KR100525206B1 - Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating - Google Patents

Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating Download PDF

Info

Publication number
KR100525206B1
KR100525206B1 KR10-2003-0041069A KR20030041069A KR100525206B1 KR 100525206 B1 KR100525206 B1 KR 100525206B1 KR 20030041069 A KR20030041069 A KR 20030041069A KR 100525206 B1 KR100525206 B1 KR 100525206B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
fiber grating
temperature
strain
light
Prior art date
Application number
KR10-2003-0041069A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20050000607A (en
Inventor
정영주
백운출
오승태
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR10-2003-0041069A priority Critical patent/KR100525206B1/en
Publication of KR20050000607A publication Critical patent/KR20050000607A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100525206B1 publication Critical patent/KR100525206B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N2021/217Measuring depolarisation or comparing polarised and depolarised parts of light
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08Optical fibres; light guides
    • G01N2201/0826Fibre array at source, distributing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

본 발명은 광섬유격자와 반응한 이후의 광을 분석하여 광섬유 격자 주변의 온도 및 스트레인을 산출할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로 광섬유격자와, 광섬유격자에 광을 송출하고, 송출된 광의 광섬유 격자에 의한 편광의존 손실량 및 공진파장 이동량을 분석하여 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 온도/스트레인 산출기를 구비한다. 이러한 광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정시스템에 의하면, 단일 광섬유격자를 이용할 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to a temperature and strain measurement system and method using an optical fiber grating that can calculate the temperature and strain around the optical fiber grating after analyzing the light after reacting with the optical fiber grating and transmits light to the optical fiber grating and the optical fiber grating. And a temperature / strain calculator for analyzing the polarization dependent loss and the resonant wavelength shift by the optical fiber grating of the transmitted light to calculate the temperature and strain of the optical fiber grating. The temperature / strain measurement system using the optical fiber grating provides the advantage of using a single optical fiber grating.

Description

광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템 및 방법{Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating}Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating}

본 발명은 광섬유격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유격자와 반응한 이후의 광을 분석하여 광섬유 격자 주변의 온도 및 스트레인을 산출할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature and strain measuring system and method using an optical fiber grating, and more particularly, to a temperature using an optical fiber grating capable of calculating a temperature and strain around an optical fiber grating by analyzing light after reacting with the optical fiber grating. Strain measurement systems and methods.

광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.As the optical fiber grating changes in temperature or strain, the wavelength of the optical signal reflected from the optical fiber grating changes. Therefore, the wavelength change of the light reflected from the optical fiber grating can be measured and used to determine what size of external temperature, strain, pressure, etc., is applied from the amount of change in the wavelength.

그런데, 광섬유격자는 온도 및 스트레인의 두가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유격자가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 반사파장의 변화량만을 측정하여서는 온도 및 스트레인이 각각 얼마씩 변화되었는 지를 알 수없다.However, when two physical quantities of temperature and strain are applied at the same time, it is not known how much the temperature and strain have been changed by measuring only the amount of change in the reflected wavelength because the optical fiber reacts to both physical quantities simultaneously.

이를 해결하기 위한 방안으로서 국내 공개 특허 제 1998-0082465호에는 외경이 다른 두개의 광섬유격자를 직렬상으로 접합한 광섬유격자쌍을 이용하여 온도 및 스트레인을 산출하는 방법이 개시되어 있다.In order to solve this problem, Korean Laid-Open Patent Publication No. 1998-0082465 discloses a method for calculating temperature and strain using a pair of optical fiber grids in which two optical fiber grids having different outer diameters are bonded in series.

그런데, 개시된 온도/스트레인 측정방법은 동일한 모재에 대해 외경이 다르게 광섬유격자 쌍을 제작하여 이용하여야 하기 때문에 제작상의 어려움이 있다.However, the disclosed temperature / strain measuring method has difficulty in manufacturing because it is necessary to manufacture and use a pair of optical fiber grids with different outer diameters for the same base material.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 단일 광섬유격자를 이용하여 온도 및 스트레인을 측정할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and an object thereof is to provide a temperature and strain measurement system and method using an optical fiber grating capable of measuring temperature and strain using a single optical fiber grating.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템은 광섬유격자와; 상기 광섬유격자에 광을 송출하고, 송출된 광의 상기 광섬유 격자에 의한 편광의존 손실량 및 공진파장 이동량을 분석하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 온도/스트레인 산출기;를 구비한다.'In order to achieve the above object, a temperature and strain measurement system using an optical fiber grating according to the present invention comprises: an optical fiber grating; And a temperature / strain calculator configured to output light to the optical fiber grating and analyze the polarization dependent loss amount and the resonance wavelength shift amount of the transmitted light by the optical fiber grating to calculate the temperature and strain of the optical fiber grating. '

바람직하게는 상기 온도/스트레인 산출기는 상기 광섬유격자로부터 반사된 광을 검출할 수 있도록 설치되고, 상기 광섬유격자는 단주기 광섬유격자가 적용된다.Preferably, the temperature / strain calculator is installed to detect light reflected from the optical fiber grating, and the optical fiber grating is applied with a short period optical fiber grating.

또한, 상기 온도/스트레인 산출기는 제어신호에 따라 파장이 가변된 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광의 편광상태를 조정하는 편광조정기와; 상기 편광조정기를 거친 입력광을 상기 광섬유 격자에 전송하고, 상기 광섬유격자에서 반사된 광을 상기 입력광과 분리되게 출력하는 광분배기와; 상기 광원 및 상기 편광조정기를 제어하며, 상기 광섬유격자로부터 반사되어 상기 광분배기를 통해 출력되는 반사광의 공진파장 및 편광의존 손실량을 분석하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 구하는 온도/스트레인 산출부;를 구비한다.The temperature / strain calculator may include: a light source emitting light of which wavelength is changed according to a control signal; A polarization adjuster for adjusting a polarization state of light emitted from the light source; An optical splitter configured to transmit input light passing through the polarization adjuster to the optical fiber grating, and output light reflected from the optical fiber grid to be separated from the input light; A temperature / strain calculator configured to control the light source and the polarization adjuster and obtain a temperature and strain of the optical fiber grating by analyzing resonance wavelengths and polarization dependent loss of reflected light reflected from the optical fiber grating and output through the optical splitter; Equipped.

바람직하게는 상기 광분배기는 써큘레이터가 적용된다.Preferably, the light splitter is a circulator is applied.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법은 설정된 편광생성 패턴에 따라 생성된 광을 광섬유격자에 송출하는 단계와; 상기 광섬유격자로부터 반사된 광을 수신하여 공진파장 및 편광의존손실량을 산출하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 광섬유격자는 단주기 광섬유격자가 적용된다.In addition, the temperature / strain measuring method using the optical fiber grating according to the present invention to achieve the above object comprises the steps of: transmitting the light generated in accordance with the polarization generation pattern is set to the optical fiber grating; And calculating the temperature and strain of the optical fiber grating by receiving the light reflected from the optical fiber grating and calculating the resonance wavelength and the polarization dependent loss amount, wherein the optical fiber grating is applied with a short period optical fiber grating.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법은 설정된 편광생성 패턴에 따라 생성된 광을 상기 광섬유격자에 송출하는 단계와; 상기 광섬유격자를 거쳐 투과된 광을 수신하여 공진파장 및 편광의존손실량을 산출하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 광섬유격자는 장주기 광섬유격자가 적용된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a temperature / strain measuring method using an optical fiber grating, comprising: transmitting light generated according to a set polarization generation pattern to the optical fiber grating; And calculating the temperature and strain of the optical fiber grating by receiving the light transmitted through the optical fiber grating and calculating the resonance wavelength and the polarization dependent loss amount, wherein the optical fiber grating is applied with a long period optical fiber grating.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템 및 방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a temperature and strain measuring system and method using an optical fiber grating according to a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이다.1 is a view schematically showing a temperature and strain measurement system using an optical fiber grating according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 온도 및 스트레인 측정시스템(100)은 광섬유격자(160)와 온도/스트레인 산출기(110)를 구비한다.Referring to the drawings, the temperature and strain measurement system 100 includes an optical fiber grating 160 and a temperature / strain calculator 110.

광섬유격자(160)는 광섬유에 일정 간격으로 격자(161)가 형성되어 있다.The optical fiber grid 160 has a grid 161 formed at a predetermined interval on the optical fiber.

바람직하게는 격자(161)는 광섬유의 일측에 자외선을 일정간격으로 조사하여 형성된 것이 적용된다. 도면에서는 시각적으로 이해를 돕기위해 세로상으로 격자(161)를 도식화하여 표기하였다. Preferably, the grating 161 is applied to one side of the optical fiber formed by irradiating ultraviolet light at a predetermined interval. In the drawings, the grid 161 is illustrated vertically to aid visual understanding.

이러한 광섬유격자(160)는 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 광원(210), 포커싱렌즈(220), 진폭마스크(230)를 이용하여 제조할 수 있다.As shown in FIG. 2, the optical fiber grating 160 may be manufactured using the laser light source 210, the focusing lens 220, and the amplitude mask 230.

즉, 격자를 형성시키고자 하는 광섬유(260)를 홀더(240)에 장착한 다음 자외선을 출사하는 레이저 광원(210)으로부터 광을 출사시키면, 포커싱렌즈(220) 및 설정된 간격으로 광을 선택적으로 투과시킬 수 있도록 형성된 진폭마스크(230)를 거쳐 광섬유(260)에 일정간격으로 자외선 레이저가 조사되고, 광조사 부위가 격자가 된다.That is, when the optical fiber 260 to form a grating is mounted on the holder 240 and then the light is emitted from the laser light source 210 that emits ultraviolet light, the focusing lens 220 and the light at a predetermined interval selectively transmit the light. Ultraviolet laser is irradiated to the optical fiber 260 at a predetermined interval through the amplitude mask 230 formed so as to be made, so that the light irradiation site is a grating.

이러한 방식으로 자외선이 조사된 광섬유(260)는 한쪽 측면으로만 자외선 레이저가 조사되는 기하학적인 비대칭성과 자외선 레이저의 편광상태가 복합적으로작용하여 광섬유(260) 코어 단면에서의 굴절율 변화가 비등방성(anisortopoc) 형태로 이루어지고, 이로 인해 광섬유(260) 내에 복굴절(birefringence)이 발생된다. 이러한 자외선 레이저의 편광 등에 의한 복굴절 발생은 T. Erdogan에 의해 발표된 논문(1994년 journal of the Optical Society of America B의 p2100 내지 p2105)에 상세히 개시되어 있다.The optical fiber 260 irradiated with ultraviolet rays in this manner has a combination of geometric asymmetry in which the ultraviolet laser is irradiated only on one side and the polarization state of the ultraviolet laser act as anisotropy. ), Which causes birefringence in the optical fiber 260. The birefringence generation due to the polarization of the ultraviolet laser or the like is disclosed in detail in a paper published by T. Erdogan (p2100 to p2105 of the 1994 journal of the Optical Society of America B).

이러한 제조과정을 거쳐 생성된 광섬유격자(161)는 편광의존성(Polarization Dependence)이 심하고, 이러한 편광의존성은 소자의 손실요소인 편광의존 손실(Polarization Dependent Loss, PDS)을 유발한다.The optical fiber grating 161 produced through such a manufacturing process has a severe polarization dependency, and this polarization dependence causes polarization dependency loss (PDS), which is a loss factor of the device.

또한, 광섬유(260) 코어 단면에서의 굴절율 비등방성(anisortopoc)을 심화시키기 위해서 광섬유(260)의 코어층에 도핑되는 소재 예를 들면 게르마늄(Ge)의 도핑율을 적절하게 조정한 것을 이용하고, 격자형성을 위한 광조사시간을 굴절율 등방성에 대응되는 포화시간 보다 충분히 짧게 적용하는 것이 바람직하다.In addition, in order to deepen the refractive index anisotropy in the cross section of the optical fiber 260 core, an appropriately adjusted doping ratio of a material, for example, germanium (Ge), which is doped into the core layer of the optical fiber 260 is used. It is preferable to apply the light irradiation time for lattice formation sufficiently shorter than the saturation time corresponding to refractive index isotropy.

바람직하게는 광섬유격자(160)는 단주기 광섬유격자가 적용된다. 단주기 광섬유격자(160)는 격자(161) 간격을 통상 수백나노미터(nm) 정도로 형성한 것을 말하고, 편광의존성이 큰 특징을 갖는다.Preferably, the optical fiber grating 160 is a short period optical fiber grating is applied. The short-period optical fiber grating 160 is formed by forming the interval between the gratings 161 about several hundred nanometers (nm), and has a large polarization dependency characteristic.

이와는 다르게 격자 간격을 수백 마이크로미터 정도로 형성한 장주기 광섬유격자(도 3참조:460)가 적용될 수 있음은 물론이다.Alternatively, a long period optical fiber grating (see FIG. 3: 460) having a lattice spacing of several hundred micrometers may be applied.

본 발명에서는 이러한 광섬유격자(161)의 편광의존성을 이용하여 온도 및 스트레인을 측정한다.In the present invention, temperature and strain are measured using the polarization dependence of the optical fiber grating 161.

따라서, 광섬유격자(160) 제조시 광조사방향에 따라 굴절율의 상이한 정도가 크게 되도록 광섬유(260)에 자외선을 노출시키는 시간을 적절히 조사한 것을 적용한다.Therefore, when the optical fiber grating 160 is manufactured, an appropriate irradiation of the time for exposing ultraviolet rays to the optical fiber 260 is applied so that the degree of difference in refractive index becomes large depending on the light irradiation direction.

온도/스트레인 산출기(110)는 온도/스트레인 산출부(120), 광원(130), 편광조정기(140), 써큘레이터(150)를 구비한다.The temperature / strain calculator 110 includes a temperature / strain calculator 120, a light source 130, a polarization controller 140, and a circulator 150.

광원(130)은 온도/스트레인 산출부(120)의 제어신호에 따라 출사광의 파장을 가변시킬 수 있는 튜너블 레이저 다이오드(Tunable laser diode)가 적용되는 것이 바람직하다.The light source 130 is preferably a tunable laser diode (tunable laser diode) that can vary the wavelength of the emitted light according to the control signal of the temperature / strain calculation unit 120.

편광조정기(140)는 온도/스트레인 산출부(120)의 제어신호에 따라 광원(130)에서 출사되는 광의 편광상태를 조정시켜 써큘레이터(150)로 출력한다.The polarization controller 140 adjusts the polarization state of the light emitted from the light source 130 according to the control signal of the temperature / strain calculation unit 120 and outputs it to the circulator 150.

여기서 편광상태의 조정은 편광의존손실(PDL)의 측정방법에 따라 적절하게 적용된다. 알려진 편광의존손실 측정방법으로서는 전상태 스캐닝(all state scanning) 방법, 뮬러행렬(Mueller matrix)방법, 존스행렬(Jones matrix)방법 등이 있다.Here, the adjustment of the polarization state is appropriately applied according to the method of measuring the polarization dependent loss (PDL). Known polarization dependent loss measurement methods include an all state scanning method, a Mueller matrix method, a Jones matrix method, and the like.

편광의존손실 측정에 대해 전상태 스캐닝(all state scanning) 방법을 적용하는 경우 광원(130)에서 출사된 광을 전상태 편광상태로 만들수 있는 편광조정기를 적용하면 되고, 이러한 편광조정기를 통상 편광스크램블러라고 한다.When the all state scanning method is applied to the measurement of the polarization dependence loss, a polarization adjuster capable of making the light emitted from the light source 130 into the all-state polarization state may be applied. Such a polarization adjuster is generally referred to as a polarization scrambler. do.

한편, 뮬러행렬(Mueller matrix) 방법 및 존스행렬(Jones matrix)방법을 적용하는 경우 상호 다른 적어도 3가지 이상의 입력 편광상태를 생성할 수 있는 편광조정기를 적용하면 된다.Meanwhile, when the Mueller matrix method and the Jones matrix method are applied, a polarization regulator capable of generating at least three different input polarization states may be applied.

여기서 상호 다른 입력편광상태는 편광방향을 리니어 호리전탈(linear horizontal), 리니어 버티컬(linear vertical), 리니어 다이오고날(linear diagonal), 라이트-핸드 서큘러(righr-hand circular) 등과 같이 상호 다르게 형성하는 것을 말한다.Here, the different input polarization states form polarization directions differently such as linear horizontal, linear vertical, linear diagonal, and rigid-hand circular. Say that.

편광조정기(140)는 하프 플레이트, 쿼터플레이트 등을 조합하여 원하는 편광상태를 생성할 수 있도록 구성되며,이러한 편광조정기(140)의 구조는 다양하게 알려져 있고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The polarization controller 140 is configured to generate a desired polarization state by combining a half plate, a quarter plate, and the like. The structure of the polarization controller 140 is variously known, and a detailed description thereof will be omitted.

써큘레이터(150)는 광분배기로서 적용된 것으로 광섬유격자(161)로 입사된 광에 대해 광섬유격자(160)로부터 반사된 광의 경로를 광입사경로와 다른 경로로 출력할 수 있도록 적용된 것이다.The circulator 150 is applied as an optical splitter so that the path of the light reflected from the optical fiber grating 160 with respect to the light incident on the optical fiber grating 161 may be output by a path different from the light incident path.

써큘레이터(150) 대신 광섬유커플러(미도시)를 적용할 수 있음은 물론이다.Of course, the optical fiber coupler (not shown) may be applied instead of the circulator 150.

온도/스트레인 산출부(120)는 광원(130) 및 편광조정기(140)를 설정된 파장 및 편광상태의 광을 생성하도록 설정된 제어패턴에 따라 제어하고, 써큘레이터(150)를 통해 광섬유격자(160)로부터 반사된 광을 수신받아 공진파장 및 PDL값을 산출하며, 산출된 값을 이용하여 광섬유격자(160) 또는 그 주변의 온도 및 스트레인을 산출한다.The temperature / strain calculation unit 120 controls the light source 130 and the polarization adjuster 140 according to a control pattern set to generate light of a set wavelength and polarization state, and the optical fiber grid 160 through the circulator 150. Receiving the light reflected from the to calculate the resonant wavelength and PDL value, using the calculated value to calculate the temperature and strain of the optical fiber grid 160 or its surroundings.

온도/스트레인 산출부(120)은 수광부(미도시) 및 수광부에서 출력되는 신호를 처리하는 제어부(미도시) 및 제어부에 사용자 입력신호를 출력하는 입력부(미도시), 제어부에 의해 이용되는 기억장치(미도시)를 구비하여 구축될 수 있다.The temperature / strain calculation unit 120 includes a light receiving unit (not shown), a control unit (not shown) for processing signals output from the light receiving unit, an input unit (not shown) for outputting user input signals to the control unit, and a storage device used by the control unit. (Not shown) can be provided.

한편, 장주기 광섬유격자가 적용되는 경우 써큘레이터(150)는 생략될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 광원(430)으로부터 편광조정기(440)를 거쳐 출사된 광에 대해 장주기 광섬유격자(460)를 투과한 광으로부터 온도/스트레인을 산출할 수 있도록 온도/스트레인 산출부(420)가 구축되면 된다.Meanwhile, when the long period optical fiber grating is applied, the circulator 150 may be omitted, and as shown in FIG. 3, the long period optical fiber grating 460 for the light emitted from the light source 430 through the polarization regulator 440. What is necessary is just to construct the temperature / strain calculation part 420 so that temperature / strain may be calculated from the light which permeate | transmitted.

단주기 광섬유격자(160)로부터 반사된 광을 이용하는 방법과 장주기 광섬유격자(460)로부터 투과된 광을 이용하는 방법은 반사광과 투과광의 상관관계를 고려하면 온도/스트레인을 산출하는 원리가 동일하고, 이하에서는 단주기 광섬유격자(160)를 이용한 경우에 대해 설명한다.The method of using the light reflected from the short period optical fiber grating 160 and the method of using the light transmitted from the long period optical fiber grating 460 have the same principle of calculating the temperature / strain in consideration of the correlation between the reflected light and the transmitted light. In the following, the case of using the short period optical fiber grating 160 will be described.

먼저, 두개의 측정 대상 물리량인 온도(T)와 스트레인(ε)의 영향을 독립적으로 구별하여 산출하기 위해서는 두개의 독립변수가 요구된다. 이러한 관계를 표현하면, 이하의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.First, two independent variables are required in order to separately distinguish and calculate the influences of the two measurement target physical quantities, temperature (T) and strain (ε). When such a relationship is expressed, it can be expressed as Equation 1 below.

여기서, ΔT 및 Δε은 온도와 스트레인의 변화치이고, Δx1과 Δx2는 적용하고자 하는 두개의 독립변수이며, KiT 및 Kiε(i=1,2)은 독립변수(xi) 각각에 대한 온도 및 스트레인의 감응과 관련된 관계 상수이다.Where ΔT and Δε are changes in temperature and strain, Δx 1 and Δx 2 are two independent variables to be applied, and K i T and K i ε (i = 1,2) are independent variables (x i ), respectively Is a relational constant related to temperature and strain response to.

따라서, 독립변수 x1 및 x2에 대해서 광섬유격자(160)의 공진파장(λB)과, 편광의존손실(PDL)을 적용하고, 이에 대응되는 관계상수를 구하여 적용하면 이하의 수학식 2로부터 온도 및 스트레인의 변화량을 구할 수 있다.Therefore, if the resonant wavelength λB and the polarization dependence loss PDL of the optical fiber grating 160 are applied to the independent variables x 1 and x 2 , and the corresponding relation constant is obtained, the temperature is obtained from Equation 2 below. And the amount of change in strain can be obtained.

이러한 온도/스트레인 산출방법의 적합성 여부를 판단하기 위해 실시한 실험결과를 도 4 내지 도 8을 참조하여 이하에서 설명한다.Experimental results performed to determine the suitability of the temperature / strain calculation method will be described below with reference to FIGS. 4 to 8.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같은 실험장치에 광섬유격자(160)를 접속시킨 다음 온도와 스트레인 가변에 따른 공진파장 및 PDL변화를 뮬러행렬방식에 의해 측정하였다. 실험장치는 광원(330), 편광조정기(340), 측정기(320), 홀더(370), 오븐(310) 및 컴퓨터(350)를 적용하였다.First, the optical fiber grid 160 is connected to the experimental apparatus as shown in FIG. 4, and then the resonance wavelength and PDL change according to the temperature and strain variation were measured by the Muller matrix method. The experimental apparatus was applied to the light source 330, the polarization controller 340, the measuring device 320, the holder 370, the oven 310 and the computer 350.

적용된 광섬유격자(160)에 대해서는 광섬유에 길이 10nm로 1060nm 주기의 진폭마스크를 사용하여 244nm의 중심파장을 갖는 아르곤-이온 레이저 광을 광섬유에 1 .2분 정도 조사한 것을 적용하였다.As for the applied optical fiber grating 160, an argon-ion laser light having a center wavelength of 244 nm was applied to the optical fiber for about 1 minute using an amplitude mask having a 1060 nm period of 10 nm for the optical fiber.

홀더(370)는 광섬유격자(160)에 스트레인을 가할 수 있도록 이동시킬 수 있도록 설치되어 있다. 즉 스트레인 인가시 제1홀더(270a)를 화살표 방향으로 설정된 거리만큼 이동시키면 된다.The holder 370 is installed to move the strain to the optical fiber grid 160. That is, when applying strain, the first holder 270a may be moved by a distance set in the direction of the arrow.

측정기(320)는 편광의존손실 및 파워를 측정할 수 있는 장치가 적용되면 되고, 일 예로서 엑스포(EXFO)사의 PDL/OL 미터, 도남시스템 PDL미터 등을 이용할 수 있다.The measuring unit 320 may be a device capable of measuring the polarization dependent loss and the power, and as an example, an Expo PDL / OL meter, a Donam system PDL meter, and the like may be used.

컴퓨터(350)는 설정된 광생성 패턴에 따라 소정의 파장 및 편광상태의 광이 광섬유격자(160)에 인가되도록 광원(330) 및 편광조정기(340)를 제어하고, 측정기(320)를 통해 검출된 공진파장 및 PDL값을 이용하여 온도/스트레인을 산출하여 기록 및 디스플레이하도록 구축되었다.The computer 350 controls the light source 330 and the polarization regulator 340 so that light having a predetermined wavelength and polarization state is applied to the optical fiber grid 160 according to the set light generation pattern, and is detected through the measuring unit 320. It is constructed to calculate, record and display temperature / strain using resonant wavelength and PDL value.

여기서 측정기(320) 및 컴퓨터(350)는 온도/스트레인 산출부(120)(420)에 대응되는 역할을 한다.Here, the measuring unit 320 and the computer 350 play a role corresponding to the temperature / strain calculation unit 120 and 420.

이러한 실험장치를 이용하여 온도 및 스트레인을 인가하지 않은 상온 상태에서의 실험결과를 나타낸 도 5를 참조하면, 피크깊이(peak depth)가 31dB이고, 최대 PDL은 1537.2nm의 파장영역에서 약 8dB정도임을 보여준다.Referring to FIG. 5, which shows an experimental result at room temperature without applying temperature and strain using the experimental apparatus, the peak depth is 31 dB and the maximum PDL is about 8 dB in the wavelength region of 1537.2 nm. Shows.

앞서의 광섬유격자(160)에 스트레인 증분을 0.063%ε로 적용하여 스트레인을 0에서부터 0.438%ε까지 강제적으로 가변시켰을 때의 투과스펙트럼의 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 공진파장은 가해진 스트레인의 증분률에 대해 선형적으로 이동되고 피크 깊이의 변화는 무시할 수 있을 정도로 미세함을 알 수 있다. 오븐(310)의 온도를 가변시켰을 때도 스펙트럼의 변화는 스트레인 가변적용시와 유사하게 선형성을 제공하였다. The result of the transmission spectrum when the strain is forcibly varied from 0 to 0.438% ε by applying a strain increment of 0.063% ε to the optical fiber grating 160 is shown in FIG. 6. As can be seen from FIG. 6, the resonant wavelength is linearly shifted with respect to the increase rate of the applied strain, and the change in the peak depth is negligible. Even when the temperature of the oven 310 was varied, the change in spectrum provided a linearity similar to that of applying the strain variable.

이러한 결과는 파장변화치만으로는 온도와 스트레인의 변화를 각각 독립적으로 산출할 수 없음을 알 수 있다.These results show that the wavelength change alone cannot calculate the change of temperature and strain independently.

한편, 온도를 상온(22도)로 유지시킨 상태에서 스트레인을 가변시키면서 공진파장의 변화와 최대 PDL의 변화를 측정한 결과가 도 7에 도시되어 있다. 참고적으로 사각마크로 연결된 선은 최대 PDL값이고, 원형마크로 연결된 선은 공진파장값이다.On the other hand, the result of measuring the change in the resonance wavelength and the change in the maximum PDL while varying the strain while keeping the temperature at room temperature (22 degrees) is shown in FIG. For reference, the line connected with the square mark is the maximum PDL value, and the line connected with the circular mark is the resonance wavelength value.

도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 스트레인의 증가에 따라 격자의 주기가 길어지고, 그 결과 공진파장이 점진적으로 증가됨을 보여준다. 또한 스트레인의 증가에 따라 최대 PDL값도 증가하는데 이는 광섬유격자의 코어층에서의 스트레인에 대한 비균일한 분포로부터 야기됨을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 7, the period of the lattice becomes longer as the strain is increased, and as a result, the resonance wavelength is gradually increased. In addition, as the strain increases, the maximum PDL value also increases, which can be seen that the non-uniform distribution of strain in the core layer of the optical fiber grating.

결과적으로 스트레인에 따라 광섬유격자의 복굴절 및 최대 PDL이 증가한다.As a result, the birefringence and the maximum PDL of the optical fiber grating increase with strain.

한편, 광섬유격자(160)에 온도를 30도부터 70도까지 가변시켰을 때의 최대 PDL값과 공진파장을 측정한 결과가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 통해 알수 있는 바와 같이 온도의 변화에 대해서도 공진파장 및 최대 PDL값이 선형적으로 증가됨을 알 수 있다.On the other hand, the results of measuring the maximum PDL value and the resonance wavelength when the temperature is varied from 30 degrees to 70 degrees in the optical fiber grid 160 is shown in FIG. As can be seen from FIG. 8, it can be seen that the resonance wavelength and the maximum PDL value increase linearly with respect to the change in temperature.

따라서, 이러한 실험결과로부터 알고 있는 온도 및 스트레인을 광섬유격자(160)에 인가하고, 알고 있는 온도 및 스트레인 값과, 계측된 최대PDL 값 및 공진파장으로부터 관계상수를 구하고, 구한 관계상수를 이용하여 광섬유격자로부터 반사된 광을 분석하여 공진파장 및 최대 PDL값을 수학식 2에 적용하면 온도와 인장도를 산출할 수 있다.Therefore, the known temperature and strain are applied to the optical fiber grating 160 from the experimental results, and the relation constant is obtained from the known temperature and strain value, the measured maximum PDL value and the resonant wavelength, and the optical fiber is obtained using the obtained relation constant. By analyzing the light reflected from the grating and applying the resonance wavelength and the maximum PDL value to Equation 2, the temperature and the degree of tension can be calculated.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템 및 방법에 의하면 단일 광섬유격자를 이용할 수 있는 장점을 제공한다.As described so far, the temperature / strain measurement system and method using the optical fiber grating according to the present invention provides the advantage of using a single optical fiber grating.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단주기 광섬유격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고,1 is a view schematically showing a temperature and strain measurement system using a short-period optical fiber grating according to an embodiment of the present invention,

도 2는 도 1에 적용된 광섬유 격자를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,2 is a view for explaining a process of manufacturing the optical fiber grating applied to FIG.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장주기 광섬유격자를 이용한 온도 및 스트레인 측정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고,3 is a view schematically showing a temperature and strain measurement system using a long period optical fiber grating according to another embodiment of the present invention,

도 4는 적용대상 광섬유격자에 대해 온도 및 스트레인을 산출하기 위한 계수값을 구하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,FIG. 4 is a diagram for explaining a process of obtaining coefficient values for calculating temperature and strain for an applied optical fiber grid;

도 5는 도 4의 실험장치를 이용하여 광섬유격자에 대해 측정된 파장별 투과스펙스럼 및 편광의존손실을 나타내보인 그래프이고,5 is a graph showing the transmission spectrum and polarization dependent loss of each wavelength measured for the optical fiber grating using the experimental apparatus of FIG.

도 6은 도 4의 실험장치를 이용하여 광섬유격자에 스트레인을 점진적으로 증가시키면서 측정한 파장별 투과율에 대한 그래프이고,FIG. 6 is a graph showing transmittance for each wavelength measured while gradually increasing strain on an optical fiber grid using the experimental apparatus of FIG. 4.

도 7은 스트레인의 가변에 따른 공진파장 이동 및 최대 편광의존손실율의 변화를 보여주는 그래프이고,7 is a graph showing the change in resonance wavelength shift and maximum polarization dependent loss rate according to the variation of strain,

도 8은 온도 가변에 따른 공진파장 이동 및 최대 편광의존 손실율의 변화를 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing a change in resonant wavelength shift and maximum polarization dependent loss rate according to temperature variation.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

110: 온도/스트레인 산출기 120: 온도/스트레인 산출부110: temperature / strain calculator 120: temperature / strain calculator

130: 광원 140: 편광조정기130: light source 140: polarization regulator

150: 써큘레이터 160: 광섬유격자 150: circulator 160: optical fiber grid

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 광섬유격자와;An optical fiber grating; 상기 광섬유격자에 광을 송출하고, 송출된 광의 상기 광섬유 격자에 의한 편광의존 손실량 및 공진파장 이동량을 분석하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 온도/스트레인 산출기;를 구비하고,And a temperature / strain calculator configured to output light to the optical fiber grating and analyze the polarization dependent loss amount and the resonance wavelength shift amount of the transmitted light by the optical fiber grating to calculate the temperature and strain of the optical fiber grating. 상기 광섬유격자는 단주기 광섬유격자인 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정시스템.The optical fiber grating is a short cycle optical fiber grating temperature / strain measurement system using an optical fiber grating. 제3항에 있어서, 상기 온도/스트레인 산출기는 The method of claim 3, wherein the temperature / strain calculator 제어신호에 따라 파장이 가변된 광을 출사하는 광원과;A light source for emitting light whose wavelength is changed according to a control signal; 상기 광원에서 출사되는 광의 편광상태를 조정하는 편광조정기와;A polarization adjuster for adjusting a polarization state of light emitted from the light source; 상기 편광조정기를 거친 입력광을 상기 광섬유 격자에 전송하고, 상기 광섬유격자에서 반사된 광을 상기 입력광과 분리되게 출력하는 광분배기와;An optical splitter configured to transmit input light passing through the polarization adjuster to the optical fiber grating, and output light reflected from the optical fiber grid to be separated from the input light; 상기 광원 및 상기 편광조정기를 제어하며, 상기 광섬유격자로부터 반사되어 상기 광분배기를 통해 출력되는 반사광의 공진파장 및 편광의존 손실량을 분석하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 구하는 온도/스트레인 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정시스템.A temperature / strain calculator configured to control the light source and the polarization adjuster and obtain a temperature and strain of the optical fiber grating by analyzing resonance wavelengths and polarization dependent loss of reflected light reflected from the optical fiber grating and output through the optical splitter; Temperature / strain measurement system using an optical fiber grating characterized in that it comprises. 제4항에 있어서, 상기 광분배기는 써큘레이터인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정시스템.5. The temperature / strain measuring system according to claim 4, wherein the optical splitter is a circulator. 광섬유격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법에 있어서,In the temperature / strain measurement method using an optical fiber grating, 가. 설정된 편광생성 패턴에 따라 생성된 광을 상기 광섬유격자에 송출하는 단계와;end. Transmitting the light generated according to the set polarization pattern to the optical fiber grid; 나. 상기 광섬유격자로부터 반사된 광을 수신하여 공진파장 및 편광의존손실량을 산출하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법.I. And calculating the temperature and strain of the optical fiber grating by receiving the light reflected from the optical fiber grating and calculating the resonance wavelength and the polarization-dependent loss amount of the optical fiber grating. 제6항에 있어서, 상기 광섬유격자는 단주기 광섬유격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법.7. The method of claim 6, wherein the optical fiber grating is a short period optical fiber grating. 광섬유격자를 이용한 온도/인장도 측정방법에 있어서,In the temperature / tensileness measurement method using an optical fiber grating, 가. 설정된 편광생성 패턴에 따라 생성된 광을 상기 광섬유격자에 송출하는 단계와;end. Transmitting the light generated according to the set polarization pattern to the optical fiber grid; 나. 상기 광섬유격자를 거쳐 투과된 광을 수신하여 공진파장 및 편광의존손실량을 산출하여 상기 광섬유격자의 온도 및 스트레인을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법.I. And calculating the resonance wavelength and the polarization dependent loss amount by receiving the light transmitted through the optical fiber grid to calculate the temperature and strain of the optical fiber grid. 제8항에 있어서, 상기 광섬유격자는 장주기 광섬유격자인 것을 특징으로하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정방법.10. The method of claim 8, wherein the optical fiber grating is a long period optical fiber grating.
KR10-2003-0041069A 2003-06-24 2003-06-24 Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating KR100525206B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0041069A KR100525206B1 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0041069A KR100525206B1 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050000607A KR20050000607A (en) 2005-01-06
KR100525206B1 true KR100525206B1 (en) 2005-10-28

Family

ID=37216534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-0041069A KR100525206B1 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100525206B1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100810729B1 (en) * 2006-08-16 2008-03-07 오리온광통신(주) liquid temperature measuring apparatus
KR100810723B1 (en) * 2006-08-16 2008-03-07 오리온광통신(주) temperature measuring apparatus of bus bar for high voltage
KR101297286B1 (en) * 2010-06-29 2013-08-20 씨티아이코리아 주식회사 Device for measuring temperature using optical fiber
KR102186972B1 (en) * 2019-08-26 2020-12-04 한국전력공사 Sensor for simultaneous measurement of temperature and strain comprising long period fiber grating inscribed on polarization maintaining photonic crystal fiber and method for simultaneously measuring temperature and strain using the same
CN116182730B (en) * 2023-04-14 2023-07-18 交通运输部公路科学研究所 Bridge deformation monitoring system and method based on fiber grating array sensing

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050000607A (en) 2005-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5038428B2 (en) Optical fiber device for measuring parameters of interest
Werneck et al. A guide to fiber Bragg grating sensors
US7359597B1 (en) Birefringence control in planar optical waveguides
JPS62500052A (en) How to form a grating in an optical fiber
US5956442A (en) Bragg reflection gratings in optical fibres
Echevarria et al. Uniform fiber Bragg grating first-and second-order diffraction wavelength experimental characterization for strain-temperature discrimination
JPH07140497A (en) Method for selective change of refractive index of optical transmission body and optical transmission device with fluctuating refractive index
JPH067049B2 (en) Optical fiber strainmeter for dispersive and spaced analysis
CA2340913C (en) Apparatus for manufacturing long-period fiber gratings and apparatus for manufacturing two-band long-period fiber gratings using the same
Tahir et al. Fabrication of fiber grating by phase mask and its sensing application
KR100525206B1 (en) Apparatus and method of measuring temperature and strain using a single Fiber Bragg Grating
US5574810A (en) Incubated Bragg gratings in waveguides
Harhira et al. Long-period fiber gratings fabricated with a CO2 laser beam and phase mask
Sivanesan et al. Simultaneous measurement of temperature and strain using a single Bragg grating
Chaubey et al. Radiation and taper tuning of Long Period Grating for high sensitivity strain measurement
CN108445581A (en) Generate the method and its production method of wide spectrum low noise antiradar reflectivity fiber grating
US20210318488A1 (en) Phase-shifted fiber bragg grating sensor and method for producing same
Mizunami et al. Wavelength tuning of long-period fiber gratings by fabrication using a tilted amplitude mask
Zhang et al. Chirped Bragg grating waveguides directly written inside fused silica glass with an externally modulated ultrashort fiber laser
Huang et al. Line-by-Line inscription of phase-shifted fiber Bragg gratings with femtosecond laser
Srivastava et al. Experimental and theoretical investigation of phase shifted fiber Bragg grating for temperature measurement
CN110346863A (en) A method of FBG wavelength is controlled based on bigrating structures
Wang et al. Mode field profile and polarization dependence of long period fiber gratings written by CO2 laser
Lather et al. Investigate The Relation B/W Refractive Index and BRAGG Wavelength In Fibre BRAGG Grating
Jha et al. Study On Fiber Gratings And Its Characterization.

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121005

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131127

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee