ° C by using a characteristic insensitive to temperature, and the main sensor 35 Is manufactured to have a resolution of about 0.0005 fringes, and the auxiliary sensor 38 obtains a more accurate phase with a resolution of 0.0005 fringes within the fringe whose current position is determined. Accordingly, there is a complementary relationship so that the final precision of the entire system in signal processing follows the precision of the main sensor 35 throughout the measurement temperature range.

상기 광학수단(140)은 광원으로서 가간섭성이 높으면서 직접변조가 가능한 레이저 다이오드(31); 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(32); 광도파로인 싱글모드 광섬유(34); 광신호의 결합 및 분배용 광섬유 커플러(33); 상기 주 센서(35)의 신호와 보조 센서(38)의 신호를 시간영역에서 분리하기 위한 광신호 지연기(37); 및 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기(39)를 구비한다.The optical means 140 includes a laser diode 31 capable of direct modulation while having high coherence as a light source; An optical isolator 32 which prevents the light from traveling backwards; A single mode optical fiber 34 which is an optical waveguide; An optical fiber coupler 33 for coupling and distributing optical signals; An optical signal retarder 37 for separating the signal of the main sensor 35 and the signal of the auxiliary sensor 38 in the time domain; And a photoelectric converter 39 for converting the optical signal into an electrical signal.

상기 광섬유 커플러(33)는 상기 싱글모드 광섬유(34)를 통해 입사된 광신호를 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(35)와 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(38)로 등분기하고, 상기 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(35)와 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(38)로부터의 반사광(광신호)을 상기 광전변환기(39)로 전송한다.The optical fiber coupler 33 divides the optical signal incident through the single-mode optical fiber 34 into a high-fiber optical fiber fabric resonator 35 for the primary sensor and a low-precision asymmetric optical fiber fabric resonator 38 for the auxiliary sensor. And transmits the reflected light (optical signal) from the high accuracy optical fiber fabric ferro resonator 35 for the primary sensor and the low asymmetric optical fiber fabric ferro resonator 38 for the auxiliary sensor to the photoelectric converter 39.

도 6은 도 5에 도시된 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(38; 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기)의 상세도로서, 광학계에 사용되는 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 유전체 박막에 대한 공통사항이나 여기서는 다루기가 다소 용이하여 광학코팅물질로 가장 많이 사용되는 산화티타늄(TiO2)만을 예를 들어 설명한다.Figure 6 is a jeojeongdo asymmetric fiber optic Fabry-Perot resonator shown in Fig. 5; and also a detail of (38 dielectric thin optical fiber Fabry-Perot resonator), the titanium oxide used in the optical system (TiO 2), tin oxide (SnO 2), zirconium oxide ( ZrO 2 ) or common materials for dielectric thin films such as magnesium oxide (MgO) are described here, but only titanium oxide (TiO 2 ), which is somewhat easy to handle and is most often used as an optical coating material, is described.

상기 보조 센서(38)로 사용되는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 20㎛ 정도의 산화티타늄(TiO2)과 같은 유전체 필름을 공진기 자체로 대체한 것으로서, 상기 식 (3-6)으로부터 λ=1.3㎛,L=20㎛,dn/dT∼5.0x10-5/℃ 를 적용하면 온도변화 1000℃에 대한 위상변화는 약 0.6π(약 1/4프린지)라디안이고 최대감도점(quadrature point) 운전시 선명도(visibility)가 반주기 경우의 50%로 떨어지기 때문에 분해능은 약 2℃ 정도이나 대단히 넓은 동작범위를 갖게 된다.The low-asymmetric fiber Fabry Ferro resonator used as the auxiliary sensor 38 replaces a dielectric film such as titanium oxide (TiO 2 ) of about 20 μm with the resonator itself, and lambda = 1.3 μm from Equation (3-6). , L = 20㎛, dn / dT ~ 5.0x10 -5 / ℃, the phase change for temperature change 1000 ℃ is about 0.6π (about 1/4 fringe) radian and the clarity during operation of quadrature point Since the visibility drops to 50% of the half cycle, the resolution is about 2 ° C but a very wide operating range.

도 6에서는 광학코팅에 대표적인 물질인 산화티타늄(TiO2)을 광섬유 종단에 박막처리하여 만들어진 초소형 광섬유 패브리페로 온도센서의 구조도를 나타내며 적용 매질로는 공기중으로만 고려하였다.FIG. 6 shows a structure diagram of a microfiber fabric fabric which is made by thin-filming titanium oxide (TiO 2 ), which is a typical material for optical coating, on an optical fiber terminal.

마이크론 단위의 단일층 박막 반사체에 의한 반사율은 패브리페로 공진기의 기본식인 상기 식 (3-1)로부터 도 6과 같은 구조에 대해 다음의 식 (4-1)과 같이 주어진다.The reflectance by the single-layer thin film reflector in units of microns is given by the following equation (4-1) for the structure shown in FIG.

(4-1) (4-1)

여기서, α=(n1 2+n2)(n2+n0 2)Where α = (n 1 2 + n 2 ) (n 2 + n 0 2 )

β=4n1n2n0 β = 4n 1 n 2 n 0

γ=(n1 2-n2)(n2-n0 2)γ = (n 1 2 -n 2 ) (n 2 -n 0 2 )

이고, 굴절률n 1 , n, n 0 는 각각 광섬유 코아(73), 유전체 박막(74), 공기(75)에 대한 값이다.The refractive indices n 1 , n, n 0 are values for the optical fiber core 73, the dielectric thin film 74, and the air 75, respectively.

이때 위상차 φ는 상기 식 (3-3)과 같이 주어지며, 식 (3-3)에서의 굴절율n과 공진기 길이L은 유전체 박막(74)에 대한 값이다. 미설명 부호 71은 싱글모드 광섬유, 72는 클래딩, 76은 입사광, 77은 반사광이다.At this time, the phase difference φ is given as in Equation (3-3), and the refractive index n and the resonator length L in Equation (3-3) are values for the dielectric thin film 74. Reference numeral 71 denotes a single mode optical fiber, 72 is cladding, 76 is incident light, 77 is reflected light.

실질적으로, 유전체 박막 광섬유 패브리페로는 공진기 대용인 유전체 박막의 양단 반사율이 다르므로 간섭계로 사용하는데 있어서 어려움이 있지만, 광섬유 코팅의 반사율을 개략적으로 추정할 때 통상 사용하는 방식인 상기 식 (4-1)로부터 예측모델을 구하여 접근한 결과 보조 센서로서의 역할은 충분한 것으로 입증되었다.Substantially, the dielectric thin film optical fiber fabric has difficulty in using it as an interferometer because the reflectivity of both ends of the dielectric thin film, which is a substitute for the resonator, is difficult, but the above-mentioned formula (4-1) is a commonly used method to roughly estimate the reflectance of the optical fiber coating. As a result of approaching the predictive model, the role as an auxiliary sensor proved to be sufficient.

도 7은 상기 식 (4-1)로 표현된 반사율의 식에서 온도변화 또는 다른 물리량의 변화가 유전체 박막부의 굴절율n이나 두께L의 미세한 변화를 가져온다고 가정했을 때 위상변화에 따른 반사율의 특성곡선을 나타낸다.FIG. 7 shows a characteristic curve of reflectance according to a phase change when assuming that a change in temperature or other physical quantity brings about a slight change in refractive index n or thickness L of the dielectric thin film portion in the expression of the reflectance represented by Equation (4-1). Indicates.

이 경우 전달함수 패턴은 상기 식 (4-1)에서 예측되는 바와 같이 식 (4-1)의정현파에 가까운 전형적인 광섬유 패브리페로형 전달함수가 아닌 다소 복잡한 형태의 함수임을 알 수 있다. 즉, 최대감도점(quadrature point)을 중심으로 비대칭 감도(sensitivity)를 가지기 때문에 재연성(reproducibility)이 좋지 않아 센서로서 적합하다고 볼 수 없다.In this case, it can be seen that the transfer function pattern is a function of a rather complicated form, not a typical optical fiber Faberifero transfer function close to the sine wave of equation (4-1), as predicted by equation (4-1). That is, since it has an asymmetric sensitivity around a quadrature point, reproducibility is not good and thus it is not suitable as a sensor.

그러나, 상기 보조 센서(38) 즉, 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 패브리페로 공진기)의 목적은 특정 위상영역만 지정할 수 있으면 되기 때문에 제안된 센서 시스템의 보조 센서로서는 충분한 성능을 가지고 있다.However, since the purpose of the auxiliary sensor 38, that is, the low asymmetric optical fiber fabric resonator (low dielectric film thin film fabric resonator) needs only to specify a specific phase region, the auxiliary sensor of the proposed sensor system has sufficient performance.

산화물 중에서 산화티타늄(TiO2)은 강도와 내화학성이 좋으며 가시광과 근적외광을 잘 투과시키므로 광섬유 코팅에 사용하기 위해 산화티타늄(TiO2)의 광학특성에 대한 많은 연구가 있었다. 상기 보조 센서(38)로 사용되는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 패브리페로 공진기)의 특성곡선은 산화티타늄(TiO2)을 코팅하는 방법에 따라 차이가 있으며, 특히 온도에 따른 굴절율 변화가 비선형이라는 것은 잘 알려진 사실이다. 광섬유 단면에 증착된 산화티타늄(TiO2)필름의 굴절률n은 온도변화만 고려했을 때 다음의 식 (4-2)와 같이 표현할 수 있다.Among the oxides, titanium oxide (TiO 2 ) has good strength and chemical resistance, and transmits visible light and near-infrared light. Therefore, there have been many studies on the optical properties of titanium oxide (TiO 2 ) for use in optical fiber coating. The characteristic curve of the low precision asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator (low dielectric thin film Fabry Ferro resonator) used as the auxiliary sensor 38 is different depending on the method of coating titanium oxide (TiO 2 ). It is well known that it is nonlinear. The refractive index n of the titanium oxide (TiO 2 ) film deposited on the optical fiber cross section can be expressed by the following equation (4-2) considering only the temperature change.

(4-2) (4-2)

여기서,n s 는 상온에서의 산화티타늄(TiO2)의 기준굴절률을 0℃ 온도로 환산한 것이며,Δn(T)는 산화티타늄(TiO2)의 온도에 따른 굴절율 변화특성을 파장 1300nm에서 실험적으로 구한 것으로서 절대오차 0.0001내에서 다음의 식 (4-3)과 같이 표현된다.Here, n s is the reference refractive index of titanium oxide (TiO 2 ) at room temperature converted to 0 ℃ temperature, Δn (T) is the experimental characteristics of the refractive index change characteristics according to the temperature of titanium oxide (TiO 2 ) experimentally at a wavelength of 1300 nm It is obtained as shown in the following equation (4-3) within an absolute error of 0.0001.

(4-3) (4-3)

도 8은 상술한 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 패브리페로 공진기)의 특성곡선을 그래프로 표시한 것이다.FIG. 8 is a graph showing the characteristic curve of the low-precision asymmetric optical fiber Fabry-Pero resonator (low-precision dielectric thin film Fabry-Fero resonator).

도 9는 도 5에 도시된 주 센서(35)와 보조 센서(38)의 전달함수를 비교한 그래프로서, 주 센서(35)가 10개의 주기를 지나는 동안 보조 센서(38)는 반주기만을 지나므로 보조 센서(38)의 정보로부터 주 센서(35)의 위상이 속하는 프린지를 쉽게 인식할 수 있음을 보여 주고 있다.FIG. 9 is a graph comparing the transfer functions of the main sensor 35 and the auxiliary sensor 38 shown in FIG. 5, since the auxiliary sensor 38 passes only half a cycle while the main sensor 35 passes ten cycles. It shows that the fringe to which the phase of the main sensor 35 belongs can be easily recognized from the information of the auxiliary sensor 38.

도 10은 도 5에 도시된 신호처리수단의 내부구성도로서, 광전변환기(39)로부터 들어온 변조된 전기신호(주 센서용 및 보조 센서용 아날로그 광신호)를 디지털신호로 변환하고 필터링하는 전처리부(121); 기설정된 시퀀스에 따라 펄스로 변조된 전류를 상기 레이저 다이오드(31)에 주입하는 펄스 발생기(122); 상기 전처리부(121)에서 출력되는 주센서용 및 보조 센서용 디지털신호의 랜덤노이즈를 줄이기 위해 각각 일정횟수 이상(적어도 64회 이상) 평준화하는 전치가산 저장부(123); 평준화된 두 개의 반사광 즉, 주 센서용 반사광 및 보조 센서용 반사광의 강도를 프로그램되어 있는 로직에 따라 위상으로 변환하고 상기 보조 센서(38)의 위상정보로부터 주 센서(35)의 프린지 위치를 추정하여 상기 주 센서(35)의 정확한 절대 위상값을 구하는 마이크로 콘트롤러 시스템(124); 및 상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)으로부터 상기 주 센서(35)의 정확한 절대 위상값이 전송됨에 따라 내장된 위상-온도의 특성곡선표를 참조하여 위상을 온도로 복원하고 이를 메모리에 저장하고 디스플레이시키는 퍼스널 컴퓨터(125)를 구비한다.FIG. 10 is an internal configuration diagram of the signal processing means shown in FIG. 5, which is a pre-processing unit for converting and filtering the modulated electric signals (analog optical signals for the main sensor and the auxiliary sensor) from the photoelectric converter 39 into digital signals. (121); A pulse generator 122 for injecting a pulse modulated current into the laser diode 31 according to a predetermined sequence; A pre-addition storage unit 123 for leveling a predetermined number or more (at least 64 times) in order to reduce random noise of the digital signals for the main sensor and the auxiliary sensor output from the preprocessor 121; By converting the intensity of the two leveled reflected light, that is, the reflected light for the main sensor and the reflected light for the auxiliary sensor to the phase according to the programmed logic, and estimated the fringe position of the main sensor 35 from the phase information of the auxiliary sensor 38 A microcontroller system (124) for obtaining an accurate absolute phase value of the main sensor (35); And a personal computer for restoring a phase to a temperature, storing and displaying it in a memory with reference to a built-in phase-temperature characteristic curve as the exact absolute phase value of the main sensor 35 is transmitted from the microcontroller system 124. 125 is provided.

상기 레이저 다이오드(31)는 1.3㎛ 또는 1.55㎛ 근처 파장의 통신용 반도체 레이저인 멀티모드 레이저 또는 싱글모드 레이저이고, 상기 광전변환기(39)는 PIN타입을 사용한다.The laser diode 31 is a multimode laser or a single mode laser which is a communication semiconductor laser having a wavelength of 1.3 mu m or 1.55 mu m, and the photoelectric converter 39 uses a PIN type.

상기 펄스 발생기(122)로부터 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류 변조 펄스폭은 주파수 처핑(frequency chirping)효과와 시스템 응답시간을 고려하여 200㎱-1500㎱로 하고, 상기 펄스 발생기(122)로부터 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류 변조 펄스의 주파수는 1kHz-200kHz로 한다. 그리고, 상기 펄스 발생기(122)에서 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류는 초기 상승시 진동이 수 ㎱내에서 억제되는 안정된 구형파(square wave) 펄스를 사용한다.The injection current modulation pulse width of the laser diode 31 coming out of the pulse generator 122 is set to 200 mV-1500 mV in consideration of the frequency chirping effect and the system response time, and is emitted from the pulse generator 122. The frequency of the injection current modulating pulse of the laser diode 31 is set to 1 kHz to 200 kHz. In addition, the injection current of the laser diode 31 exiting the pulse generator 122 uses a stable square wave pulse in which vibration at initial rise is suppressed within several Hz.

상기 전치가산 저장부(123)는 최소 64회의 고속 이동평균(moving average)을 실현하기 위해 마이크로 콘트롤러 시스템(124)의 전단에 설치된다.The pre-addition storage unit 123 is installed at the front end of the microcontroller system 124 to realize at least 64 fast moving averages.

상기 펄스 발생기(122)로부터 출력되는 펄스의 주파수는 적용분야에 따라 온도변화를 충분히 추적할 수 있도록 설정하며, 측정채널의 수와 상기 광신호 지연기(37)를 고려하여 결정한다.The frequency of the pulse output from the pulse generator 122 is set to sufficiently track the temperature change according to the application, and is determined in consideration of the number of measurement channels and the optical signal retarder 37.

상기 광신호 지연기(37)는 싱글모드 광섬유를 직경 10cm이상으로 느슨하게 감아 편광의 변화(polarization change)와 굽힘에 의한 손실(bending loss)을 최소화하고, 주 센서(35)와 보조 센서(38)의 반사광신호의 시간차가 0.5㎲에서 10㎲정도 되도록 길이를 50m에서 1000m로 설정한다.The optical signal retarder 37 loosely winds the single-mode optical fiber 10 cm or more in diameter to minimize the polarization change and bending loss, and the main sensor 35 and the auxiliary sensor 38. The length is set from 50 m to 1000 m so that the time difference between the reflected light signals is 0.5 m to 10 m.

도 11은 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 측정대상물에 적용시켰을 경우의 구성도로서, 측정 대상물의 온도변화에 따라 광위상 변화를 일으키는 센싱수단(160); 상기 센싱수단(160)으로 입사광의 강도를 변조하여 제공하고 상기 센싱수단(160)에서의 반사광을 검출하는 광학수단(170); 및 상기 광학수단(170)에서 검출된 반사광에 대한 위상을 산출하고 산출된 위상을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단(180)을 구비한다.11 is a configuration diagram when the optical fiber fabric interferometer type temperature measuring apparatus according to the present invention is applied to the measurement object, the sensing means 160 for causing a change in the optical phase according to the temperature change of the measurement object; Optical means (170) for modulating the intensity of incident light to the sensing means (160) and detecting the reflected light from the sensing means (160); And signal processing means 180 for calculating a phase of the reflected light detected by the optical means 170 and calculating a temperature of the measurement target based on the calculated phase.

상기 센싱수단(160)은 도 5에서 설명한 센싱수단과 동일하게 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 비대칭 패브리페로 공진기(저정도 유전체 박막 패브리페로 공진기)(108)로 구성되고, 보호 슬리브(111)에 의해 보호받으면서 측정 대상인 전기 가열기(113)의 근처에 위치하게 된다.The sensing means 160 is composed of a high precision optical fiber fabric ferro resonator 105 for the primary sensor and a low precision asymmetric fabric ferro resonator (low dielectric dielectric thin film fabric ferro resonator) 108 for the auxiliary sensor as in the sensing means described with reference to FIG. 5. It is located near the electric heater 113 to be measured while being protected by the protective sleeve 111.

상기 신호처리수단(18)은 도 10에서 설명한 내부구성(전처리부, 전치가산 저장부, 펄스 발생기, 마이크로 콘트롤러 시스템, 퍼스널 컴퓨터)을 갖춘다.The signal processing means 18 has an internal configuration (preprocessor, preaddition storage, pulse generator, microcontroller system, personal computer) described in FIG.

상기 광학수단(170)은 도 5에서 설명한 광학수단과 동일하게 레이저 다이오드(101), 광 아이솔레이터(102), 광섬유 커플러(103), 싱글모드 광섬유(104), 광신호 지연기(107), 및 광전변환기를 구비한다.The optical means 170 is a laser diode 101, optical isolator 102, optical fiber coupler 103, single-mode optical fiber 104, optical signal retarder 107, and the same as the optical means described in FIG. A photoelectric converter is provided.

그리고, 상기 광학수단(170)에는 최대감도점 제어를 위해 스트레인 효과를 이용한 광섬유 위상 제어기(112)가 추가로 구비된다.In addition, the optical means 170 is further provided with an optical fiber phase controller 112 using a strain effect for maximum sensitivity point control.

실제로, 상기 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 선명도(visibility)가 서로 다르므로 증폭부 설계시 어느 정도의 트레이드오프(trade-off)가 필요하고, 온도변화에 따라 잡음요인이 다르므로 온도환산용 특성곡선표(look-up table) 작성시 충분한 고려가 필요하다. 또한, 실제 주 사용영역을 보조 센서의 최대감도점(quadrature point) 근처로 설정하는 작업이 용이하지 않기 때문에 상기 스트레인 효과를 이용한 광섬유 위상 제어기(112)를 사용한다.Indeed, since the clarity of the high-fiber optical fiber fabric resonator 105 for the main sensor and the low asymmetric optical fiber fabric resonator 108 for the auxiliary sensor are different from each other, there is some trade-off in designing the amplifier. Since noise factors vary according to temperature changes, sufficient consideration is required when preparing a look-up table for temperature conversion. In addition, since the operation of setting the actual main use area near the maximum sensitivity point (quadrature point) of the auxiliary sensor is not easy, the optical fiber phase controller 112 using the strain effect is used.

즉, 상기 광섬유 위상 제어기(112)는 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 해상도를 부분적으로 보완하기 위해 초기 입사광의 위상을 이동시켜 그 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 최대감도점을 현재의 동작점으로 설정한다.In other words, the optical fiber phase controller 112 shifts the phase of the initial incident light to partially compensate for the resolution of the resonator 108 with the low asymmetric fiber Fabry Faber. Set to the current operating point.

다시 말해서, 일정 길이의 광섬유를 원통형 압전변환기(Piezo-electric transducer)에 감고 그 원통형 압전변환기에 일정 전압을 인가하여 입사광의 위상을 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 최대감도점 근처로 옮긴 후 그 전압을 그대로 유지하게 되면 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 해상도를 국부적으로 높이게 된다.In other words, a certain length of optical fiber is wound on a cylindrical piezo-electric transducer and a constant voltage is applied to the cylindrical piezoelectric transducer to shift the phase of the incident light near the maximum sensitivity point of the resonator 108 with the low asymmetric optical fiber fabric. After the voltage is maintained as it is, the resolution of the resonator 108 is locally increased by the low asymmetric optical fiber fabric.

상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)의 온도분해능을 구하기 위해 공진기 길이L=10㎜, 반도체 레이저의 중심파장 λ=1.3㎛, 상수dn/dT=10-5/℃를 적용하면 상기 식 (3-6)으로부터 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 위상변화(ΔΦ)는 약 300π라디안으로 주어지며, 위상영역에서의 반주기(half fringe)가 온도변화 3.3℃에 해당됨을 간단하게 알 수 있다.Applying the resonator length L = 10 mm, the center wavelength of the semiconductor laser, λ = 1.3 μm, and the constant dn / dT = 10 -5 / ° C. to obtain the temperature resolution of the resonator 105 with the high-fiber optical fiber fabric, the equation (3) -6), the phase change (ΔΦ) with respect to the temperature change ( ΔT ) of 1000 ° C is given as about 300π radians, and it can be easily seen that the half fringe in the phase region corresponds to the temperature change of 3.3 ° C.

따라서, 본 발명에서의 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 온도분해능은 3.3℃보다 좋으면 된다. 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 보조 센서의 위상변화(ΔΦ)는 도 7에서처럼 감도가 낮은 상하부를 피해 최대감도점 주변에서 동작시키기 위해 π라디안 이하의 값(가능한 한 0.5π라디안 이하의 값)으로 주어져야 되므로, 이에 대한 상기 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 길이는 대략 30㎛이하이다.Therefore, the temperature resolution of the low precision asymmetric optical fiber fabric for the auxiliary sensor in the present invention resonator 108 may be better than 3.3 ° C. The phase change (ΔΦ) of the auxiliary sensor with a temperature change ( ΔT ) of 1000 ° C is less than or equal to π radians (possibly less than or equal to 0.5π radians) to operate around the maximum sensitivity point, avoiding the upper and lower parts with lower sensitivity as shown in FIG. Since the length of the low precision asymmetric optical fiber fabric for the auxiliary sensor resonator 108 is about 30 μm or less.

도 11에서는 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 길이를 20㎛으로 하였으며, 이 때 상기 식 (3-6)으로부터 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 보조 센서(108)의 위상변화(ΔΦ)는 약 0.9π라디안이 되어 측정대상 온도범위 1000℃를 반주기 이내의 위상변화로 충분히 환산할 수 있다. 예를 들면, 도 11에서와 같이 주 센서 및 보조 센서용 광섬유 패브리페로 공진기의(105, 108) 길이를 각각 10㎜와 20㎛로 하고 보조 센서(108)를 최대감도점 근처에서 동작시켰을 때, 평균적으로 주 센서(105)의 반주기에 해당하는 온도변화 3.3℃는 보조 센서(108)의 위상을 0.002π라디안(또는 0.001프린지) 정도 변화시킨다. 이는 신호처리수단(110)에서 충분히 검출 가능한 위상치이므로 주 센서(105)의 출력신호로부터 현재 프린지의 절대위치가 간단하게 결정된다(참고문헌; 김광수 외, "보조반사체를 이용한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도센서의 성능 향상", 대한전기학회 논문지 7월호, 2000).In FIG. 11, the length of the resonator 108 is 20 μm with the low asymmetric optical fiber fabric for the auxiliary sensor, wherein the phase change of the auxiliary sensor 108 with respect to the temperature change ΔT 1000 ° C. from Equation (3-6). (ΔΦ) becomes about 0.9π radians, so that the temperature range of 1000 ° C to be measured can be sufficiently converted into a phase change within a half cycle. For example, when the lengths of the resonators 105 and 108 of the resonator are 10 mm and 20 μm, respectively, as shown in FIG. 11 and the optical fiber fabric for the auxiliary sensor is operated near the maximum sensitivity point, On the average, a temperature change of 3.3 ° C. corresponding to a half period of the main sensor 105 changes the phase of the auxiliary sensor 108 by about 0.002 pi radians (or 0.001 fringes). Since this is a phase value sufficiently detectable by the signal processing means 110, the absolute position of the current fringe is simply determined from the output signal of the main sensor 105 (Ref .; Kim, Kwang-soo et al., "An optical fiber fabric with interferometric reflector interferometer type. Performance Improvement of Temperature Sensor ", Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, July, 2000).

도 12는 도 11에 도시된 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 전달함수를 비교한 그래프로서, 참조부호 200은 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)의 전달함수를 나타내고, 참조부호 210은 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 전달함수를 나타낸다.FIG. 12 is a graph comparing the transfer functions of the high precision fiber fabric Fabreferro resonator 105 for the primary sensor and the low precision asymmetric fiber Fabry ferro resonator 108 for the auxiliary sensor shown in FIG. Fig. 1 shows the transfer function of the resonator 105 in the optical fiber fabric, and reference numeral 210 denotes the transfer function of the resonator 108 in the low precision asymmetric optical fiber fabric for the auxiliary sensor.

이어, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 동작에 대해 도 11의 구성도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Next, the operation of the optical fiber Fabry ferro interferometer type temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11.

광신호는 가간섭성이 큰 레이저 광을 캐리어로 사용하고, 광도파로인 싱글모드 광섬유(104)를 따라서만 진행하며, 공기 중에 노출되는 광은 광섬유 종단에서 산란되는 광뿐이다.The optical signal uses a highly coherent laser light as a carrier, and travels only along the single-mode optical fiber 104, which is an optical waveguide, and only light that is exposed to air is scattered at the end of the optical fiber.

신호처리수단(180)내의 펄스 발생기(122)에서 기설정된 시퀀스를 따라 펄스로 변조된 전류를 레이저 다이오드(101)에 주입하면, 광신호의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(102)를 거쳐 50대 50으로 균등 분배해주는 2x2 3dB 광섬유 커플러(103)로 전송된다.When pulse-modulated current is injected into the laser diode 101 according to a predetermined sequence in the pulse generator 122 in the signal processing means 180, 50 units are provided via the optical isolator 102 which prevents the reverse direction of the optical signal. It is sent to a 2x2 3dB fiber coupler 103 which distributes evenly to 50.

상기 광섬유 커플러(103)는 입사된 광을 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)로 등분기시킨다. 상기 두 개의 공진기(105, 108)는 공간적으로 동일한 위치에 설치되어 동일한 섭동(perturbation) 즉, 온도변화에 따른 공진기 내의 굴절율 변화를 동일하게 겪게 되나, 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)에서는 상대적으로 빠른 위상변화를 보이고, 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108)에서는 상대적으로 느린 위상변화를 보이며, 이 위상변화 속도의 비는 식 (3-6)에 의해 공진기 길이의 비와 거의 비례한다.The optical fiber coupler 103 equalizes the incident light into a high-fiber optical fiber fabric for the main sensor resonator 105 and a low-precision asymmetric fiber fabric for the auxiliary sensor. The two resonators 105 and 108 are installed at the same spatial position to undergo the same perturbation, that is, the refractive index change in the resonator according to the temperature change, but in the high-precision optical fiber fabric ferro resonator 105 It shows a fast phase change and a relatively slow phase change in the low asymmetric optical fiber Fabry resonator 108, and the ratio of the phase change rate is almost proportional to the ratio of the resonator length by equation (3-6).

상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(108) 전단에 설치된 일정 길이의 광섬유로 구성된 광신호 지연기(107)에서는 두 간섭계의 간섭신호를 신호처리수단(180)에서 요구하는 시간만큼 시간영역에서 분리한다. 이 때 지연시간, τ는 광신호의 왕복을 고려했을 때 다음의 식 (5)와 같이 주어진다.In the optical signal retarder 107 composed of a predetermined length of optical fiber installed in front of the low asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator 108, the interference signals of the two interferometers are separated in the time domain by the time required by the signal processing means 180. At this time, the delay time τ is given by the following equation (5) in consideration of the round trip of the optical signal.

(5) (5)

여기에서,n은 광섬유 코아의 굴절율,c는 진공 중 빛의 속도,l은 지연회로용 광섬유의 길이이다. 예를 들면, 광섬유 길이 100m에 대한 광신호 지연시간은 실리카계 광섬유 코아의 굴절율 1.47로부터 약 1㎲ 정도이다.Here, n is the refractive index of the fiber core, c is the speed of light in vacuum, l is the length of the optical fiber for the delay circuit. For example, the optical signal delay time for the optical fiber length of 100 m is about 1 kHz from the refractive index of 1.47 of the silica-based optical fiber core.

측정 대상부인 전기 가열기(113)의 온도변화에 따른 공진기내의 굴절율 변화는 상기 식 (3-6)처럼 반사광의 위상을 변조시킨다.The change of the refractive index in the resonator according to the temperature change of the electric heater 113 which is the measurement target modulates the phase of the reflected light as in Equation (3-6).

이 변조된 위상을 가진 반사광은 주 센서(105)와 보조 센서(108)로부터 1㎲의 시간차를 두고 차례로 광섬유 커플러(103)를 입사광과 반대방향으로 통과하여 광전변환기(109)로 들어가 전기신호로 변환되고, 변환된 전기신호는 전처리부(121)에서 컨디션닝(conditioning)되고 디지털 데이터로 변환된다.The reflected light having the modulated phase passes through the optical fiber coupler 103 in the opposite direction to the incident light with a time difference of 1 ms from the main sensor 105 and the auxiliary sensor 108 and enters the photoelectric converter 109 as an electrical signal. The converted and converted electrical signals are conditioned by the preprocessor 121 and converted into digital data.

변환된 디지털 신호는 전치가산 저장부(124)에서 두 개(주 센서용 및 보조 센서용)로 분기되어 랜덤노이즈를 줄이기 위해 각각 일정횟수 이상(적어도 64회 이상) 평준화된 뒤 마이크로 콘트롤러 시스템(124)으로 들어간다.The converted digital signals are branched into two (for primary sensor and secondary sensor) from the preaddition storage unit 124 and leveled at least a predetermined number (at least 64 times) to reduce random noise, respectively. ).

상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)은 입력된 평준화된 두 개의 반사광의 강도를 프로그램되어 있는 로직에 따라 위상으로 변환시키고, 보조 센서(108)의 위상 정보로부터 주 센서(105)의 프린지 위치를 추정하여 주 센서(105)의 정확한 절대 위상값을 구한다. 예를 들어, 상기 펄스 형태의 전기신호로부터 펄스 폭 내에 위상차 약 π/2로는 최소 2개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하고, 위상차 약 π/3로는 최소 3개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하며, 위상차 약 π/4로는 최소 4개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하여, 상기 과정에 의해 변환된 디지털 데이터를 상기 샘플링 각각에 대해 그리고 상기 주 센서(105)와 보조 센서(108) 각각에 대해 전치가산 저장부(123)를 이용하여 최소 64회에 대한 이동평균(moving average)을 구하여 기 설정된 광출력-위상 변환표(룩업테이블화된 표)에 의거하여 상기 주 센서(105)의 절대 위상값을 산출한다.The microcontroller system 124 converts the intensity of the two equalized reflected light into phase according to the programmed logic, and estimates the fringe position of the main sensor 105 from the phase information of the auxiliary sensor 108. The exact absolute phase value of the sensor 105 is obtained. For example, sampling of at least two analog-to-digital conversions is performed with a phase difference of π / 2 within a pulse width from the pulse-shaped electrical signal, and sampling of at least three analog-to-digital conversions with a phase difference of π / 3 is performed. At least four analog-to-digital conversion samplings are performed at a phase difference of π / 4 so that the digital data converted by the above process is applied to each of the sampling and to each of the main sensor 105 and the auxiliary sensor 108. The moving average of at least 64 times is obtained using the pre-addition storage unit 123, and the absolute value of the main sensor 105 is calculated based on a preset light output-phase conversion table (look-up tabled table). Calculate the phase value.

상기 주 센서(105)의 정확한 절대 위상값이 주어지면 상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)는 내장된 위상-온도의 특성곡선표(룩업테이블화된 표)를 참조하여위상을 온도로 복원하고, 이를 디스플레이어에 표기하거나 퍼스널 컴퓨터(125)를 통해 메모리에 저장한다.Given the exact absolute phase value of the main sensor 105, the microcontroller system 124 restores the phase to temperature with reference to a built-in phase-temperature characteristic curve (look-up tabled table) and displays it as a display. Or stored in the memory through the personal computer 125.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 측정대상물의 온도변화에 상응하는 광위상의 변화를 검출할 때 주 센서의 위상변화분이 소속하는 주기의 위치에 대한 정보를 상대적으로 주기가 수 십배 내지 수백배 느린 보조 센서로부터 받아들여 주 센서의 정밀도를 안정적으로 유지함으로서 주 센서용 고정도 광섬유 간섭계형 온도센서의 적용 영역을 확장시키게 된다. 즉, 간섭계형 온도센서의 고질적인 문제인 주기성에 의한 신호처리의 난점을 간단한 구조의 보조 센서 하나로 값싸게 구성하여 해결함으로서, 특정분야에 제한적으로 사용되던 광섬유 패브리페로 온도센서의 적용영역을 확장시킬 수 있다.As described in detail above, according to the present invention, when detecting a change in the optical phase corresponding to the temperature change of the measurement object, information about the position of the period to which the phase change of the main sensor belongs is relatively tens to hundreds of times. By taking in a slow auxiliary sensor and keeping the accuracy of the main sensor stable, the area of application of the high accuracy fiber optic interferometer type temperature sensor for the main sensor is expanded. In other words, by solving the difficulty of signal processing due to periodicity, which is a chronic problem of the interferometer type temperature sensor, by constructing inexpensively with a simple structure of an auxiliary sensor, the application area of the temperature sensor can be extended with an optical fiber fabric which is limited to a specific field. have.

그리고, 시스템 전체가 광섬유로 구성되어 있기 때문에 광섬유 고유의 특성 즉, 소형·경량, 낮은 신호감쇄비 등과 같은 장점 이외에도 여러 가지 독특한 특성을 이용할 수 있기 때문에 다음과 같은 적용분야가 기대된다. 전자장 유도현상이 없기 때문에 전자장 유도가 심한 지역 특히 RF 스퍼터링 장비의 온도 측정 분야, 자성체의 큐리점 온도 측정 분야, 절연이 까다로운 전력용 변압기 코아의 온도 측정 분야, 가스절연 전력기기 내부의 특정부위(광센서 주변이나 코로나 잡음이 심한 지역) 온도측정 분야 등에 적용가능하다.In addition, since the whole system is composed of optical fibers, in addition to the advantages such as the unique characteristics of the optical fiber, such as small size, light weight, low signal attenuation ratio, etc., various unique characteristics can be used. Areas with high electromagnetic field induction due to the absence of electromagnetic induction, particularly in the field of temperature measurement of RF sputtering equipment, the measurement of the Curie point temperature of magnetic materials, the temperature measurement of power transformer cores with difficult insulation, and the specific parts inside gas insulated power equipment (optical It can be applied to the temperature measurement area around the sensor or the area with high corona noise.

또한, 센서의 측정부가 인체에 무해한 재질로 구성되어 있으므로 식품 가공분야 특히 스낵류 생산시 온도제어용 및 하이퍼써미아와 같은 치료시 치료부위의 체온 측정 분야 등에 적용가능하다.In addition, since the measuring unit of the sensor is made of a material that is harmless to the human body, it is applicable to the temperature control field of the treatment area during the treatment such as hyperthermia and temperature control in the food processing field, especially snacks production.

또, 상기 센서의 신호전달 수단이 광섬유이므로 센서의 다중화가 용이하여 광섬유 통신망을 통한 집중 감시 진단용으로도 사용할 수 있다.In addition, since the signal transmission means of the sensor is an optical fiber, the multiplexing of the sensor is easy and can be used for intensive monitoring diagnosis through an optical fiber communication network.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 국한되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형이 가능하고, 그러한 수정 및 변형된 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, but modifications and variations are possible without departing from the gist of the present invention, and such modifications and variations should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (15)

측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단;Sensing means having a primary sensor and an auxiliary sensor that differentially induce an optical phase change according to a temperature change of a measurement object; 상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및Optical means for inputting the modulated light to the main sensor and the auxiliary sensor, and converting the reflected light from the main sensor and the auxiliary sensor into an electrical signal, respectively; And 상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하고,Signal processing means for converting each electric signal from the optical means into a phase and calculating the temperature of the measurement object based on the phase value; 상기 주 센서의 온도변화에 따른 광위상 변화 속도는 상기 보조 센서에 비해 빠르며, 상기 보조 센서의 출력신호는 상기 주 센서의 광위상이 속하는 주기의 위치를 알려주는 정보로 사용되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The optical phase change rate according to the temperature change of the main sensor is faster than the auxiliary sensor, and the output signal of the auxiliary sensor is used as information indicating a position of a period to which the optical phase of the main sensor belongs. Fabrifero interferometer type temperature measuring device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주 센서는 고정도 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The main sensor is an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring device, characterized in that consisting of a high-fiber fiber fabric resonator. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 보조 센서는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The auxiliary sensor is an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring device, characterized in that the low-symmetric optical fiber fabric is composed of a resonator. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 싱글모드 광섬유의 종단을 광섬유 클리버를 사용하여 절단하고, 유전체를 스퍼터링에 의하여 코팅한 후 가열하여 제작하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The low asymmetric optical fiber fabric refractor is a fiber optic fabric interferometer type temperature measuring device characterized in that the end of the single-mode optical fiber is cut by using an optical fiber cleaver, the dielectric is coated by sputtering and then heated. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 유전체는 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화마그네슘(MgO) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The dielectric material is any one of titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), magnesium oxide (MgO), the interferometer type temperature measuring device of the optical fiber fabric. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 유전체는 1㎛∼50㎛의 범위내에서 코팅하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.And said dielectric material is coated within the range of 1 µm to 50 µm. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 가열은 섭씨 400℃∼750℃의 온도범위내에서 3시간~24시간의 시간범위동안 행해지는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The heating is optical fiber fabric interferometer type temperature measurement apparatus, characterized in that performed for a time range of 3 hours to 24 hours in the temperature range of 400 ℃ to 750 ℃. 삭제delete 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기의 프린지 해상도는 0.0005프린지이고, 온도변화에 따른 광위상의 변화가 상기 주 센서에 비해 100배에서 2000배 느린 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The fringe resolution of the low asymmetric optical fiber Fabry Ferro resonator is 0.0005 fringe, the optical phase change of the optical phase Fabry Ferro interferometer type temperature measurement device, characterized in that the change in the optical phase is 100 to 2000 times slower than the main sensor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광학수단은The optical means 레이저 다이오드;Laser diodes; 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터;An optical isolator which prevents reverse propagation of the light output from the laser diode; 싱글모드 광섬유로 된 광도파로;Optical waveguides of single-mode fiber; 상기 광도파로를 통해 입사되는 광신호의 분배 및 상기 주 센서와 보조 센서로부터의 광신호에 대한 결합을 수행하는 광섬유 커플러;An optical fiber coupler for distributing an optical signal incident through the optical waveguide and coupling the optical signal from the main sensor and the auxiliary sensor; 상기 주 센서의 신호와 보조 센서의 신호를 시간영역에서 분리하기 위한 광신호 지연기; 및An optical signal delay unit for separating a signal of the main sensor and a signal of the auxiliary sensor in a time domain; And 상기 광섬유 커플러로부터의 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기를 구비하고,A photoelectric converter for converting an optical signal from the optical fiber coupler into an electrical signal, 상기 광섬유 커플러는 상기 광도파로를 통해 입사된 광신호를 상기 주 센서와 보조 센서로 등분기하고, 상기 주 센서와 보조 센서로부터의 반사광을 상기 광전변환기로 전송하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The optical fiber coupler divides the optical signal incident through the optical waveguide into the main sensor and the auxiliary sensor, and transmits the reflected light from the main sensor and the auxiliary sensor to the photoelectric converter. Temperature measuring device. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 신호처리수단은The signal processing means 상기 광전변환기로부터 들어온 변조된 주 센서 및 보조 센서의 전기신호를 디지털신호로 각각 변환하고 필터링하는 전처리부;A preprocessor converting and filtering the electric signals of the modulated main sensor and the auxiliary sensor from the photoelectric converter into digital signals, respectively; 기설정된 시퀀스에 따라 펄스로 변조된 전류를 상기 레이저 다이오드에 제공하는 펄스 발생기;A pulse generator for providing a pulse modulated current to the laser diode according to a preset sequence; 상기 전처리부에서 출력되는 상기 주센서 및 상기 보조 센서의 디지털신호를 각각 평준화하는 전치가산 저장부;A pre-addition storage unit for equalizing the digital signals of the main sensor and the auxiliary sensor output from the preprocessor; 상기 평준화된 주 센서 및 보조 센서의 반사광의 강도를 위상으로 변환하고 상기 보조 센서의 위상정보로부터 상기 주 센서의 주기 위치를 추정하여 상기 주 센서의 위상값을 구하는 마이크로 콘트롤러 시스템; 및A microcontroller system for converting the intensity of the reflected light of the leveled main sensor and the auxiliary sensor into a phase and estimating the periodic position of the main sensor from the phase information of the auxiliary sensor to obtain a phase value of the main sensor; And 상기 마이크로 콘트롤러 시스템으로부터 상기 주 센서의 위상값이 전송됨에 따라 그 위상값을 온도로 복원하여 표시하는 단말기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.And a terminal for restoring and displaying the phase value as the temperature as the phase value of the main sensor is transmitted from the microcontroller system. 제 11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 레이저 다이오드는 1.3㎛ 또는 1.55㎛ 파장의 통신용 반도체 레이저인 멀티모드 레이저 또는 싱글모드 레이저인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The laser diode is an optical fiber fabric interferometer type temperature measuring device, characterized in that the multimode laser or single mode laser which is a semiconductor laser for communication of 1.3㎛ or 1.55㎛ wavelength. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 펄스 발생기로부터 나오는 상기 레이저 다이오드의 주입전류 변조 펄스폭은 200㎱-1500㎱이고, 상기 펄스 발생기로부터 나오는 상기 레이저 다이오드의 주입전류 변조 펄스의 주파수는 1kHz-200kHz인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The injection current modulation pulse width of the laser diode coming out of the pulse generator is 200 Hz-1500 Hz, and the frequency of the injection current modulation pulse of the laser diode coming out of the pulse generator is 1 kHz to 200 kHz. Type temperature measuring device. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 광학수단은 상기 보조 센서의 해상도를 부분적으로 보완하기 위해 초기 입사광의 위상을 이동시켜 상기 보조 센서의 최대감도점을 현재의 동작점으로 설정하도록 하는 광섬유 위상 제어기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.The optical means further comprises an optical fiber phase controller for shifting the phase of the initial incident light to partially compensate for the resolution of the auxiliary sensor to set the maximum sensitivity point of the auxiliary sensor to the current operating point. Interferometer type temperature measuring device with optical fiber fabric. 제 11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 전치가산 저장부는 상기 주센서 및 상기 보조 센서의 디지털신호를 각각 적어도 64회 평준화하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.And the pre-addition storage unit equalizes the digital signals of the main sensor and the auxiliary sensor at least 64 times, respectively.
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