KR100563628B1 - 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력용 전류측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패러데이효과를 가진 자성 가넷(Garnet) 단결정을 사용해서 전력 발전계통으로부터 배전계통에 흐르는 대전류 및 전기철도의 전차선에 흐르는 대전류는 물론 저전류를 정확하게 계측할 수 있는 광자계 센서에 관한 것으로서, 측정될 자장 내에 위치되어 상기 자장의 강도를 출력광의 강도로서 감지하는 광자계센서에 있어서, 상기 광자계센서에 입력되는 광을 집광하는 제1 렌즈와; 상기 제1 렌즈로부터 입력되는 광의 진행방향을 바꾸어주는 프리즘과; 상기 프리즘으로부터 입력되는 광을 편광시키되 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된 편광자와; 상기 편광자로부터 입력되는 편광을 상기 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시켜 출력하는 자기광학소자와; 상기 자기광학소자로부터의 출력광을 편광시키는 검광자와; 상기 검광자로부터 입력되는 광을 광자계측정모듈로 집광하는 제2 렌즈를 포함함으로써 자장측정감도가 우수하여 저전류를 측정하기에 적합하고, 별도의 고가의 광학 바이어스 소자를 필요로 하지 않는 구조로 제작되어 제작비용이 종래보다 훨씬 저렴한 장점이 있다.

광자계센서, 자기광학소자, 광학 바이어스 소자

Description

광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치{Optical magnetic field sensor and apparatus for measuring optical magnetic field}

도 1 은 종래 광자계센서의 구성블록도이다.

도 2 는 종래 또 다른 광자계센서의 구성블록도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 광자계센서의 개략적인 전체 구성블록도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5 는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.

도 6 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 자장- 패러데이 회전각에 관한 그래프이다.

도 7 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.

도 8 은 본 발명에 따른 광자계측정장치에 관한 것이다.

도 9 는 본 발명에 따른 광자계측정장치의 온도변화에 따른 측정정확도의 의존성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 전력용 전류측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패러데이효과를 가진 자성 가넷(Garnet) 단결정을 사용해서 전력 발전계통으로부터 배전계통에 흐르는 대전류 및 전기철도의 전차선에 흐르는 대전류는 물론 저전류를 정밀하게 감지하고 계측할 수 있는 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치에 관한 것이다.

종래 운용중인 전력용 전류측정에 사용되는 계기용 변성기는 철심의 전자유도를 이용하는 것으로 구조가 견고하고 신뢰성, 주파수의 특성도 양호한 편이나 전력수요가 증가함에 따라 점차 대형화 되어가는 문제점이 있다. 또한, 철심과 권선형태의 구조물로 교류전류를 변류하여 계측하기 때문에 먼지나 소금기 등에 의한 오염을 고려 거대한 부싱애관이 필요하게 되어 절연비용이 커지고, 고장시 대전류에 의해 철심이 포화되는 현상이 발생하며 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기현상에 기인한 뇌써지 등의 정전유도에 의해 측정시 영향을 받는 문제점이 있었다.

최근에 상기와 같은 문제점을 해결하고자 광자계센서와 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치가 제안되고 있다. 상기 광자계센서는 측정될 자장내에 설치되어 전류가 흐르는 도전체 주위에 발생하는 자계강도를 광을 사용해서 감지하는 장치이다.

도 1 은 종래 광자계센서의 구성블록도이다. 도시된 바와 같이 종래 광자계센서(100)는 광자계센서 본체(110) 소정 부위에 장착된 제 1, 제 2 광커넥터(111, 112)와 제 1, 제 2 광커넥터(111, 112)에 삽입고정되어 광을 집광하는 제 1, 제 2 렌즈(113, 114)와 상기 제 1 렌즈(113)로부터 광을 입력받아 편광시키는 편광자 (115)와 상기 편광자(115)로부터의 편광을 소정 각도 회전시키는 광학 바이어스 소자(116)와 상기 광학 바이어스 소자(116)로부터 입력되는 편광을 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시키는 자기광학소자(117)와 상기 자기광학소자(117)로부터 출력되는 출력광을 편광시키는 검광자(118)를 포함한다.

상기 자기광학소자(117)는 패러데이효과를 가진 자성 가넷(Garnet) 단결정을 사용해서 만들어진 소자이다. 패러데이효과는 자기광학소자에 자기장을 걸고 평면편광된 빛을 자기장 방향으로 입사시키면 상기 자기광학소자을 통과하여 나오는 빛의 편광 평면이 통과한 거리에 비례하여 회전하는 것을 의미한다. 즉, 회전된 각도를

라 하고 자기장의 세기를 B라 하면

=VB의 관계가 있다. 이때 비례상수 V는 베르데상수라 한다. 따라서 자기광학소자의 패러데이효과는 상기 베르데상수와 관련된다.

그런데 종래 광자계센서에 사용되는 자기광학소자는 비스무트 실리콘 옥사이드(BSO)인데 베르데상수가 적어 저전류 측정이 어려운 단점이 있었다. 또한 광학바이어스 소자가 온도 영향을 받기 때문에 광학바이어스 점이 드리프트되어 교류자계 측정시 완전한 교류 파형이 아닌 왜곡된 교류 파형이 출력되어 측정감도가 불량한 단점이 있었다.

도 2 는 종래 또 다른 광자계센서의 구성블록도이다. 여기서, 도 2 와 대응되는 구성은 동일한 도면부호로 표시된다.

상기 광자계센서는 편광자(115)에 부착된

파장판(116)이 광학 바이어스 소자로 사용되고 검광자(118)에 부착된 자기광학소자(117)로 베르데상수가 큰 RIG(Rare earth Iron Garnet)가 사용되었다. 따라서 상기 광자계센서는 저전류측정의 어려움을 보완하였다.

그러나 상기 광자계센서에서도 광학 바이어스 소자로 사용되는

파장판 (116)이 광의 파장과 온도의 영향을 받기 때문에 상기 광자계센서 역시 온도 변화 및 파장 변화에 따라 광학 바이어스 점이 드리프트되어 교류자계 측정시 완전한 교류 파형이 아닌 왜곡된 교류 파형이 출력되어 측정감도가 불량한 단점이 있었다.

또한, 종래 광자게센서에 사용되는 광학 바이어스 소자가 고가이어서 광자계센서를 제작시 비용상의 부담이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 패러데이 효과가 큰 자성 가넷(Garnet) 단결정으로 만들어져 전력 발전계통으로부터 배전계통에 흐르는 대전류 및 전기철도의 전차선에 흐르는 대전류는 물론 저전류를 정확하게 감지 및 계측할 수 있는 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

부가적으로 본 발명은 별도의 고가의 광학 바이어스 소자를 필요로 하지 않는 구조로 제작되어 제작비용이 보다 저렴한 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광자계센서의 일 양상에 따르면, 측정될 자장 내에 위치되어 상기 자장의 강도를 출력광의 강도로서 감지하는 광자계센서에 있어서, 상기 광자계센서에 입력되는 광을 집광하는 제1 렌즈와;

상기 제1 렌즈로부터 입력되는 광의 진행방향을 바꾸어주는 프리즘과;

상기 프리즘으로부터 입력되는 광을 편광시키되 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된 편광자와;

상기 편광자로부터 입력되는 편광을 상기 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시켜 출력하는 자기광학소자와;

상기 자기광학소자로부터의 출력광을 편광시키는 검광자와;

상기 검광자로부터 입력되는 광을 광자계측정모듈로 집광하는 제2 렌즈;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기본적인 양상은 별도의 광학 바이어스 소자를 사용하지 않고 편광자와 검광자의 편광방향을 다르게 설치함으로써 광학 바이어스 소자에 의한 측정불량을 없애 보다 정확한 자계 감지 및 측정이 가능하도록 하는 것이다.

이와 같은 구성을 갖는 광자계센서는 고가의 광학 바이어스 소자를 사용하지 않으므로 종래보다 훨씬 경제적인 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명에 따른 광자계센서의 개략적인 전체 구성블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광자계센서(10)는 제 1, 제 2 광커넥터 (11, 12)와 제 1, 제 2 렌즈(13, 14)와 프리즘(15)과 편광자(16)와 자기광학소자 (17)와 검광자(18)를 포함한다.

제 1, 제 2 광커넥터(11, 12)는 FC 타입의 BNC커넥터를 사용하며 광자계센서 몸체(1) 소정 부위에 장착되어 입력광파이버(미도시)와 출력광파이버(미도시)를 접속한다.

제 1, 제 2 렌즈(13, 14)는 마이크로렌즈(microlens)를 사용하며 제 1 렌즈 (13)는 편광자(16)로 입사하는 광을, 제 2 렌즈(12)는 상기 검광자(18)로부터 출력되는 광을 집광한다.

프리즘(15)은 상기 제 1 렌즈(13)로부터 입력되는 광의 진행방향을 편광자 (16)로 바꾸어주는 것으로서, 90도 프리즘을 사용한다.

편광자(16)는 상기 프리즘(15)으로부터 입력되는 광을 편광시키는 것으로서 폴라라이저 빔 스플리터(PBS)를 사용한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 편광자(16)는 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된다. 여기서 상기 편광자(16)는 검광자와 편광방향을 45°만큼 기울어지도록 설치하는 이유는 자기광학소자에서 편광면의 변화량에 대해 선형적 출력특성을 가지는 각이 45°부근이기 때문이다. 이러한 자기광학소자의 특성때문에 종래기술에서는 광학바이어스 소자를 사용하였지만 본 발명에서는 상기 편광자(16)는 검광자의 배열자체를 45°로 배치함으로서 종래와 똑같은 효과를 얻을 수 있다.

자기광학소자(17)는 상기 편광자(16)로부터 입력되는 편광면을 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시키는 것이다. 바람직한 실시예에서 상기 자기광학소자(17)는 저전류에 의한 유도되는 자장의 크기를 비교적 정밀하게 감지할 수 있는 자성 가넷 단결정으로 만들어진 것을 사용한다.

일반적으로 우수한 특성을 지닌 자기광학소자(17)는 온도에 따른 자장측정감도의 변화가 적어야, 즉 온도특성이 좋아야 한다. 또한 패러데이효과가 클수록 저전류에 의한 유도 자장의 세기를 정밀히 계측할 수 있다.

Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정은 큰 패러데이효과를 가지며, 자기광학소자용으로 사용되면 자장측정장치의 감도를 개선할 수 있다.

본 발명에서는 본원 출원인에 의해 발명되어 대한민국 특허출원번호 제 2002-76264 호로 출원된 일반식이 Bi_aPb_bY_cGd_3-(a+b+c)Pt_d Fe_5-dO₁₂으로 표현되고 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤1.0, 0.3≤c≤1.0, 0≤d≤1.0 인 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정을 사용하였다.

상기 조성에서 Bi³⁺는 가넷 결정내 12면체 부격자 자리에 치환되어 패러데이효과를 증대시키는 역할을 한다. 지금까지 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정의 온도 특성은 좋지 않았지만 Gd³⁺이온을 첨가함으로서 온도특성이 개선되고, 단결정 성장 공정상 결정내로 치환되는 Pb와 Pt 이온종은 적당히 치환량을 조절하면 자기광학적 혹은 광학적 특성의 개선에 도움이 될 수 있다. 상기 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정의 성장방법은 선출원에 기재되어 있는바 자세한 설명 은 생략하기로 한다.

검광자(18)는 출력광을 편광시키기 위한 것으로서 폴라라이저 빔 스플리터 (PBS)을 사용한다.

이하, 상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도 특성 및 저전류에 대한 입출력 특성을 도시된 도면을 참조하여 설명한다.

도 4 는 본 발명에 따른 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4 는 입력전류를 0 A ∼ 50 A까지 변화시키며 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 것으로서 본 발명에 따른 광자계센서는 저전류에서도 양호한 출력이 얻어짐을 알 수 있다. 또한, 입력전류에 대한 출력전류가 선형적인 특성을 보임을 알 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 60°∼-40°까지 한 주기동안 입력전류에 대한 광자계센서의 출력변화는 ±1% 이내이다. 이는 본 발명에 따른 광자계센서가 낮은 온도의존도를 갖으며 우수한 자장측정감도특성을 가짐을 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 광자계센서에 사용되는 자기광학소자의 특성을 도시된 도면을 참조하여 설명한다.

도 6 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 자장- 패러데이 회전각에 관한 그래프이다. 도시된 바와 같이 자장에 대한 패러데이 회전각이 자장 1KOe(포화자장)까지 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 이와 같은 특성에 따라 본 발명에 따른 자기광학소자는 수 A ∼ 10000A까지 선형적 측정이 가능하다. 또한 패러데이효과와 관 련된 베르데상수가 큼을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 자기광학소자는 저전류에 의한 유도 자장의 크기를 고감도로 감지할 수 있는 것이다.

도 7 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 -20∼60℃ 온도범위에서 베르데상수가 온도에 따라 거의 변화가 없음을 알 수 있다.

도 8 은 본 발명에 따른 광자계측정장치에 관한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광자계측정장치(20)는 광원구동부(21)와 광자계센서부(22)와 수광부(23)와 신호처리부(24)를 포함한다.

광원구동부(21)는 자장 내에 위치한 광자계센서에 광을 조사하기 위한 것으로서, 간단한 전기소자로 구성된 정전압부(211)와 증폭부(212)와 발광부(213)를 포함한다. 상기 발광부(213)는 850㎚ 파장대에서 광출력이 약 1.5㎽정도인 레이저 다이오드를 사용한다.

광자계센서부(22)는 상기 광원구동부(21)로부터 입사되는 광을 편광시키고 상기 편광된 광을 외부 자장에 비례하는 양만큼 회전시켜 출력한다. 상기 광자계센서부의 구성은 전술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

수광부(23)는 상기 광자계센서(22)로부터 광을 수광하여 상기 수광신호에 비례하는 전류를 출력한다. 상기 수광부(23)는 포토다이오드와 상기 포토다이오드로부터 출력되는 광전류를 증폭하는 증폭기를 포함한다. 상기 수광부의 출력전압은 직류분과 변조신호가 함께 섞인 신호가 출력된다.

신호처리부(24)는 상기 수광부(23)로부터 출력전압을 입력받아 직류분과 교 류분으로 나누는 교류/직류분리부(241)와 교류증폭부(242)와 직류증폭부(243)와 제산(除算)부(244)와 주증폭부(245)를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 직류와 교류가 같이 실려있는 신호에서 교류성분만 통과시키는 것은 간단한 고역 통과 필터로서 가능하나 직류성분만을 검출하기 위해 교류성분을 직류성분으로 나누는 신호처리기법을 사용한다.

상기 제산(除算)부(244)는 입력된 교류와 직류신호에 대한 나누기를 행하는 소자인 AD534소자를 사용하며 상기 AD534소자는 기본적으로 나누어진 값에서 10배를 출력으로 나타냄으로 결과적으로는 신호의 중간 증폭기능도 포함하는 효과를 가진다.

주증폭부(245)는 상기 제산(除算)부(244)로부터 입력받은 출력전압을 증폭하여 전류계와 같은 표시장치에 출력하기 위한 것으로서, 간단한 가변저항과 LF353소자를 포함하는 회로로 구성된다.

도 9 는 본 발명에 따른 광자계측정장치의 온도변화에 따른 측정정확도의 의존성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 60°∼-40°까지 한 주기동안 입력전류에 대한 광자계센서 측정장치의 출력변화는 ±1% 이내이다. 이는 본 발명에 따른 광자계센서가 낮은 온도의존도를 갖으며 우수한 자장측정감도특성을 가짐을 나타낸다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광자계측정장치는 주위온도의 변화에 관계없이 높은 정확성과 감도로 자장강도측정이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광자계센서는 베르데상수가 크고 온도 변화에 따른 자장측정감도가 우수한 자기광학소자를 사용함으로써 저전류를 측정하기에 적합한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 광자계센서는 별도의 고가의 광학 바이어스 소자를 필요로 하지 않는 구조로 제작되어 제작비용이 종래보다 훨씬 저렴한 장점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다라는 것은 명백하다. 따라서, 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 측정될 자장 내에 위치되어 상기 자장의 강도를 출력광의 강도로서 감지하는 광자계센서에 있어서,

   상기 광자계센서에 입력되는 광을 집광하는 제1 렌즈와;

   상기 제1 렌즈로부터 입력되는 광의 진행방향을 바꾸어주는 프리즘과;

   상기 프리즘으로부터 입력되는 광을 편광시키되 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된 편광자와;

   상기 편광자로부터 입력되는 편광을 상기 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시켜 출력하는 자기광학소자와;

   상기 자기광학소자로부터의 출력광을 편광시키는 검광자와;

   상기 검광자로부터 입력되는 광을 광자계측정모듈로 집광하는 제2 렌즈;

   를 포함하되, 상기 자기광학소자가:

   일반식이 Bi_aPb_bY_cGd_3-(a+b+c)Pt_dFe_5-dO₁₂ (0.5 ≤a ≤1.0 : 0 ≤b ≤1.0 : 0.3 ≤c ≤1.0 : 0 ≤d ≤1.0 )로 나타내지는 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정으로 만들어진 것을 특징으로 하는 광자계센서.
3. 삭제
4. 삭제
5. 측정될 자장 내에 위치되어 상기 자장의 강도를 출력광의 강도로서 측정하는 광자계측정장치에 있어서,

   정전압부와; 상기 정전압부로부터 입력되는 전압을 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭부로부터 전압을 입력받아 발광하는 발광부를 포함하여 광자계센서로 광을 입사시키는 광원구동부와;

   상기 광원구동부로부터 입사되는 광을 편광시키고 상기 편광된 광을 외부 자장에 비례하는 양만큼 회전시켜 출력하는 광자계센서부와;

   상기 광자계센서로부터 광을 수광하여 상기 수광신호에 비례하는 전류를 출력하는 수광부와;

   상기 수광부로부터 입력되는 전류를 교류성분과 직류성분으로 분리하는 교류/직류 분리부와; 상기 교류/직류 분리부로부터 출력되는 교류를 증폭하는 교류증폭부와; 상기 교류/직류 분리부로부터 출력되는 직류를 증폭하는 직류증폭부와; 상기 교류증폭부와 직류증폭부로부터 각각 교류치와 직류치를 입력받아 상기 교류치를 직류치로 나누는 제산(除算)부와; 상기 제산(除算)부로부터 출력되는 전압을 증폭하는 주증폭부를 포함하는 신호처리부;

   를 포함하되, 상기 광자계센서가:

   상기 광자계센서에 입력되는 광을 집광하는 제1 렌즈와;

   상기 제1 렌즈로부터 입력되는 광의 진행방향을 바꾸어주는 프리즘과;

   상기 프리즘으로부터 입력되는 광을 편광시키되 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된 편광자와;

   상기 편광자로부터 입력되는 편광을 상기 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시켜 출력하되, 일반식이 Bi_aPb_bY_cGd_3-(a+b+c)Pt_dFe_5-dO₁₂ (0.5 ≤a ≤1.0 : 0 ≤b ≤1.0 : 0.3 ≤c ≤1.0 : 0 ≤d ≤1.0 )로 나타내지는 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정으로 만들어진 자기광학소자와;

   상기 자기광학소자로부터의 출력광을 편광시키는 검광자와;

   상기 검광자로부터 입력되는 광을 광자계측정모듈로 집광하는 제2 렌즈;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자계측정장치.

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