KR100874428B1 - Fiber Optic Sensor System Using Hybrid Interferometer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스트레인 등의 물리량을 측정하는 광섬유 센서 시스템에 관한 발명으로, 구체적으로 마하젠더 간섭계와 마이켈슨 간섭계의 효과를 동시에 얻는 하이브리드 레이저 간섭계를 이용하여 마이켈슨 간섭신호를 내부트리거 신호로 이용하여 마하젠더 간섭신호의 샘플링을 수행하여, 샘플에서 감지된 물리량에 따라 발생되는 신호의 위상 변화를 이용하여 물리량을 연산하는 하이브리드 간섭계를 이용한 센서 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber sensor system for measuring physical quantities such as strain, and specifically, using a hybrid laser interferometer that simultaneously obtains the effects of a Mach-Zehnder interferometer and a Michelson interferometer, using a Michelson interfering signal as an internal trigger signal The present invention relates to a sensor system using a hybrid interferometer that performs sampling of a gender interference signal and calculates a physical quantity using a phase change of a signal generated according to a physical quantity detected in a sample.

본 발명에 따르면, 내부 트리거 신호를 이용하기 때문에 하나의 신호만을 이용하여 모든 측정이 가능하기 때문에 외부 영향에 상관없이 정확히 위상차가 π/2 간격으로 샘플링이 가능해지고, 또한 외부트리거도 필요없어서 시스템크기가 작아지고 생산비용이 절감된다는 장점이 있다.According to the present invention, since the internal trigger signal is used, all measurements can be performed using only one signal, so that the phase difference can be sampled at π / 2 intervals regardless of external influences, and the system size is not required because no external trigger is required. Has the advantage of being smaller and reducing production costs.

Description

하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템{Fiber-optic sensor system using hybrid interferometer}Fiber-optic sensor system using hybrid interferometer

도 1은 본 발명의 하이브리드 간섭계의 개념을 설명하기 위한 개략도1 is a schematic diagram illustrating the concept of a hybrid interferometer of the present invention

도 2는 본 발명에서 마이켈슨 간섭효과를 위해 사용되는 제1섬유결합기 및 제2섬유결합기에서 광섬유의 결합되어 있는 형상을 도시한 도면2 is a view showing the combined shape of the optical fiber in the first fiber coupler and the second fiber coupler used for the Michelson interference effect in the present invention;

도 3은 본 발명에서 제1위상변조부를 구동시키기 위한 구동 램프 신호에 의하여 광검출기에 의해 검출된 간섭출력신호의 일 예3 is an example of an interference output signal detected by a photodetector by a drive ramp signal for driving a first phase modulator in the present invention;

도 4는 본 발명의 하이브리드 간섭계를 적용하여 스트레인을 측정할 수 있는 구체적인 일 실시예의 구성도Figure 4 is a block diagram of a specific embodiment that can measure the strain by applying the hybrid interferometer of the present invention

도 5는 본 발명의 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서를 이용하여 센서에 가해진 스트레인을 복조한 도면5 is a diagram demodulating strain applied to a sensor using an optical fiber sensor using a hybrid interferometer according to the present invention.

본 발명은 스트레인 등의 물리량을 측정하는 광섬유 센서 시스템에 관한 발명으로, 구체적으로 마하젠더 간섭계와 마이켈슨 간섭계의 효과를 동시에 얻는 하이브리드 레이저 간섭계를 이용하여 스트레인 등의 물리량을 측정하는 시스템에 관 한 것이다.The present invention relates to an optical fiber sensor system for measuring physical quantities such as strain, and more particularly, to a system for measuring physical quantities such as strain using a hybrid laser interferometer which simultaneously obtains the effects of a Mach-Zehnder interferometer and a Michelson interferometer. .

건축 구조물 등과 같이 외력 등에 따른 변형 여부가 중요한 경우, 스트레인의 측정이 매우 중요시되고 있다. In the case where deformation due to external force is important, such as a building structure, the measurement of strain is very important.

이러한 스트레인의 측정을 위하여 종래에는 전기적 센서를 이용하였으나, 센서당 최소 두 가닥의 전선이 필요한데, 이 전선으로 인하여 구조물 자체의 강도에 나쁜 영향을 미치고, 전선이 갖는 자기가열효과로 인해 측정오차가 증가하는 문제점이 있고, 또한 그 복잡성 때문에 유지보수가 어렵다는 문제점이 있었다.Conventional electrical sensors have been used to measure these strains, but at least two wires per sensor are required, which adversely affects the strength of the structure itself and increases the measurement error due to the self-heating effect of the wires. There is a problem that, and because of its complexity there is a problem that maintenance is difficult.

이러한 단점을 해결하기 위하여 최근에는 광섬유에 대한 연구가 널리 진행되고 있다. Recently, researches on optical fibers have been widely conducted to solve these shortcomings.

이 중 광섬유 간섭계 센서에서는 간섭계의 한쪽 팔에 온도, 스트레인, 압력과 같은 물리적 변화가 가해지면, 광경로차에 의한 간섭신호가 발생하게 된다는 점을 이용하여 물리량을 측정하는 센서이다. 따라서 광경로차에 의해 변조된 위상 변화를 추출하면, 센서에 가해진 물리량을 복조 할 수 있다. Among them, the optical fiber interferometer sensor measures a physical quantity by using the fact that when a physical change such as temperature, strain, or pressure is applied to one arm of the interferometer, an interference signal due to the optical path difference is generated. Therefore, by extracting the phase change modulated by the optical path difference, it is possible to demodulate the physical quantity applied to the sensor.

그러나, 광섬유 간섭계의 출력신호는 사인형태여서, 광경로차에 의한 위상 변화량을 바로 추출하기에는 어려움이 따른다. 분광 분석기를 이용하면 간단히 출력신호를 분석할 수 있지만, 장비가 너무 고가이고 응답속도가 느리기 때문에 실제 이용되기에는 한계가 있다. However, since the output signal of the optical fiber interferometer is sinusoidal, it is difficult to directly extract the amount of phase change due to the optical path difference. Spectroscopic analyzers can be used to simply analyze the output signal, but the equipment is too expensive and the response time is too small to be used in practice.

이러한 문제를 해결하기 위한 한 방법으로 직교신호처리(quadrature signal processing)방법이 연구되고 있다. As a way to solve this problem, a quadrature signal processing method has been studied.

직교신호처리방법은 위상이 π/2되는 지점을 정확히 찾으면, 아크탄젠트 복 조(arctangent demodulation), 크로스 멀티플라이법 및 페이즈 언랩핑(phase unwrapping) 방법 등 종래에 수행되는 방법에 의하여 위상의 변화를 측정할 수 있게 되는 방법인데, 이 방법에서는 위상이 정확히 π/2 간격으로 샘플링을 하는 것이 중요하게 된다.Orthogonal signal processing measures phase change by conventional methods such as arctangent demodulation, cross-multiplying, and phase unwrapping methods when the exact point where the phase is π / 2 is found. In this method, it is important to sample the phase at exactly π / 2 intervals.

따라서, 직교신호처리방법을 이용하는 경우 위상이 π/2되는 지점을 정확히 찾을 수 있는 방법에 대해 연구가 진행중이다. Therefore, a study is being conducted on how to accurately find the point where the phase is π / 2 when using the orthogonal signal processing method.

상기한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 마하젠더 간섭계와 마이켈슨 간섭계가 혼합된 하이브리드 간섭계를 이용하여 광섬유 센서를 이용하여 직교신호처리방법으로 정확한 위상을 찾아서 물리량을 측정할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a system that can measure the physical quantity by finding the correct phase by using an orthogonal signal processing method using a fiber optic sensor using a hybrid interferometer mixed with Mach-Zehnder interferometer and Michelson interferometer. The purpose.

상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 제1광결합부와 제2광결합부가, 사이에 간극이 존재하도록 제1섬유결합부에 의해 결합되어 형성된 제1암부와, 제3광도파로와 제4광도파로가, 사이에 간극이 존재하도록 제2섬유결합부에 의해 결합되어 형성되고, 상기 제3광도파로에는 소정의 위상변조를 위한 동기신호를 이용하여 위상변조를 수행하는 제1위상변조부가 구비되고, 상기 제4광도파로에는 물리량 측정을 위한 센서에 연결되어 센서에 가해진 물리량에 따라 따라 위상변조를 수행하는 제2위상변조부를 구비한 제2암부를 구비한 하이브리드 간섭계부; 상기 제1광결합부에 소정의 광신호를 출력하는 광원부; 상기 제1광결합부를 통해 입사되어 상기 제1암부의 상기 제1섬유결합부에서 반사된 신호 및 상기 제2암부의 제2섬유결합부에서 반사된 신호가 상기 제1광결합부에서 결합되어 출력되는 신호를 검출하는 제1광검출부; 상기 제1광결합부를 통해 입사되어 상기 제1암부 및 상기 제2암부를 거쳐 상기 제2광결합부에서 결합되어 출력되는 신호를 검출하는 제2광검출부; 및 상기 제1광검출부에서 검출된 신호에서 제로크로싱이 일어나는 지점을 이용하여 상기 제2광검출부에서 검출된 신호에서 샘플링을 수행하여 상기 제2위상변조부에서 발생되는 신호의 위상 변화를 이용하여 물리량을 연산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a first arm portion, a third optical waveguide, and a fourth light coupling portion formed by being coupled by the first fiber coupling portion so that a gap exists between the first optical coupling portion and the second optical coupling portion. An optical waveguide is formed by being coupled by a second fiber coupling portion so that a gap exists between the optical waveguides, and the third optical waveguide includes a first phase modulator for performing phase modulation by using a synchronization signal for a predetermined phase modulation. The fourth optical waveguide includes: a hybrid interferometer unit having a second arm unit having a second phase modulator connected to a sensor for measuring physical quantity and performing phase modulation according to the physical quantity applied to the sensor; A light source unit outputting a predetermined optical signal to the first optical coupling unit; The signal incident through the first optical coupling part and reflected by the first fiber coupling part of the first arm part and the signal reflected by the second fiber coupling part of the second arm part are combined and output by the first optical coupling part. A first photodetector detecting a signal to be detected; A second light detection unit incident through the first light coupling unit to detect a signal coupled to and output from the second light coupling unit through the first arm unit and the second arm unit; And performing a sampling on the signal detected by the second photodetector using a point where zero crossing occurs in the signal detected by the first photodetector, and using a phase change of a signal generated by the second phase modulator. It provides an optical fiber sensor system using a hybrid interferometer comprising a; calculating unit for calculating the.

여기서, 상기 제1암부는 특정 편광만을 통과시키는 편광조절부를 포함하는 것이 바람직하다.Here, the first arm portion preferably includes a polarization control unit for passing only specific polarization.

또한, 상기 제2위상변조부는 막대형 압전소자에 의해 형성되는 것이 바람직하다. In addition, the second phase modulator is preferably formed by a rod-shaped piezoelectric element.

또한, 상기 제1광도파로, 상기 제2광도파로, 상기 제3광도파로 및 상기 제4광도파로는 광섬유, 폴리머, 리튬나오베이트 또는 리튬탄탈레이트로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the first optical waveguide, the second optical waveguide, the third optical waveguide and the fourth optical waveguide are preferably composed of an optical fiber, a polymer, lithium naobate or lithium tantalate.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 하이브리드 간섭계의 개념을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic view for explaining the concept of a hybrid interferometer of the present invention.

본 발명의 하이브리드 간섭계는 종래의 마하젠더 간섭계에 마이켈슨 간섭 효과가 나도록 구성을 하여, 마이켈슨 간섭계에 의해 반사된 신호를 이용하여 샘플링 을 위한 트리거 신호를 발생시킨다는 점에서 특징이 있다. The hybrid interferometer of the present invention is characterized in that it is configured to have a Michelson interference effect on a conventional Mach-Zehnder interferometer, and generates a trigger signal for sampling using the signal reflected by the Michelson interferometer.

본 발명의 하이브리드 간섭계는 제1광결합기(111)와 제2광결합기(112) 사이에 광도파로를 형성한 제1암(121)과 위상변조를 하기 위한 제1위상변조부(171) 및 제2위상변조부(172)를 구비하고, 역시 광도파로를 형성한 제2암(122)을 구비하여 마하젠더 간섭신호가 출력될 수 있도록 구성하며, 제1암(111)과 제2암(112)은 각각 제1섬유결합기(Fiber Connector)(141)와 제2섬유결합기(142)에 의해 제1암 및 제2암을 구성하는 광섬유가 결합되어서 마이켈슨 간섭신호가 출력될 수 있도록 구성된다. The hybrid interferometer of the present invention includes a first phase modulator 171 and a first phase modulator 171 for phase modulation with a first arm 121 having an optical waveguide formed between the first optical coupler 111 and the second optical coupler 112. It is provided with a second phase modulator 172, and also provided with a second arm 122 that also formed an optical waveguide so that the Mach-Zehnder interference signal can be output, the first arm 111 and the second arm 112 ) Are configured such that the optical fibers constituting the first arm and the second arm are coupled by the first fiber connector 141 and the second fiber coupler 142 to output the Michelson interference signal.

여기서, 광도파로는 광섬유, 폴리머, 리튬나오베이트 또는 리튬탄탈레이트 등으로 구성될 수 있다. 편의상 이하의 설명에서는 광섬유가 광도파로를 구성하는 대표물질로 전제하고 설명한다. Here, the optical waveguide may be composed of an optical fiber, a polymer, lithium naobate or lithium tantalate. For convenience, the following description presupposes that the optical fiber is a representative material constituting the optical waveguide.

참고로, 마하젠더 간섭계는 입사된 광신호를 2개의 암으로 분배하하고 다시 이 신호를 결합하여, 각각의 암의 광경로의 길이 차에 의해 발생된 간섭현상을 이용하는 시스템이고, 마이켈슨 간섭계는 입사된 광의 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시킨 후 다시 합쳐서 반사된 광의 경로 길이와 투과된 광의 경로 길이의 차이로 인한 간섭현상을 이용하는 시스템이다. For reference, the Mach-Zehnder interferometer is a system that distributes the incident optical signal to two arms and combines the signals again to use the interference caused by the difference in the optical path length of each arm. A part of the incident light is transmitted and the other part is reflected and then merged together to use interference due to a difference between the path length of the reflected light and the path length of the transmitted light.

도 2는 마이켈슨 간섭효과를 위해 사용되는 제1섬유결합기 및 제2섬유결합기에서 광도파로가 결합되어 있는 형상을 도시한 도면이다. 2 is a view showing a shape in which an optical waveguide is coupled in a first fiber coupler and a second fiber coupler used for the Michelson interference effect.

도 2에서 보는 바와 같이, 제1암과 제2암은 클래딩층과 코어층으로 구성되는 제1광섬유(181) 및 제2광섬유(182)로 결합이 되며, 제1광섬유 및 제2광섬유는 사이 에 간극(d)이 존재하도록 느슨하게 결합되게 하여 후방반사(Back reflection)를 유도하게 된다.As shown in FIG. 2, the first and second arms are combined into a first optical fiber 181 and a second optical fiber 182 composed of a cladding layer and a core layer, and the first optical fiber and the second optical fiber are interposed therebetween. Loosely coupled so that there is a gap (d) in the induces the back reflection (back reflection).

이러한 간극으로 인하여 광신호가 굴절률 n1을 가지는 광섬유와 굴절률 n2를 가지는 간극을 통과할 때 일부의 신호는 간극을 투과하여 제2광섬유(182)로 전달이 되지만, 일부 신호는 간극에서 반사되어 다시 제1광섬유(181)를 통하여 역으로 전달이 된다. Due to this gap, when the optical signal passes through the optical fiber having the refractive index n1 and the gap having the refractive index n2, some signals pass through the gap and are transmitted to the second optical fiber 182, but some signals are reflected in the gap and are again reflected by the first optical fiber. The transmission is reversed through the optical fiber 181.

제1섬유결합기 및 제2섬유결합기에서 생성된 간극은 투과된 신호와 반사된 신호가 제1광검출기(131) 및 제2광검출기(132)에 의해 검출될 수 있는 정도의 세기를 가질 수만 있다면 그 간격에 큰 제한이 없다. The gap generated by the first fiber coupler and the second fiber coupler may be as long as the transmitted and reflected signals can have an intensity that can be detected by the first photodetector 131 and the second photodetector 132. There is no big limit on the interval.

한편, 제1위상변조부(171)는 제2암(122)의 광경로의 길이를 조정하는 장치이면 되며, 대표적인 것으로 원통형 압전소자를 사용할 수 있다. On the other hand, the first phase modulator 171 may be a device for adjusting the length of the optical path of the second arm 122, a typical piezoelectric element can be used.

원통형 압전소자에 전기 신호를 가하면 가해진 전기신호의 세기에 따라 팽창 또는 수축하면서 그 주위를 따라 형성된 광경로의 길이를 변화시키고, 이에 따라 간섭에 의해 발생되는 신호가 위상변조되게 된다. When an electrical signal is applied to the cylindrical piezoelectric element, the length of the optical path formed along the periphery of the cylindrical piezoelectric element is expanded or shrunk according to the intensity of the applied electric signal, and thus the signal generated by the interference is phase-modulated.

제2위상변조부(172)는 스트레인 등의 물리량을 측정하기 위해 센서에 부착되는 소자로 온도, 스트레인, 압력과 같은 물리적 변화가 가해지는 경우 그 부피가 변화함으로 인해 광경로의 길이를 변화시키는 소자이기만 하면 된다. The second phase modulator 172 is an element attached to a sensor to measure a physical quantity such as strain, and an element for changing the length of the optical path due to the change in volume when a physical change such as temperature, strain, or pressure is applied. Just win.

스트레인을 측정하는 것을 예로 들면, 제2위상변조부(172)를 제2암(122)의 광섬유를 금속으로 된 막대형 압전소자 변조기에 에폭시로 고정함으로써 구성할 수 있다. Taking the strain measurement as an example, the second phase modulator 172 can be configured by fixing the optical fiber of the second arm 122 with an epoxy to a rod-shaped piezoelectric element modulator made of metal.

구체적인 동작을 살펴보면 다음과 같다.The specific operation is as follows.

입사된 광(101)은 방향성 광결합기인 제1광결합기(111)를 통하여 하이브리드간섭계의 제1암(121)과 제2암(122)에 전송된다.The incident light 101 is transmitted to the first arm 121 and the second arm 122 of the hybrid interferometer through the first optical coupler 111, which is a directional optical coupler.

제1암(121)에 입사된 광은 제1섬유결합기(141)에서 일부는 반사되고 다른 일부는 투과가 되며, 제1섬유결합기(141)에서 반사된 광은 다시 제1광결합기(111)에서, 제2암(122)의 제2섬유결합기(142)로부터 반사된 광과 함께 제1광검출기(131)에 의해 검출이 된다.The light incident on the first arm 121 is partially reflected by the first fiber coupler 141 and the other part is transmitted, and the light reflected by the first fiber coupler 141 is again the first optical coupler 111. Is detected by the first photodetector 131 together with the light reflected from the second fiber coupler 142 of the second arm 122.

제2암(122)에 입사된 광은 제1위상변조부(171)에 의해 위상이 변조되고, 제2섬유결합기(142)에서 일부는 반사되고 다른 일부는 투과가 되며, 제2섬유결합기(142)에서 반사된 광은 다시 제1광결합기(111)에서 제1암(121)의 제1섬유결합기(141)로부터 반사된 광과 함께 제1광검출기(131)에 의해 검출이 된다.The light incident on the second arm 122 is phase-modulated by the first phase modulator 171, part of which is reflected by the second fiber coupler 142, and part of which is transmitted by the second fiber coupler 142. The light reflected by 142 is detected by the first photodetector 131 together with the light reflected from the first fiber coupler 141 of the first arm 121 in the first optical coupler 111.

한편, 제2섬유결합기(142)를 투과한 광은 센서와 연결된 제2위상변조부(172)에 의해 센서에 의해 감지된 물리량에 따라 다시 위상이 변조된 후 제2광결합기(112)에서 제1섬유결합기(141)를 투과한 광과 함께 제2광검출기(132)에 의해 검출이 된다. On the other hand, the light transmitted through the second fiber coupler 142 is phase-modulated again according to the physical quantity sensed by the sensor by the second phase modulator 172 connected to the sensor, and then, The detection is performed by the second photodetector 132 together with the light transmitted through the one fiber coupler 141.

이렇게 제1위상변조부(171)를 구동시키기 위한 구동 램프 신호(c)에 의하여 광검출기에 의해 검출된 간섭출력신호의 일 예를 도 3에 도시하였다.3 illustrates an example of the interference output signal detected by the photodetector by the driving ramp signal c for driving the first phase modulator 171.

도 3에서 a는 마하젠더 간섭계에 의해 제2광검출기(132)에 의해 검출된 간섭신호이며, b는 제1광검출기(131)에서 검출된 마이켈슨 간섭신호이다. In FIG. 3, a is an interference signal detected by the second photodetector 132 by a Mach-Zehnder interferometer, and b is a Michelson interference signal detected by the first photodetector 131.

마이켈슨 간섭효과에 의한 위상신호가 4π의 주기를 생성하도록 25 Hz의 톱 니파를 제1위상변조부(171)기에 인가하면, 제1광검출기(131)에 검출된 신호(b)는 4π 위상변조에 의하여 주기적인 사인파를 형성하며, 각 π주기가 마하젠더 간섭계의 간섭을 일으키는 광신호(a)의 π/2위상주기에 해당한다. When a sawtooth wave of 25 Hz is applied to the first phase modulator 171 so that the phase signal due to the Michelson interference effect generates a period of 4π, the signal b detected by the first photodetector 131 is 4π phase. Periodic sine waves are formed by modulation, and each π period corresponds to the π / 2 phase period of the optical signal a causing interference of the Mach-Zehnder interferometer.

따라서 AC 커플링된 제1광검출기(131) 출력(b)의 영점에서 제2광검출기(132) 출력신호(a)의 정확하게 π/2 위상차를 가지는 데이터를 취득 할 수 있고, 연산을 통하여, 스트레인에 의한 위상변화량을 추출 할 수 있다.Therefore, at zero of the AC-coupled first photodetector 131 output b, data having exactly π / 2 phase difference of the output signal a of the second photodetector 132 can be obtained. The amount of phase change due to strain can be extracted.

이렇게 위상이 π/2 간격의 점들의 값이 정확히 측정이 되면 사인 곡선과 코사인 곡선의 특성을 정확히 알 수 있게 되고, 종래의 아크탄젠트 복조(arctangent demodulation) 및 페이즈 언랩핑(phase unwrapping) 방법 등의 복조 방법에 따라서 위상의 변화를 알 수 있고, 이에 따라 스트레인 등의 물리량의 변화를 정확히 알 수 있게 된다.When the values of the points at intervals of π / 2 are accurately measured, the characteristics of the sine and cosine curves can be known accurately, and the conventional arctangent demodulation and phase unwrapping methods, etc. According to the demodulation method, the change in phase can be known, and accordingly, the change in physical quantity such as strain can be known accurately.

이와 같은 원리로 제1광검출기(131) 및 제2광검출기(132)에서 검출된 신호는 제로크로싱탐지부(150) 및 직교샘플링부(160)를 통하여 샘플링되게 된다.In this manner, the signals detected by the first photodetector 131 and the second photodetector 132 are sampled through the zero crossing detection unit 150 and the quadrature sampling unit 160.

제로크로싱탐지부(150)에서는 제1광검출기(131)에 검출된 신호(b)를 기준으로 하여 제로크로싱이 일어나는 점을 탐지하여 그 지점에서 트리거 신호를 발생하게 되며, 직교샘플링부(160)는 이 트리거 신호를 이용하여 제로크로싱이 일어난 지점에서 제2광검출기(132)에서 검출된 신호(a)에 대해 샘플링을 수행한다. 특정 신호에서 제로크로싱이 발생하는 지점을 찾아내는 기술은 종래에 널리 알려진 기술이므로 여기서는 구체적인 설명은 생략한다. The zero crossing detection unit 150 detects a point at which zero crossing occurs based on the signal (b) detected by the first photodetector 131, and generates a trigger signal at that point. By using this trigger signal, sampling is performed on the signal a detected by the second photodetector 132 at the point where zero crossing occurs. Since a technique for finding a point where zero crossing occurs in a specific signal is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

도 4는 본 발명의 하이브리드 간섭계를 적용하여 스트레인을 측정할 수 있는 구체적인 일 실시예의 구성을 도시한 것이다. Figure 4 shows the configuration of a specific embodiment that can measure the strain by applying the hybrid interferometer of the present invention.

본 발명의 하이브리드 간섭계는 제1광결합기(211)와 제2광결합기(212)사이에 제1암(221) 및 제2암(222)이 연결되어 광원(201)로부터 제1광결합기(211)에 입사된 광신호를 제2광결합기(212)를 통하여 마하젠더 간섭 신호를 출력하고, 제1광결합기(211)를 통하여 마이켈슨 간섭신호를 출력하여 마이켈슨 간섭신호를 내부 트리거 신호로 이용하여 마하젠더 간섭신호를 복조함으로써 물리량을 측정하는 점에 특징이 있는 발명이다. In the hybrid interferometer of the present invention, a first arm 221 and a second arm 222 are connected between the first optical coupler 211 and the second optical coupler 212, and thus the first optical coupler 211 from the light source 201 is connected. Output the Mach-Zehnder interference signal through the second optical coupler 212 and output the Michelson interference signal through the first optical coupler 211 to use the Michelson interference signal as an internal trigger signal. The present invention is characterized in that the physical quantity is measured by demodulating the Mach-Zehnder interference signal.

여기서 광원(201)은 소정의 광을 출력하는 구성요소로 BBS(Broad Band Source), SLD(Super Luminescent Diode), ASE(Amplified Spontaneous Emission)광원, 파장가변레이저광원 등이 있을 수 있으며, 유사한 특성을 가진 여러 광원이 사용될 수 있다.The light source 201 may be a component that outputs a predetermined light, and may include a broad band source (BBS), a super luminescent diode (SLD), an amplified spontaneous emission (ASE) light source, a wavelength variable laser light source, and the like. Several light sources can be used.

제1암(221)은 제1광도파로(221-1)와 제2광도파로(221-2)과 제1섬유결합기(241)에 의해 제1광도파로(221-1)와 제2광도파로(221-2) 사이에 간극이 존재하도록 느슨하게 결합되고, 제2암(222)은 제3광도파로(222-1)와 제4광도파로(222-2)가 제2섬유결합기(242)에 의해 제3광도파로(222-1)와 제4광도파로(222-2) 사이에 간극이 존재하도록 느슨하게 결합되어 마이켈슨 간섭신호가 발생되도록 한다. The first arm 221 is the first optical waveguide 221-1 and the second optical waveguide by the first optical waveguide 221-1, the second optical waveguide 221-2, and the first fiber coupler 241. The second optical waveguide 222-1 and the fourth optical waveguide 222-2 are loosely coupled so that a gap exists between the second fiber coupler 242 and 221-2. By loosely coupling so that a gap exists between the third optical waveguide 222-1 and the fourth optical waveguide 222-2, a Michelson interference signal is generated.

또한, 제2암(222)의 제3광도파로(222-1)는 구동신호에 따라 광경로의 길이를 변동시켜서 위상이 변하게 하기 위한 제1위상변조부(271)가 구비되며, 제4광도파로(222-2)는 센서에 연결되어 압력, 온도, 진동, 전류 값에 따라 광경로의 길이를 변동시키는 제2위상변조부(272)가 구비된다. In addition, the third optical waveguide 222-1 of the second arm 222 includes a first phase modulator 271 for changing the length of the optical path according to the driving signal to change the phase. Waveguide 222-2 is connected to the sensor is provided with a second phase modulator 272 for varying the length of the optical path in accordance with the pressure, temperature, vibration, current value.

편광제어부(290)는 제1암(221)을 경유하는 빛의 편광을 제어하는 구성요소로, 특정 편광만을 통과시킴으로써 검출되는 신호에서 노이즈를 줄일 수 있게 된다. The polarization control unit 290 is a component that controls the polarization of light passing through the first arm 221, and can reduce noise in a signal detected by passing only a specific polarization.

제2광검출기(232)는 광원(201)으로부터 제1광결합기(211)를 통하여 입사된 신호가 본 발명의 하이브리드 간섭계를 통과하면서 발생되어 제2광결합기(212)를 통하여 출력된는 마하젠더 간섭신호를 검출한다. The second photodetector 232 is generated while the signal incident from the light source 201 through the first optical coupler 211 passes through the hybrid interferometer of the present invention and is output through the second optical coupler 212. Detect the signal.

제1광검출기(231)는 광원(201)으로부터 제1광결합기(211)를 통하여 입사된 신호가 본 발명의 하이브리드 간섭계의 제1섬유결합기(241) 및 제2섬유결합기(242)에서 반사되어 다시 제1광결합기(211)를 통하여 출력되는 마이켈슨 간섭신호를 검출한다. In the first photodetector 231, a signal incident from the light source 201 through the first optical coupler 211 is reflected by the first fiber coupler 241 and the second fiber coupler 242 of the hybrid interferometer of the present invention. Again, the Michelson interference signal output through the first optical coupler 211 is detected.

로우패스필터(281, 282)는 제1광검출기(231) 및 제2광검출기(232)에서 검출된 신호에서 노이즈를 제거하기 위해 사용된다. The low pass filters 281 and 282 are used to remove noise from the signals detected by the first photodetector 231 and the second photodetector 232.

연산부(270)는 앞에서 설명한 바와 같이, 제2광검출기(232)로부터 검출된 신호를 이용하여 제로크로싱이 일어나는 점을 탐지하여 탐지된 결과를 이용하여 π/2 간격으로 제1광검출기(231)에서 검출된 신호의 샘플링을 수행하고, 아크탄젠트 복조, 페이즈 언랩핑과 같은 종래의 직교신호처리에서 사용되는 복조 방법에 따라 센서격자부(290)에서 반사된 신호의 위상변화에 따라 센서격자부(290)에 가해진 스트레인을 연산하게 된다. As described above, the operation unit 270 detects a point at which zero crossing occurs using the signal detected from the second photodetector 232, and uses the detected result to detect the first photodetector 231 at a π / 2 interval. Sampling of the signal detected by the sensor and according to the demodulation method used in conventional orthogonal signal processing such as arc tangent demodulation and phase unwrapping, according to the phase change of the signal reflected from the sensor lattice unit 290 ( The strain applied to 290 is calculated.

구체적인 동작은 도 1에서 설명한 바와 같다. 간략하게 다시 설명하면 다음과 같다. The detailed operation is as described with reference to FIG. 1. Briefly described as follows.

광원(201)에서 출력된 신호는 제1광결합기(211)를 통하여 제1암(221) 및 제2암(222)으로 분배된다. The signal output from the light source 201 is distributed to the first arm 221 and the second arm 222 through the first optical coupler 211.

제2암(222)의 제3광도파로(222-1)로 입사된 신호는 구동신호(271-1)에 의해 위상변조를 시키는 제1위상변조부(271)에 의해 위상이 1차 변조되고, 1차 변조된 신호는 제2섬유결합기(242)에서 일부는 투과되고 나머지 일부는 반사가 된다. The signal incident on the third optical waveguide 222-1 of the second arm 222 is first modulated in phase by a first phase modulator 271 that performs phase modulation by the driving signal 271-1. The first modulated signal is partially transmitted by the second fiber combiner 242 and the other is reflected.

제4광도파로(222-2)로 입사된 신호는 센서와 연결되어 측정된 물리량에 따라 광경로의 길이를 변화시키는 제2위상변조부(272)에 의해 위상이 2차 변조되게 된다. The signal incident on the fourth optical waveguide 222-2 is second-modulated in phase by a second phase modulator 272 which is connected to the sensor and changes the length of the optical path according to the measured physical quantity.

한편, 제1암(221)의 제1광도파로(221-1)에 입사된 신호는 제1섬유결합기(241)에서 일부는 투과되고 나머지 일부는 반사가 되며, 제2광도파로(221-2)로 투과된 신호는 편광제어부(290)에서 특정 편광을 제외한 나머지 노이즈 신호가 제거된 상태로 제2광결합기(212)에서 제4광도파로(222-2)를 통하여 입력되는 2차 변조된 신호와 결합된 마하젠더 간섭신호가 되어 제2광검출기(232)에서 검출된다. Meanwhile, a part of the signal incident on the first optical waveguide 221-1 of the first arm 221 is transmitted through the first fiber coupler 241, and a part of the signal is reflected, and the second optical waveguide 221-2. ) Is a second modulated signal input through the fourth optical waveguide 222-2 from the second optical coupler 212 in a state in which the noise signal other than the specific polarization is removed from the polarization controller 290. Becomes a Mach-Zehnder interference signal combined with and detected by the second photodetector 232.

한편, 제2섬유결합기(242)에서 반사된 신호는 다시 제1위상변조부(271)에 의해 위상이 변조되고 제1광결합기(211)에서 제1섬유결합기(241)에서 반사된 신호와 결합된 마이켈슨 간섭신호가 되어 제1광검출기(231)에서 검출된다. On the other hand, the signal reflected by the second fiber coupler 242 is again phase-modulated by the first phase modulator 271 and combined with the signal reflected by the first fiber coupler 241 at the first optical coupler 211. Become a Michelson interference signal and are detected by the first photodetector 231.

제1광검출기(231) 및 제2광검출기(232)에서 검출된 신호는 연산부(270)에서 연산되며, 제1광검출기(231)로부터 검출된 신호를 이용하여 제로크로싱이 일어나는 점을 탐지하여 탐지된 결과를 이용하여 π/2 간격으로 제2광검출기(232)에서 검출된 신호의 샘플링을 수행하고, 아크탄젠트 복조, 페이즈 언랩핑과 같은 종래의 직 교신호처리에서 사용되는 복조 방법에 따라 센서와 연결된 제2위상변조부(272)에 의한 신호의 위상변화에 따라 센서에 의해 감지된 물리량을 연산하게 된다. The signals detected by the first photodetector 231 and the second photodetector 232 are calculated by the operation unit 270, and the zero crossing is detected by using the signals detected by the first photodetector 231. Using the detected result, sampling of the signal detected by the second photodetector 232 at intervals of? / 2 is performed, and according to a demodulation method used in conventional orthogonal signal processing such as arc tangent demodulation and phase unwrapping. The physical quantity sensed by the sensor is calculated according to the phase change of the signal by the second phase modulator 272 connected to the sensor.

도 5는 본 발명의 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서를 이용하여 센서에 가해진 스트레인을 복조한 도면이다. 5 is a diagram demodulating strain applied to a sensor using an optical fiber sensor using a hybrid interferometer according to the present invention.

도 5를 측정하기 위해서 광원으로는 중심파장을 1550nm로 고정한 파장가변레이저를 사용하였으며, 센서에 부착된 막대형 압전소자를 이용하여 구성한 제2위상변조부(272)에 10Hz(10Vp-p)의 다양한 형태의 변조신호를 가하고, 제1위상변조부(271)에는 1kHz의 사인파를 인가하여, 한 주기에, 800 샘플을 얻어서 센서에 가해진 스트레인을 복조하였다. In order to measure FIG. 5, a wavelength variable laser having a fixed center wavelength of 1550 nm was used as a light source, and 10 Hz (10 Vp-p) was applied to a second phase modulator 272 constructed using a rod-shaped piezoelectric element attached to a sensor. Various types of modulated signals were applied, and a 1 kHz sine wave was applied to the first phase modulator 271 to obtain 800 samples in one cycle to demodulate the strain applied to the sensor.

종래의 마하젠더 간섭계를 이용한 측정 시스템에서 주로 이용되는 직교신호처리방법에서는 물리량을 측정하기 위한 신호 외에 π/2 위상차를 찾아내기 위한 별개의 신호를 이용하였고, 이를 위하여 별개의 외부 트리거를 두어야 하였고, 이 경우 두 신호간의 상대적인 진폭, 위상차 등이 외부의 강도-편광 섭동(intensity-polarization perturbations), 입력파장의 편차(variation), 광검출기나 전지기기 등에 쉽게 영향을 받았고 이에 따라 추가적인 이득 또는 위상의 조정이 필요하였다. In the orthogonal signal processing method mainly used in the measurement system using the Mach-Zehnder interferometer, in addition to the signal for measuring the physical quantity, a separate signal for finding the π / 2 phase difference was used. In this case, the relative amplitudes and phase differences between the two signals were easily affected by external intensity-polarization perturbations, variations in input wavelengths, photodetectors or battery devices, and accordingly additional gain or phase adjustments. Was needed.

그러나, 본 발명에 따르면 내부 트리거 신호를 이용하기 때문에 하나의 신호만을 이용하여 모든 측정이 가능하기 때문에 외부 영향에 상관없이 정확히 위상차가 π/2 간격으로 샘플링이 가능해지고, 또한 외부트리거도 필요없어서 시스템크기 가 작아지고 생산비용이 절감된다는 장점이 있다.However, according to the present invention, since the internal trigger signal is used, all measurements can be performed using only one signal, so that the phase difference can be sampled at intervals of π / 2 regardless of external influences, and no external trigger is required. The advantages are smaller size and lower production costs.

또한, 위상변조부의 비선형적 동작 특성이나, 위상변조신호의 형태에 상관없이 다른 추가적인 처리가 없어도 정확히 π/2 간격으로 샘플링이 가능해지는 장점이 있다. In addition, regardless of the nonlinear operation characteristics of the phase modulator or the shape of the phase modulator signal, there is an advantage in that sampling can be performed at exactly [pi] / 2 interval without any additional processing.

Claims (4)

제1광결합부와 제2광결합부가, 사이에 간극이 존재하도록 제1섬유결합부에 의해 결합되어 형성된 제1암부와, 제3광도파로와 제4광도파로가, 사이에 간극이 존재하도록 제2섬유결합부에 의해 결합되어 형성되고, 상기 제3광도파로에는 소정의 위상변조를 위한 동기신호를 이용하여 위상변조를 수행하는 제1위상변조부가 구비되고, 상기 제4광도파로에는 물리량 측정을 위한 센서에 연결되어 센서에 가해진 물리량에 따라 따라 위상변조를 수행하는 제2위상변조부를 구비한 제2암부를 구비한 하이브리드 간섭계부;The first and second optical coupling portions are formed by being coupled by the first fiber coupling portion so that a gap exists between the first and second optical coupling portions, and the third and fourth optical waveguides have a gap therebetween. The third optical waveguide is coupled to the second optical waveguide, and the third optical waveguide includes a first phase modulator for performing phase modulation by using a synchronization signal for a predetermined phase modulation, and the fourth optical waveguide measures physical quantity. A hybrid interferometer part having a second arm part connected to a sensor for performing phase modulation according to a physical quantity applied to the sensor; 상기 제1광결합부에 소정의 광신호를 출력하는 광원부;A light source unit outputting a predetermined optical signal to the first optical coupling unit; 상기 제1광결합부를 통해 입사되어 상기 제1암부의 상기 제1섬유결합부에서 반사된 신호 및 상기 제2암부의 제2섬유결합부에서 반사된 신호가 상기 제1광결합부에서 결합되어 출력되는 신호를 검출하는 제1광검출부; The signal incident through the first optical coupling part and reflected by the first fiber coupling part of the first arm part and the signal reflected by the second fiber coupling part of the second arm part are combined and output by the first optical coupling part. A first photodetector detecting a signal to be detected; 상기 제1광결합부를 통해 입사되어 상기 제1암부 및 상기 제2암부를 거쳐 상기 제2광결합부에서 결합되어 출력되는 신호를 검출하는 제2광검출부; 및 A second light detection unit incident through the first light coupling unit to detect a signal coupled to and output from the second light coupling unit through the first arm unit and the second arm unit; And 상기 제1광검출부에서 검출된 신호에서 제로크로싱이 일어나는 지점을 이용하여 상기 제2광검출부에서 검출된 신호에서 샘플링을 수행하여 상기 제2위상변조부에서 발생되는 신호의 위상 변화를 이용하여 물리량을 연산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템.Sampling is performed on a signal detected by the second photodetector using a point where zero crossing occurs in the signal detected by the first photodetector to obtain a physical quantity by using a phase change of a signal generated by the second phase modulator. Computing unit for calculating; Optical fiber sensor system using a hybrid interferometer comprising a. 제1항에 있어서, 상기 제1암부는 특정 편광만을 통과시키는 편광조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템.The optical fiber sensor system of claim 1, wherein the first arm unit includes a polarization control unit configured to pass only specific polarized light. 제1항에 있어서, 상기 제2위상변조부는 막대형 압전소자에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템.The optical fiber sensor system of claim 1, wherein the second phase modulator is formed by a rod-shaped piezoelectric element. 제1항에 있어서, 상기 제1광도파로, 상기 제2광도파로, 상기 제3광도파로 및 상기 제4광도파로는 광섬유, 폴리머, 리튬나오베이트 또는 리튬탄탈레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 간섭계를 이용한 광섬유 센서 시스템.The hybrid interferometer of claim 1, wherein the first optical waveguide, the second optical waveguide, the third optical waveguide, and the fourth optical waveguide are formed of an optical fiber, a polymer, lithium naobate, or lithium tantalate. Optical fiber sensor system using
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