KR100933771B1 - Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement - Google Patents

Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement Download PDF

Info

Publication number
KR100933771B1
KR100933771B1 KR1020080033150A KR20080033150A KR100933771B1 KR 100933771 B1 KR100933771 B1 KR 100933771B1 KR 1020080033150 A KR1020080033150 A KR 1020080033150A KR 20080033150 A KR20080033150 A KR 20080033150A KR 100933771 B1 KR100933771 B1 KR 100933771B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical signal
frequency
concentration
gas
signal
Prior art date
Application number
KR1020080033150A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20090107729A (en
Inventor
이경식
박광노
김환
장시현
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
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 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020080033150A priority Critical patent/KR100933771B1/en
Publication of KR20090107729A publication Critical patent/KR20090107729A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100933771B1 publication Critical patent/KR100933771B1/en

Links

Images

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
    • 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
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • 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
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • 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
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다. 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 격자형 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서는 온도, 습도 변화와 같은 주변 환경의 변화와 무관하게 가스 농도의 측정이 가능하며 감지부의 간단한 변경을 통하여 다양한 용도로 응용이 가능하다.A grating type optical sensor for measuring mixed gas is provided. A grating type optical sensor for measuring a concentration of a gas constituting a mixed gas, comprising: a light source for outputting an optical signal; A sensing unit including a long period grating coated with a material to receive an optical signal output from the light source and to output the long period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed in response to the mixed gas; A signal processing unit including a short period grating for inputting an optical signal output from the sensing unit to be output as a frequency modulated optical signal having a wavelength varying within a wavelength range defined by a speed of a modulation frequency f; And a concentration calculator configured to calculate a concentration for each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal. The grating-type optical sensor for measuring mixed gas may have a gas concentration irrespective of changes in the surrounding environment such as temperature and humidity. It can measure and can be applied to various purposes through simple change of sensing unit.

가스, 센서, 주파수, 격자, 반사, 투과 Gas, sensor, frequency, grating, reflection, transmission

Description

혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법{Optical grating sensor for measuring mixed gases and method for measuring mixed gases based on grating}Optical grating sensor for measuring mixed gases and method for measuring mixed gases based on grating

본 발명은 혼합 물질의 농도 측정을 위한 광센서 및 혼합 물질 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장주기 격자 및 단주기 격자를 이용하여 혼합 가스의 농도를 측정하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical sensor for measuring the concentration of a mixed material and a method for measuring the mixed material, and more particularly, a lattice type optical sensor for measuring a mixed gas for measuring the concentration of the mixed gas using a long period grating and a short period grating. And a grid-based mixed gas measurement method.

종래의 가스 감지를 위한 가스센서는 크게 반도체식 가스센서 및 접촉 연소식 가스센서로 나뉜다. 반도체식 가스센서는 결함영역이 존재하는 특정 반도체 결정 소자의 표면에 가스가 접촉하는 경우 반도체의 전기전도도가 변하게 되는 원리를 이용한다. 즉, 가스의 접촉으로 반도체의 전기전도도가 변화하는 것을 전압, 전류 또는 저항값으로 변환하여 가스의 농도를 측정하는 것이다. The conventional gas sensor for gas detection is largely divided into a semiconductor gas sensor and a contact combustion gas sensor. The semiconductor gas sensor uses the principle that the electrical conductivity of the semiconductor is changed when the gas contacts the surface of the specific semiconductor crystal element in which the defective region exists. That is, the concentration of the gas is measured by converting the change in the electrical conductivity of the semiconductor due to the contact of the gas into a voltage, current or resistance value.

접촉연소식 가스센서는 주로 가연성 가스를 측정하기 위하여 사용된다. 가연성 가스는 산소와 반응하여 반응열을 발생시키는데, 접촉연소식 가스센서는 이러한 반응열을 전기신호로 변환하여 가스를 측정하게 된다. 이 때, 가연성 가스는 탄화수소계열이므로 완전히 산화되어 물(H2O)와 이산화탄소(CO2)로 될 때 발열량이 가장 크다. 그러나 가스의 완전 산화는 저온에서는 일어나기 어렵고, 일어나더라도 반응속도가 늦기 때문에 실시간 측정이 불가능하다. 따라서, 좀 더 빠른 측정을 위해 완전 산화를 촉진하는 촉매 및 충분한 산소가 필요하며 반응속도를 높이기 위해 센서반응부의 온도를 높여야 한다. Contact combustion gas sensors are mainly used to measure flammable gases. The combustible gas reacts with oxygen to generate heat of reaction, and the catalytic combustion gas sensor converts the heat of reaction into an electrical signal to measure the gas. At this time, since the combustible gas is hydrocarbon-based, the calorific value is greatest when completely oxidized to water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). However, the complete oxidation of the gas is difficult to occur at low temperatures, and even if it occurs, the reaction rate is slow, making real-time measurement impossible. Therefore, a catalyst that promotes complete oxidation and sufficient oxygen are required for faster measurement, and the temperature of the sensor reaction section must be increased to increase the reaction rate.

반도체식 가스센서의 경우 주변의 온도, 습도와 같은 환경적인 요인에 크게 영향을 받기 때문에 이를 보정할 수 있는 추가적인 센서를 장착하여야 하는 단점을 갖고 있다. 또한, 혼합 가스의 가스 별 농도를 측정하는 것이 어렵기 때문에 단일 가스 측정 시에만 유효하다. In the case of a semiconductor gas sensor, since it is greatly influenced by environmental factors such as ambient temperature and humidity, there is a disadvantage in that an additional sensor that can compensate for this is installed. In addition, it is effective only when measuring a single gas because it is difficult to measure the gas-specific concentration of the mixed gas.

또한, 접촉연소식 가스센서의 경우 주변의 환경에 큰 영향을 받지 않으며, 측정하고자 하는 가스가 혼합되어 있어도 비교적 정밀하게 원하는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 그러나, 측정을 위해서 반드시 연소라는 화학적 과정을 거쳐야 하므로 2차적인 부산물을 생성되며, 그 과정이 복잡하고 산소가 결핍된 환경에서는 정확한 측정이 어렵다는 단점을 지니고 있다. In addition, the contact combustion gas sensor is not significantly affected by the surrounding environment, and even if the gas to be measured is mixed, it is possible to accurately measure the concentration of the desired gas. However, because the measurement must go through a chemical process called combustion, secondary by-products are produced, and the process has a disadvantage in that accurate measurement is difficult in an environment where oxygen is deficient.

이와 같이, 기존의 가스센서는 주변 환경에 대한 영향을 많이 받기 때문에 정확한 측정을 위해서는 추가적인 안정화 시스템을 구비하여야 한다. 즉, 다양한 종류의 가스를 감지하는 다중 센서, 원격 센서, 여러 곳에 감지부가 존재하는 분산 센서형태로 구현하기 위해서는 안정성 확보를 위한 추가 설비로 인하여 시스템 구 성비용이 증가되는 문제점이 있다. 또한, 기존의 가스센서는 전자회로 기반의 센서이므로 전자기파에 의한 영향을 받는다는 문제점이 있었다. As such, the existing gas sensor is highly influenced by the surrounding environment, and thus, an additional stabilization system must be provided for accurate measurement. That is, in order to implement a multi-sensor, a remote sensor, and a distributed sensor in which sensing parts exist in various places to detect various kinds of gases, there is a problem in that system configuration cost is increased due to an additional facility for securing stability. In addition, the conventional gas sensor is a sensor based on the electronic circuit, there was a problem that is affected by the electromagnetic waves.

따라서, 원자력 발전소에서 사용되는 가스검출 센서와 같이, 높은 안정성이 요구되는 환경에서 가스센서를 활용하기 위해서는 주변 환경 변동에 영향이 적은 센서가 요구된다.Therefore, in order to utilize the gas sensor in an environment where high stability is required, such as a gas detection sensor used in a nuclear power plant, a sensor having less influence on the surrounding environment fluctuation is required.

따라서, 본 발명의 목적은 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 농도를 분리하여 측정할 수 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to propose a lattice-type optical sensor and a lattice-based mixed gas measuring method for measuring a mixed gas which can measure the concentration of each gas constituting the mixed gas separately.

또한, 본 발명의 다른 목적은 온도, 습도 변화와 같은 주변 환경의 변화와 무관하게 가스 농도의 측정이 가능한, 안정성 높은 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to propose a grid type optical sensor and a grid-based mixed gas measuring method for measuring a stable mixed gas, which can measure the gas concentration irrespective of changes in the surrounding environment such as temperature and humidity changes. will be.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 먼 곳 또는 여러 곳의 가스를 쉽게 검출해 낼 수 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to propose a grating-type optical sensor and a grating-based mixed gas measurement method for the mixed gas measurement that can easily detect a gas from a distant or several places.

본 발명의 일 측면에 따르면, 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파 수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다. According to an aspect of the invention, the optical sensor for measuring the concentration of the gas constituting the mixed gas, the light sensor outputs an optical signal; A sensing unit including a long period grating coated with a material to receive an optical signal output from the light source and to output the long period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed in response to the mixed gas; A signal processing unit including a short-period grating for inputting a long-period grating transmission optical signal output from the sensing unit to output a frequency-modulated optical signal having a wavelength varying within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f; And a concentration calculator configured to calculate a concentration for each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal.

이때, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있으며, 상기 감지부의 최소 개수는 측정하고자 하는 상기 혼합 가스의 종류 개수와 동일할 수 있다.In this case, the concentration calculator comprises a signal converter for converting the frequency-modulated optical signal into an electrical signal; And a band pass filter for separating frequency components of the frequency-modulated optical signal from the electrical signal, and the minimum number of the sensing units may be equal to the number of types of the mixed gas to be measured.

또한, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성될 수 있으며, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출할 수 있다. 그리고, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 상이할 수 있다.The sensing unit and the signal processor may be formed inside the optical waveguide, and the concentration calculator may calculate the concentration of each gas of the mixed gas through the magnitude of the frequency modulated optical signal. In addition, the material for coating the long period lattice may be different depending on the type of gas to be measured.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 광신호를 출력하는 단계; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계; 상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법이 제공된다. According to another aspect of the invention, a method for measuring the concentration of the gas constituting the mixed gas, comprising the steps of: outputting an optical signal; Receiving the optical signal and outputting the optical signal as a long-period grating transmission optical signal in which an optical characteristic is changed in response to the mixed gas; Receiving the optical signal transmitted through the long-period lattice and outputting the optical signal as a frequency-modulated optical signal having a wavelength that changes at a rate of a modulation frequency f within a limited wavelength range; And calculating a concentration of each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal.

이때, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, calculating the concentration of each gas of the mixed gas through the frequency modulated optical signal may include converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; Separating frequency components of the frequency modulated optical signal from the electrical signal; And calculating a concentration of gas through the separated electrical signal.

또한, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스를 가스 별 농도를 산출할 수 있다. In the calculating of the gas concentration of the gas mixture using the frequency modulated optical signal, the gas concentration of the gas mixture may be calculated through the magnitude of the frequency modulated optical signal.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다. According to another aspect of the invention, the optical sensor for measuring the concentration of the material constituting the mixed material, the light sensor outputs an optical signal; A sensing unit including a long period grating coated with a material to receive an optical signal output from the light source and to output the long period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed by reacting the input optical signal with the mixed material; A signal processing unit including a short-period grating for inputting a long-period grating transmission optical signal output from the sensing unit to output a frequency-modulated optical signal having a wavelength varying within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f; And a concentration calculator configured to calculate a concentration for each material of the mixed material through the frequency-modulated optical signal.

이때, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있으며, 상기 감지부의 최소 개수는 측정하고자 하는 상기 혼합 물질의 종류 개수와 동일할 수 있다.In this case, the concentration calculator comprises a signal converter for converting the frequency-modulated optical signal into an electrical signal; And a band pass filter for separating frequency components of the frequency modulated optical signal from the electrical signal, and the minimum number of the sensing units may be equal to the number of types of the mixed materials to be measured.

또한, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성될 수 있으 며, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출할 수 있다. 그리고, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 상이할 수 있다.In addition, the sensing unit and the signal processor may be formed inside the optical waveguide, the concentration calculator may calculate the concentration for each material of the mixed material through the magnitude of the frequency-modulated optical signal. In addition, the material for coating the long period lattice may be different depending on the type of material to be measured.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 광신호를 출력하는 단계; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계; 상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a method for measuring the concentration of a material constituting a mixed material, comprising: outputting an optical signal; Receiving the optical signal and outputting the optical signal as a long-period lattice transmission optical signal in which optical characteristics are changed by reacting with the mixed material; Receiving the optical signal transmitted through the long-period lattice and outputting the optical signal as a frequency-modulated optical signal having a wavelength that changes at a rate of a modulation frequency f within a limited wavelength range; And calculating a concentration of each material of the mixed material through the frequency-modulated optical signal.

이때, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 물질의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, calculating the concentration of each substance of the mixed material through the frequency modulated optical signal may include converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; Separating frequency components of the frequency modulated optical signal from the electrical signal; And calculating a concentration of a substance through the separated electrical signal.

또한, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질을 물질 별 농도를 산출할 수 있다. In addition, calculating the concentration of each substance of the mixed material through the frequency modulated optical signal may calculate the concentration of each substance of the mixed substance through the magnitude of the frequency modulated optical signal.

본 발명에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 의하면, 간단한 구성을 통하여 원거리에서, 그리고 분산된 장소에서 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 농도를 측정할 수 있다. According to the grating type optical sensor and the grating-based mixed gas measuring method for measuring the mixed gas according to the present invention, the concentration of each gas constituting the mixed gas at a long distance and at a dispersed place can be measured through a simple configuration. .

또한, 본 발명에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 의하면 온도, 습도 변화와 같은 주변환경의 변화 및 전자기파의 영향에도 불구하고 정확하게 각 가스의 농도를 측정할 수 있다. In addition, according to the grating-type optical sensor and the grating-based mixed gas measuring method for measuring the mixed gas according to the present invention, it is possible to accurately measure the concentration of each gas in spite of the influence of the electromagnetic wave and the change of the surrounding environment such as temperature and humidity change. Can be.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것 으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성에 대하여 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성도이다.First, a configuration of a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1. 1 is a block diagram of a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서는 광원(110), 감지부(120), 신호 처리부(130) 및 농도 계산부(140)를 포함한다.The grating type optical sensor for measuring the mixed gas according to the present exemplary embodiment includes a light source 110, a detector 120, a signal processor 130, and a concentration calculator 140.

본 실시예에 따른 광원(110)은 광대역 광원일 수 있으며, LED 또는 백색광원일 수 있다. 광원(110)은 LED 또는 백색광원 이외에도 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 광원이 사용될 수 있다. 광원(110)에서 광신호(112)가 출력되고, 이렇게 출력된 광신호(112)는 감지부(120)로 입력된다. The light source 110 according to the present embodiment may be a broadband light source, and may be an LED or a white light source. The light source 110 may be used in addition to the LED or white light source, various light sources within the scope of the present invention. The light signal 112 is output from the light source 110, and the light signal 112 thus output is input to the sensing unit 120.

감지부(120)는, 감지부(120)로 입력된 광신호(112)가 측정하고자 하는 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호(114)로 출력되도 록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함한다. 이때, 장주기 격자를 통과한 광신호(112)는 일부 파장 영역이 외부로 전이되어 사라져, 광학적 특성이 변화하게 된다. 이하 본 명세서에서, 장주기 격자 투과 광신호(114)는, 감지부(120)에 입력된 광신호(112)가 장주기 격자를 통과하여 광학적 특성이 변화되어 출력되는 광신호를 의미함을 명확히 한다. The sensing unit 120 is coated with a material such that the optical signal 112 input to the sensing unit 120 is outputted as a long-period grating transmission optical signal 114 whose optical characteristics have changed in response to the mixed gas to be measured. Contains a long period grid. At this time, the optical signal 112 that has passed through the long period grating, the partial wavelength region is transferred to the outside disappears, the optical properties are changed. Hereinafter, in the present specification, the long period grating transmission optical signal 114 clarifies that the optical signal 112 inputted to the sensing unit 120 passes through the long period grating to change the optical characteristic to output the optical signal.

이때, 장주기 격자를 코팅하는 재질은, 에틸렌(C2H5OH)가스를 검출하기 위해서는 SnO2 를 코팅재질로 사용하는 것과 같이, 광센서에서 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라서 달라진다. 장주기 격자에 코팅된 재질은 외부의 혼합 가스와 반응하게 되며, 이러한 장주기 격자를 통과한 광신호(112)는 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호(114)로 출력된다. 본 실시예에 따르면, 외부의 물질 즉 혼합 가스의 농도에 따라, 장주기 격자를 통과하면서 일부 파장영역이 사라진 장주기 격자 투과 광신호(114)의 사라진 파장 영역이 변화하게 된다. 이러한 사라진 파장 영역의 변화량을 측정함으로써, 외부의 혼합 가스를 검출할 수 있게 된다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다. In this case, the material for coating the long-period lattice varies depending on the type of gas to be detected by the optical sensor, such as using SnO 2 as a coating material in order to detect ethylene (C 2 H 5 OH) gas. The material coated on the long-period grating reacts with the external mixed gas, and the optical signal 112 passing through the long-period grating is output as the long-period grating transmission optical signal 114 having changed optical characteristics. According to the present embodiment, the missing wavelength region of the long period grating transmission optical signal 114 in which some wavelength regions disappear while passing through the long period grating is changed according to the concentration of the external material, that is, the mixed gas. By measuring the amount of change in the disappeared wavelength region, an external mixed gas can be detected. This will be described in more detail with reference to FIG. 2.

이와 같이, 광신호가 혼합 가스와 반응하여 출력된 장주기 격자 투과 광신호(114)는 신호 처리부(130)로 입력되어, 주파수 변조된 광신호(116)로 출력된다. 본 실시예에 따른 신호 처리부(130)는 입력된 장주기 격자 투과 광신호(114)가 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(116)로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함한다. 이하, 주파수 변조된 광신호(116)는 장주기 격자 투과 광신호(114)가 신호 처리부(130)로 입력되어, 변주 주파수(f)의 속도로 한정된 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖도록 출력되는 신호를 의미함을 명확히 한다. 본 실시예에 따른 단주기 격자는 특정 파장의 광신호를 반사시키는 특성을 갖고 있으며, 단주기 격자에 가해지는 제어신호에 따라 단주기 격자의 주기 또는 굴절률이 변화되어 반사되는 파장값을 변화시킬 수 있다. As such, the long-period grating transmission optical signal 114 outputted by reacting the optical signal with the mixed gas is input to the signal processor 130 and output as the frequency-modulated optical signal 116. The signal processor 130 according to the present exemplary embodiment outputs the input long-period grating transmission optical signal 114 as a frequency modulated optical signal 116 having a wavelength that varies within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f. It includes a short period lattice. Hereinafter, the frequency-modulated optical signal 116 is a signal in which the long-period grating transmission optical signal 114 is input to the signal processing unit 130 and has a wavelength value that varies within a range limited by the speed of the variation frequency f. To clarify. The short-period grating according to the present embodiment has a characteristic of reflecting an optical signal having a specific wavelength, and the period or refractive index of the short-period grating is changed according to a control signal applied to the short-period grating to change the reflected wavelength value. have.

신호 처리부(130)에서 출력된 주파수 변조된 광신호(116)는 농도계산부(140)로 입력되어, 농도계산부(140)는 주파수 변조된 광신호(116)를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출해내게 된다. 본 실시예에 따른 신호 처리부는 주파수 변조된 광신호(116)를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부 및 변환된 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호(116)의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있다. The frequency modulated optical signal 116 output from the signal processor 130 is input to the concentration calculator 140, and the concentration calculator 140 calculates the gas concentration of the mixed gas through the frequency modulated optical signal 116. I will do it. The signal processor according to the present exemplary embodiment includes a signal converter configured to convert the frequency modulated optical signal 116 into an electrical signal, and a bandpass filter that separates frequency components of the frequency modulated optical signal 116 from the converted electrical signal. can do.

전술한 바와 같이, 광원(110), 감지부(120), 신호 처리부(130) 및 농도 계산부(140)의 동작에 의하여, 혼합 가스의 가스 별 농도를 측정할 수 있다. 이때, 본 실시예에 따르면, 감지부(120) 및 신호 처리부(130)는 각각 광도파로 내에 제작될 수 있다. 광도파로는 광전력을 도파할 수 있는 구조의 것으로 광통신에서는 광신호를 전달하도록 설계된 광섬유를 의미한다. 본 실시예에 따른 광센서는 구성요소들을 광도파로 내에 형성할 수 있으므로, 원거리에서 측정할 수 있는 원격 센서 및 감지부를 여러 곳에 분산시켜 각 지점의 가스를 검출할 수 있는 분산 센서로 용이하게 구현할 수 있다. As described above, the concentration of each gas of the mixed gas may be measured by the operations of the light source 110, the detector 120, the signal processor 130, and the concentration calculator 140. In this case, according to the present embodiment, the sensing unit 120 and the signal processing unit 130 may be manufactured in the optical waveguide, respectively. An optical waveguide is a structure capable of guiding optical power, and refers to an optical fiber designed to transmit an optical signal in optical communication. Since the optical sensor according to the present exemplary embodiment may form components in an optical waveguide, it may be easily implemented as a distributed sensor capable of detecting gas at each point by distributing a remote sensor and a sensing unit that can be measured at a long distance. have.

이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성 및 작동에 대하여 살펴보도록 한다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에서 출력된 제1 변조광신호의 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다. Hereinafter, the configuration and operation of a sensing unit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. 2A is a block diagram illustrating a configuration of a sensing unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B illustrates a change in transmittance according to a wavelength of a first modulated light signal output from the sensing unit according to an embodiment of the present invention. It is a graph.

도 1에서 전술한 바와 같이, 광원(110)에서 출력된 광신호(112)가 감지부(120)로 입력된다. 이때, 감지부는 도 2a에 도시된 바와 같이, 광도파로에 형성될 수 있다. 광도파로는 중심부인 코어(171)와 코어를 둘러싼 클래딩(172)을 포함한다. 광도파로로 입력된 광신호(112)는 전반사의 원리에 따라 코어(171)를 따라 진행하게 되는데, 감지부(120)에 포함된 장주기 격자(121)에 해당하는 부위에서 모드변환이 일어난다. As described above in FIG. 1, the optical signal 112 output from the light source 110 is input to the sensing unit 120. In this case, the sensing unit may be formed in the optical waveguide, as shown in FIG. 2A. The optical waveguide includes a core 171, which is a central portion, and a cladding 172 surrounding the core. The optical signal 112 inputted to the optical waveguide proceeds along the core 171 according to the principle of total reflection, and mode conversion occurs at a portion corresponding to the long period grating 121 included in the detector 120.

광도파로에 형성된 감지부(120)에 입력된 광신호는 코어(171)의 굴절률이 클래딩(172)의 굴절률 보다 큰 값을 가지므로, 전반사의 원리에 따라 코어(171) 내부로 진행하게 되는데, 장주기 격자(121)가 형성되어 있는 부분에서 코어(171)와 클레딩(172)의 굴절률의 변화로 입력된 광신호(112)가 코어(171) 내부로 진행하지 못하고, 외부로 진행하게 된다. 이와 같은, 장주기 격자(121)에 의한 코어(171)와 클래딩(172) 영역간의 굴절률 변화를 이하, 본 명세서에서는 코어모드(mode)와 클래딩 모드의 모드변환이라고 칭하도록 한다.Since the refractive index of the core 171 has a larger value than that of the cladding 172, the optical signal input to the sensing unit 120 formed in the optical waveguide proceeds to the inside of the core 171 according to the principle of total reflection. In the part where the long period grating 121 is formed, the optical signal 112 input due to the change in the refractive index of the core 171 and the cladding 172 does not proceed to the inside of the core 171, but proceeds to the outside. Such a change in refractive index between the core 171 and the cladding 172 region by the long period grating 121 is hereinafter referred to as mode conversion between core mode and cladding mode.

코어(171)모드와 클래딩(172)모드의 모드 변환은 장주기격자(121)의 주기 및 클래딩(172)영역 외부에 코팅된 재질(123) 종류나 굴절률에 따라서 일부 파장 영역에서만 나타난다. 이렇게 모드변환에 의하여, 입력된 광신호(112)는 일부 파장영역 에서 클래딩(172) 외부로 진행되어 사라진다. 이때, 클래딩(172) 외부로 진행되어 사리지게 되는 광신호의 일부 파장 영역을 장주기 격자(121)의 반응 파장 영역이라고 칭하며, 이하 본 명세서에서 반응 파장영역은 상기와 같은 의미로 사용됨을 명확히 한다. 장주기격자(121)를 통과한 광신호(112), 즉 장주기격자(121)를 통과하여 출력된 장주기 격자 투과 광신호(114)의 특성을 살펴보면 도 2b에 도시된 바와 같이, 반응 파장 영역에 해당하는 파장 값을 갖는 광신호가 모드변환으로 인하여 사라진 것을 알 수 있다. Mode conversion of the core 171 mode and the cladding 172 mode occurs only in some wavelength regions depending on the period of the long period lattice 121 and the material 123 coated on the outside of the cladding 172 region or the refractive index. As a result of the mode conversion, the input optical signal 112 travels out of the cladding 172 in some wavelength region and disappears. In this case, a portion of the wavelength region of the optical signal that is carried out and disappears from the cladding 172 is referred to as the reaction wavelength region of the long period grating 121, and the reaction wavelength region is used herein in the same meaning as described above. Looking at the characteristics of the optical signal 112 passed through the long period grid 121, that is, the long period grating transmission optical signal 114 output through the long period grid 121, as shown in Figure 2b, corresponding to the reaction wavelength region It can be seen that the optical signal having a wavelength value that disappears due to the mode conversion.

클래딩(172)영역의 외부에 코팅된 재질(123)의 종류나 굴절률이 변할 경우 도2b에 도시된 장주기 격자 투과 광신호들(114(1), 114(2))과 같이, 반응 파장영역이 변하게 된다. 이렇게 변화된 반응 파장영역의 변화 값은 클래딩(172)영역의 외부에 코팅된 재질(123)의 굴절률 변화와 밀접한 관계가 있으므로 반응 파장 영역의 변화량을 측정함으로써 검출부(120)의 외부에 존재하는 혼합 가스의 변화량을 측정할 수 있게 된다. When the type or refractive index of the material 123 coated on the exterior of the cladding 172 is changed, the reaction wavelength region is changed as shown in the long-term grating transmission optical signals 114 (1) and 114 (2) shown in FIG. 2B. Will change. Since the change value of the changed reaction wavelength region is closely related to the refractive index change of the material 123 coated on the outside of the cladding 172 region, the mixed gas existing outside the detection unit 120 by measuring the change amount of the reaction wavelength region. The amount of change in can be measured.

본 실시예에 따른 광센서에서 기본적으로 가스를 검출하는 원리는 하기와 같다. 우선 장주기 격자(121)의 외부에 혼합 가스를 구성하는 가스와 반응하여 굴절률과 같은 광학적 특성이 변하는 재질(123)을 코팅시킨다. 이때 코팅하는 재질(123)은 전술한 바와 같이, 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라서 달라진다. 따라서, 검출하고자 하는 가스 종류의 개수에 따라, 감지부(120)의 개수가 달라진다. 예를 들어, 측정하고자 하는 가스의 종류가 세가지인 경우는 최소 3개의 감지부(120)가 필요하다. 감지부(120)에 포함되는 장주기 격자(121)에 코팅하는 재 질(123)은 가스의 종류에 따라 정해지므로, 측정하고자 하는 가스의 종류에 상응하여 감지부(120)의 최소 개수가 정해지게 되는 것이다. The principle of basically detecting the gas in the optical sensor according to the present embodiment is as follows. First, a material 123 is coated on the outside of the long period grating 121 to react with a gas constituting the mixed gas to change optical characteristics such as refractive index. In this case, the coating material 123 is changed according to the type of gas to be detected as described above. Therefore, the number of detectors 120 varies according to the number of gas types to be detected. For example, if there are three types of gas to be measured, at least three detectors 120 are required. Since the material 123 coated on the long period grating 121 included in the detector 120 is determined according to the type of gas, the minimum number of the detector 120 is determined according to the type of gas to be measured. Will be.

또한, 한 종류의 가스에 대해서 반응하는 재질이 다양한 경우, 한 종류의 가스에 대해서 각각 다른 재질(123)로 코팅된 여러 개의 감지부(120)를 할당하게 되면, 특정 감지부(120)가 고장 나더라도 전체 시스템을 멈추지 않고 계속 동작시킬 수 있기 때문에 안정성 및 정밀도를 높일 수 있게 된다. 따라서, 이러한 경우 감지부(120)의 개수는 측정하고자 하는 가스의 종류보다 많을 수 있다.In addition, when various materials react to one type of gas, when a plurality of sensing units 120 coated with different materials 123 are allocated to one type of gas, a specific sensing unit 120 may fail. Even if the whole system can be operated continuously without stopping, the stability and precision can be increased. Therefore, in this case, the number of the sensing unit 120 may be larger than the type of gas to be measured.

이와 같이 가스와 반응하여 광학적 특성이 변하는 재질(123)을 장주기 격자가 위치한 부위에 코팅함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같은 가스농도 변화에 따른 장주기 격자 투과 광신호의 파장 변화를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 파장 변화량은 가스의 농도에 대한 정보를 포함하고 있다.As described above, by coating the material 123 whose optical properties change in response to the gas on the long period grating, the wavelength change of the long period grating transmitted optical signal according to the gas concentration change as shown in FIG. 2B can be measured. The measured wavelength change includes information on the concentration of the gas.

감지부(120)는 가스 이외의 다른 물질을 측정하는 곳에도 응용 가능하다. 장주기 격자(121)를 둘러싸고 있는 외부 환경의 광학적 변동이 발생하는 경우, 장주기 격자(121)에 의하여 사라지게 되는 파장 영역, 즉 반응 파장 영역이 변화하게 된다. 장주기 격자(121)의 외부에 특정 물질에 반응하는 재질을 코팅하고, 그 물질에 노출 시키게 되면 물질의 농도에 따라 광학적 변동량이 달라지고, 이러한 특성을 바탕으로 장주기 격자의 반응 파장영역의 변화 값이 결정된다. The detector 120 may be applied to a place where a material other than gas is measured. When optical fluctuations in the external environment surrounding the long period grating 121 occur, the wavelength region disappeared by the long period grating 121, that is, the reaction wavelength region is changed. When a material reacting to a specific material is coated on the outside of the long period grating 121 and exposed to the material, the optical variation varies depending on the concentration of the material. Is determined.

즉, 본 실시예에 따른 감지부의 경우, 가스 이외에, 감지하고자 하는 물질에 반응하는 재질을 코팅시킴으로써 다양하게 응용이 가능하다. 또한 장주기 격자(121)의 외부에 액체를 기본으로 하는 물질이 위치할 경우, 특정 재질을 코팅 시 키지 않아도 액체 물질의 굴절률 변화에 따라 장주기 격자(121)의 반응 파장 영역이 변화하게 되어, 이를 기초로 액체물질의 농도를 측정할 수 있게 된다. That is, the sensing unit according to the present embodiment may be variously applied by coating a material reacting to a material to be sensed in addition to the gas. In addition, when the liquid-based material is located outside the long-period grating 121, the reaction wavelength region of the long-period grating 121 is changed according to the refractive index change of the liquid material even without coating a specific material. This allows the concentration of liquid substances to be measured.

이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성 및 작동에 대하여 살펴보도록 한다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부에서 출력된 제2 변조광신호의 파장에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프이다. Hereinafter, the configuration and operation of a signal processor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. 3A is a block diagram illustrating a signal processing unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B illustrates a change in reflectance according to a wavelength of a second modulated light signal output from a signal processing unit according to an embodiment of the present invention. The graph shown.

본 발명의 일 실시예에 따른, 신호 처리부(130)는 광도파로 내부에 형성될 수 있다. 이하, 도 3a를 참조하여, 신호 처리부(130)가 광도파로 내부에 형성된 경우를 중심으로 설명하도록 한다. According to an embodiment of the present invention, the signal processor 130 may be formed inside the optical waveguide. Hereinafter, a case in which the signal processor 130 is formed inside the optical waveguide will be described with reference to FIG. 3A.

신호 처리부(130)는 광도파로 내부에 형성되어 있는 단주기 격자(131)를 포함한다. 단주기 격자(131)는 도3b에 도시된 바와 같이, 특정 파장 값을 갖는 광신호를 반사시키는 특성을 지니고 있다. The signal processor 130 includes a short period grating 131 formed inside the optical waveguide. The short period grating 131 has a characteristic of reflecting an optical signal having a specific wavelength value, as shown in FIG. 3B.

단주기 격자(131)에 제어 신호를 인가함으로써 단주기 격자의 주기 또는 굴절률을 변화시켜 반사되는 반사파장을 변화시킬 수 있다. 이때, 단주기 격자의 외부에 부착된 재질(133)에 제어 신호를 인가하는 방법을 통하여, 반사파장을 변화시킬 수도 있다.By applying a control signal to the short period grating 131, the reflected wavelength may be changed by changing the period or refractive index of the short period grating. In this case, the reflected wavelength may be changed by applying a control signal to the material 133 attached to the outside of the short period grating.

단주기 격자(131)로 주파수가 f인 제어신호를 인가시켜 단주기 격자에서 반사되는 파장을 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수 f로 변조시킨다. 단주기 격 자(131)로 입력된 장주기 격자 투과 광신호(114(1)) 단주기 격자(131)를 지나면서, 파장(λ1)에서 반사되어 주파수 변조된 광신호(116(1))로 출력된다. 그리고, 단주기 격자(131)에 가해지는 제어신호에 의하여 단주기 격자의 주기 또는 굴절률이 변화함에 따라, 단주기 격자(131)에서 반사되는 반사 파장은 변화된다. 즉, 장주기 격자 투과 광신호는 변조 주파수(f)를 갖는 제어신호에 의하여 단주기 격자(131)에서 반사되어λ1 에서 λ2의 파장 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖는 주파수 변조된 광신호(116(2))로 출력되고, 이때 주파수 변조된 광신호가 λ1 에서 λ2의 한정된 파장 범위 내에서 변화되는 속도는 변조 주파수(f)와 같다. A control signal having a frequency f is applied to the short period grating 131 to modulate the wavelength reflected by the short period grating to a modulation frequency f within a limited wavelength range. The long period grating transmitted optical signal 114 (1) input to the short period grating 131 passes through the short period grating 131 to the optical signal 116 (1) that is reflected at the wavelength lambda 1 and is frequency-modulated. Is output. As the period or refractive index of the short-period grating is changed by a control signal applied to the short-period grating 131, the reflection wavelength reflected by the short-period grating 131 is changed. That is, the long-period grating transmission optical signal is reflected by the short-period grating 131 by a control signal having a modulation frequency f and is a frequency-modulated optical signal 116 having a wavelength value that varies within a wavelength range of λ 1 to λ 2. 2)), wherein the rate at which the frequency-modulated optical signal changes within a limited wavelength range of λ 1 to λ 2 is equal to the modulation frequency f.

도 2b를 참조하여 살펴보면, 단주기 격자(131)에서 반사되는 반사 파장은 가해지는 제어신호에 따라서, 한정된 파장 영역(λ1~λ2)의 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖는 주파수 변조된 광신호(116(1), 116(2))로 출력된다. 신호 처리부(130)는 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호를 입력 받아, 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력한다. 즉, 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)는 반사 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(116)를 출력하고, 이때 단주기 격자(131)에 가해지는 제어신호에 따라서 반사되는 파장 값은 변화하게 되고, 이때 주파수 변조된 광신호(116)의 파장 변화의 속도는 제어신호의 주파수와 같은 값을 갖는 변조 주파수(f)로 나타내어 질 수 있다. Referring to FIG. 2B, the reflected wavelength reflected by the short-period grating 131 is a frequency-modulated optical signal having a wavelength value that varies within a range of a limited wavelength region λ1 to λ2 according to a control signal applied thereto. 116 (1), 116 (2)). The signal processor 130 receives the long-period grating transmitted optical signal output from the sensing unit and outputs the frequency-modulated optical signal having a wavelength that changes within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f. That is, the short-period grating 131 included in the signal processor 130 outputs the frequency modulated optical signal 116 having the reflected wavelength, and at this time, the wavelength reflected by the control signal applied to the short-period grating 131. The value changes, and the rate of change of the wavelength of the frequency modulated optical signal 116 may be represented by a modulation frequency f having the same value as the frequency of the control signal.

이렇게 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호는 농도 계산부에 입력되며, 농도 계산부는 주파수 변조 된 광신호를 통하여, 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하게 된다. 이때 농도 계산부는 전술한 바와 같이, 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부 및 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있다. 이에 대하여, 도 4를 참조하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다. The frequency modulated optical signal having a wavelength that is changed within the wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f is input to the concentration calculation unit, and the concentration calculation unit uses the frequency modulated optical signal to determine the concentration of each gas of the mixed gas. Will be calculated. In this case, the concentration calculator may include a signal converter for converting the frequency-modulated optical signal into an electrical signal and a band pass filter for separating frequency components of the frequency-modulated optical signal from the electrical signal. This will be described in more detail with reference to FIG. 4.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 농도 계산의 원리를 나타내는 그래프이다. 4 is a graph illustrating a principle of concentration calculation of a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.

광원(110)에서 출력된 광신호(112)는 감지부(120)로 입력된다. 입력된 광신호(112)는 감지부(120)에 포함되는 장주기 격자(121)에 의해서, 도 4에 도시된 곡선 410 및 411과 같이, 반응 파장 영역의 광신호가 사라진 장주기 격자 투과 광신호로 출력된다 The optical signal 112 output from the light source 110 is input to the detector 120. The input optical signal 112 is output by the long period grating 121 included in the sensing unit 120 as a long period grating transmission optical signal in which the optical signal in the reaction wavelength region disappears, as shown by curves 410 and 411 shown in FIG. 4. do

감지부(120)에서 출력된 장주기 격자 투과 광신호는 신호 처리부(130)로 입력된다. 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)에 제어신호를 인가시켜 전술한 바와 같이 λ1에서 λ2까지, 한정된 파장 범위의 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(430)를 변조 주파수 f의 속도로 출력한다. The long period grating transmitted optical signal output from the detector 120 is input to the signal processor 130. By applying a control signal to the short-period grating 131 included in the signal processing unit 130, the frequency-modulated optical signal 430 having a wavelength in a limited wavelength range from lambda 1 to lambda 2, as described above, has a speed of modulation frequency f. Will output

감지부(120)로부터 신호 처리부(130)에 입력된 장주기 격자 투과 광신호(410)가 신호 처리부(130)의 단주기 격자에서 λ1에서 λ2까지의 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력된다. 이때, 주파수 변조된 광신호는 420에 도시된 바와 같이, 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 401 사이의 빛의 세기를 갖 고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 따라서 가스가 존재하지 않을 경우, 농도 계산부로 입력되는 주파수 변조된 광신호는 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 401 사이의 빛의 세기를 갖고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 이때, 농도 계산부에 포함된 신호 변환부는 주파수 변조된 광신호의 세기에 비례하는 값을 갖는 전류 및 전압으로 변환하여 출력한다. The long-period grating transmission optical signal 410 input from the sensing unit 120 to the signal processing unit 130 is output as a frequency-modulated optical signal having a wavelength of λ1 to λ2 in the short-period grating of the signal processing unit 130. At this time, the frequency-modulated optical signal has a light intensity between the transmittance 403 of the wavelength λ 1 and the transmittance 401 of the wavelength λ 2, as shown in 420, and has a modulation frequency f. Therefore, when no gas is present, the frequency modulated optical signal input to the concentration calculator has a light intensity between the transmittance 403 of the wavelength λ 1 and the transmittance 401 of the wavelength λ 2, and has a modulation frequency f. In this case, the signal converter included in the concentration calculator converts and outputs a current and a voltage having a value proportional to the intensity of the frequency-modulated optical signal.

그리고, 감지부(120)의 외부에 검출하고자 하는 가스가 존재하는 경우, 전술한 바와 같이 감지부(120)에 포함된 장주기 격자(121)에 코팅된 재질(123)의 광학적 특성이 변하게 되며, 장주기 격자를 투과 광신호의 반응 파장이 도 4의 411과 같이, 변화하게 된다. In addition, when there is a gas to be detected outside the sensing unit 120, as described above, the optical characteristics of the material 123 coated on the long period grating 121 included in the sensing unit 120 are changed. The response wavelength of the optical signal transmitted through the long period grating is changed as shown in 411 of FIG. 4.

본 명세서에서는 가스의 농도가 증가하는 경우 장주기 격자의 반응 파장이 장파장 쪽으로 변화한다고 가정하였으나, 이에 제한되지 않으며 가스의 농도가 증가하는 경우 반응 파장이 단파장 쪽으로 변화하는 경우에도, 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 가스가 없다가 가스가 존재하는 경우, 가스의 농도가 증가한 경우와 동일하므로 감지부(120)의 반응 파장은 도 4에 도시된 411과 같이, 가스가 존재하지 않는 경우(410)에 비하여 장파장 쪽으로 변화한다. In the present specification, it is assumed that the reaction wavelength of the long-period lattice changes toward the longer wavelength when the concentration of the gas increases, but the present invention is not limited thereto, and the present invention can be applied even when the reaction wavelength changes to the shorter wavelength when the concentration of the gas increases. Is apparent to those skilled in the art. If there is no gas but gas is the same as the case where the concentration of the gas is increased, the reaction wavelength of the sensing unit 120 is longer toward the longer wavelength than the case where no gas is present (410) as shown in FIG. 4. Change.

이때, 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)에 의하여 장주기 격자 투과 광신호를 변조 주파수 f의 속도로 한정된 파장 범위, 즉λ1에서 λ2의 범위 내의 파장 값을 갖도록 변화시킨 주파수 변조된 광신호가 출력된다. 전술한 바와 같이, 가스의 농도의 증가에 따라 장주기 격자 투과 광신호의 반응 파장이 장파장 쪽으로 변화하게 됨으로써, 신호 처리부(130)에서 출력되는 주파수 변조된 광신호 는 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 402 사이의 빛의 세기를 갖고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 즉, 도 4를 참조하여 살펴보면, 가스 농도가 증가하는 경우 출력된 주파수 변조된 광신호(421)는 가스가 존재하지 않는 경우의 주파수 변조된 광신호(420)에 비하여, 그 크기가 감소된 것을 알 수 있다. In this case, the short-period grating 131 included in the signal processing unit 130 changes the long-period grating transmission optical signal to have a wavelength value limited to a speed of the modulation frequency f, that is, a wavelength within a range of λ 1 to λ 2. The optical signal is output. As described above, the response wavelength of the long-period grating transmission optical signal is changed toward the longer wavelength as the concentration of the gas increases, so that the frequency-modulated optical signal output from the signal processing unit 130 has a wavelength λ 2 at a transmittance 403 of the wavelength λ 1. It has a light intensity between transmittance 402 and a modulation frequency f. That is, referring to FIG. 4, when the gas concentration is increased, the frequency-modulated optical signal 421 outputted is reduced in size compared to the frequency-modulated optical signal 420 when no gas is present. Able to know.

이렇게 감소되어 출력된 신호 변환부에서 출력된 주파수 변조된 광신호는 농도 계산부로 입력되어 주파수 변조된 광신호의 크기에 비례하는 전기적 신호로 변환되고, 변환된 전기적 신호는 농도 계산부에 포함될 수 있는 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 통과하게 된다. 그리고 대역통과필터를 통과한 전기적 신호를 기초로 혼합 가스의 가스 별 농도를 보다 정확하게 산출하게 된다. The frequency modulated optical signal output from the reduced and output signal converter is converted into an electrical signal proportional to the magnitude of the frequency modulated optical signal, and the converted electrical signal may be included in the density calculator. A bandpass filter separates the frequency components of the frequency-modulated optical signal. The concentration of each gas of the mixed gas is more accurately calculated based on the electrical signal passing through the bandpass filter.

본 실시예에 따른 광 센서는 감지부(120)로 입력된 광신호가, 가스와 반응하여 가스 농도에 따라 반응 파장이 변화된 장주기 격자 광신호로 출력되고, 이를 신호 처리부(70)및 농도 계산부에서 처리하여, 가스 농도를 산출할 수 있게 된다.In the optical sensor according to the present exemplary embodiment, the optical signal input to the sensing unit 120 is output as a long-period grating optical signal in which the reaction wavelength is changed according to the gas concentration by reacting with the gas, and the signal is processed by the signal processor 70 and the concentration calculator. By processing, the gas concentration can be calculated.

또한, 본 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 경우, 특정 가스와 반응하는 재질을 코팅시킴으로써 가스를 감지하는 광센서로 사용할 수 있으며, 다른 물질과 반응하는 재질을 코팅할 경우 특정 물질의 농도 및 광학적 특성을 측정할 수 있는 센서로도 응용 가능하다. In addition, in the case of a lattice type optical sensor for measuring a mixed gas according to the present embodiment, it can be used as an optical sensor for detecting a gas by coating a material reacting with a specific gas, when coating a material reacting with other materials It can also be used as a sensor to measure the concentration and optical properties of materials.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 응용예를 살펴보도록 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 다중센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도 이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 분산센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도 이다. 5 and 6, an application example of a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention will be described. 5 is a conceptual diagram illustrating an application example in which a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention is applied to multiple sensors, and FIG. 6 is a grating type for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention. This is a conceptual diagram showing an example of application of the optical sensor as a distributed sensor.

도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 다중 센서를 살펴보면, 장주기 격자의 반응 파장이 각각 상이한 감지부(120a, 120b, 120c…, 이하 120으로 칭함)와 장주기 격자의 반응 파장에 따른 반사 파장을 갖는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부(130a, 130b, 130c…, 이하 130으로 칭함)로 구성되어 있다. 농도 계산부(140)에 포함된 신호 변환부(141)에 의해서 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환시킨 후, 각각의 신호 처리부(130)의 변조 주파수와 조합을 이루는 대역투과 필터(143)들을 사용하면 각각의 감지부(120)에서 감지된 가스의 농도에 해당하는 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출해 낼 수 있다.Referring to the multi-sensor according to the embodiment of the present invention shown in Figure 5, the response wavelengths of the long-period grating different from the detection unit (120a, 120b, 120c ..., hereinafter referred to as 120) and the reflection wavelength according to the response wavelength of the long-period grating And a signal processor 130a, 130b, 130c, hereinafter referred to as 130, including a short-period grating. The bandpass filter 143 converts an optical signal frequency-modulated by the signal converter 141 included in the concentration calculator 140 into an electrical signal and then combines the modulation frequency of each signal processor 130. By using these, the concentration of the gas may be calculated through an electrical signal corresponding to the concentration of the gas sensed by each detector 120.

이때 각각의 감지부(120)에 포함된 장주기 격자에 코팅된 재질을 서로 다른 가스에 반응하는 재질로 변경하는 경우 혼합 가스를 측정하고자 하는 다중 센서로 구현할 수 있으며, 각각의 감지부(120)를 여러 곳에 분산 배치하는 분산 센서를 구현할 수 있다. 물론, 다중센서 및 분산센서 두 가지 모두로 함께 구현할 수 있음은 당업자에게 명확하다. In this case, when the material coated on the long-period lattice included in each sensing unit 120 is changed to a material reacting to different gases, the sensing unit 120 may be implemented as a multi-sensor for measuring mixed gas. A distributed sensor can be implemented that is distributed in several places. Of course, it will be apparent to those skilled in the art that both multi- and distributed sensors can be implemented together.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 기반으로 하는 분산센서 시스템의 응용예이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 광도파로에 여러 개의 감지부(120a, 120b, 120c…,이하 120로 칭함)를 제작하여 사 무실과 같은 공간의 여러 곳에 분산 배치 시켜 가스를 검출하는 원리이다. 기존의 센서와 달리 광섬유와 같은 광도파로를 기반으로 하는 가스센서이기 때문에 하나의 광섬유상에 여러 개의 감지부를 형성시킬 수 있으며, 감지부(120)의 개수가 증가하더라도 하나의 광원(110), 하나의 신호 처리부(130) 및 하나의 농도 계산부(140)를 사용하여 시스템을 구성할 수 있기 때문에 저렴하게 다중 분산 센서 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 광섬유를 기반으로 광센서를 구현할 수 있으며, 광섬유 자체의 광신호에 대한 삽입손실이 상당히 작기 때문에 광신호를 장거리 전송할 수 있다. 즉, 멀리 떨어진 곳의 가스농도를 검출할 수 있는 원격 가스 검출기에 응용이 가능하다.6 is an application example of a distributed sensor system based on a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a plurality of detectors 120a, 120b, 120c..., 120 are referred to as 120 in one optical waveguide, and distributed in various places such as an office room to detect gas. . Unlike conventional sensors, since it is a gas sensor based on an optical waveguide such as an optical fiber, it is possible to form several sensing units on one optical fiber, even if the number of sensing units 120 increases, one light source 110 and one Since the system can be configured using the signal processor 130 and the concentration calculator 140, the multi-distributed sensor system can be implemented at low cost. In addition, as described above, the optical sensor may be implemented based on the optical fiber, and since the insertion loss of the optical signal of the optical fiber itself is considerably small, the optical signal may be transmitted over a long distance. That is, the present invention can be applied to a remote gas detector capable of detecting a gas concentration in a distant place.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 대하여 살펴보도록 한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 제어흐름도 이다. 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 경우, 전술한 바 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서와 동일한 원리 및 동일한 동작과정을 가지므로 중복되는 설명은 생략하고 간략하게 살펴보도록 한다.Hereinafter, a grating-based grating-based grating-based mixed gas measuring method according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. 7 is a control flowchart of a grating-based grating-based mixed gas measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention. In the case of a lattice-based lattice-based mixed gas measuring method, since the lattice-based mixed gas measurement method has the same principle and the same operation process as that of the lattice-type optical sensor, the overlapping description will be omitted and briefly described.

먼저, 광신호를 출력한다(S710). 이렇게 출력된 광신호를 입력 받아, 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력한다(S720). 그리고, 장주기 격자를 투과 광신호를 입력 받아, 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력한다(S730). 그리고, 주파수 변조된 광신호를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출한다(S740). 이 때, 주파수 변조된 광신호를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계(S740)는 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여 가스 별 농도를 산출할 수 있으며, 크게 세가지 단계를 포함할 수 있다. First, an optical signal is output (S710). The optical signal output in this way is input, and the optical signal reacts with the mixed gas and outputs a long-period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed (S720). Then, the long period grating receives the transmission optical signal and outputs it as a frequency-modulated optical signal having a wavelength that changes within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f (S730). Then, the concentration of each gas of the mixed gas is calculated through the frequency modulated optical signal (S740). In this case, calculating the concentration of each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal (S740) may calculate the concentration of each gas through the magnitude of the frequency-modulated optical signal, and may include three steps. .

먼저, 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하고(S741), 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하여(S742), 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하게 된다(S743). 이러한 방법은 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법에 있어서도 동일하다. First, the frequency-modulated optical signal is converted into an electrical signal (S741), and the frequency component of the frequency-modulated optical signal is separated from the electrical signal (S742), and the concentration of gas is calculated through the separated electrical signal (S743). ). This method is the same for the lattice-based mixed material measurement method.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below It will be appreciated that modifications and variations can be made.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성도.1 is a block diagram of a grating type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성을 나타낸 구성도.Figure 2a is a block diagram showing the configuration of a sensing unit according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에서 출력된 장주기 격자 투과 광신호의 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프.Figure 2b is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength of the long-period grating transmission optical signal output from the sensing unit according to an embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성을 나타낸 구성도.Figure 3a is a block diagram showing the configuration of a signal processing unit according to an embodiment of the present invention.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부에서 출력된 주파수 변조된 광신호의 파장에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프.3B is a graph illustrating a change in reflectance according to a wavelength of a frequency modulated optical signal output from a signal processor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 농도 계산의 원리를 나타내는 그래프.Figure 4 is a graph showing the principle of the concentration calculation of the grating type optical sensor for measuring the mixed gas, according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 다중센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도.5 is a conceptual diagram illustrating an application example in which a grating-type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention is applied to multiple sensors.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 분산센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도.6 is a conceptual diagram illustrating an application example in which a grating-type optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention is applied as a dispersion sensor.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 제어흐름도.7 is a control flow chart of a grating-based grating-based mixed gas measurement method according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

110: 광원 140: 농도 계산부110: light source 140: concentration calculation unit

120: 감지부120: detector

130: 신호 처리부130: signal processing unit

Claims (18)

혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서,In the optical sensor for measuring the concentration of the gas constituting the mixed gas, 광신호가 출력되는 광원; A light source for outputting an optical signal; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부;A sensing unit including a long period grating coated with a material to receive an optical signal output from the light source and to output the long period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed in response to the mixed gas; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및A signal processing unit including a short-period grating for inputting a long-period grating transmission optical signal output from the sensing unit to output a frequency-modulated optical signal having a wavelength varying within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f; And 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서. And a concentration calculator configured to calculate a concentration for each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 농도 계산부는 The concentration calculation unit 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및A signal converter converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; And 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.And a bandpass filter for separating frequency components of the frequency-modulated optical signal from the electrical signal. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감지부의 최소 개수는 The minimum number of the detector 측정하고자 하는 상기 혼합 가스의 종류 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.The grating type optical sensor for measuring the mixed gas, characterized in that the same as the number of types of the mixed gas to be measured. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.The sensing unit and the signal processing unit is a grid type optical sensor for measuring the mixed gas, characterized in that formed in the optical waveguide. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.The concentration calculation unit is a grid-type optical sensor for measuring the mixed gas, characterized in that for calculating the concentration for each gas of the mixed gas through the magnitude of the frequency-modulated optical signal. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서. The grating type optical sensor for measuring the mixed gas, characterized in that the material for coating the long-period grating is different depending on the type of gas to be measured. 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서,In the method for measuring the concentration of the gas constituting the mixed gas, 광신호를 출력하는 단계; Outputting an optical signal; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계;Receiving the optical signal and outputting the optical signal as a long-period grating transmission optical signal in which an optical characteristic is changed in response to the mixed gas; 상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및Receiving the optical signal transmitted through the long-period lattice and outputting the optical signal as a frequency-modulated optical signal having a wavelength that changes at a rate of a modulation frequency f within a limited wavelength range; And 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법.Comprising a grid-based mixed gas measurement method comprising the step of calculating the concentration of each gas of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는Calculating the concentration of each gas of the mixed gas through the frequency modulated optical signal 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; Converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및Separating frequency components of the frequency modulated optical signal from the electrical signal; And 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법.Comprising the step of calculating the concentration of the gas through the separated electrical signal characterized in that the grid-based mixed gas measurement method. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스를 가스 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 가스 측정방법.The step of calculating the gas concentration of the mixed gas through the frequency-modulated optical signal may include calculating the concentration of the mixed gas by gas through the magnitude of the frequency-modulated optical signal. How to measure. 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서,In the optical sensor for measuring the concentration of the material constituting the mixed material, 광신호가 출력되는 광원; A light source for outputting an optical signal; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부;A sensing unit including a long period grating coated with a material to receive an optical signal output from the light source and to output the long period grating transmission optical signal in which optical characteristics are changed by reacting the input optical signal with the mixed material; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및A signal processing unit including a short-period grating for inputting a long-period grating transmission optical signal output from the sensing unit to output a frequency-modulated optical signal having a wavelength varying within a wavelength range defined by the speed of the modulation frequency f; And 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출 하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서. And a concentration calculator configured to calculate a concentration for each material of the mixed material through the frequency-modulated optical signal. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 농도 계산부는 The concentration calculation unit 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및A signal converter converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; And 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.And a bandpass filter for separating frequency components of the frequency-modulated optical signal from the electrical signal. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 감지부의 최소 개수는 The minimum number of the detector 측정하고자 하는 상기 혼합 물질의 종류 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.A grating type optical sensor for measuring a mixed material, the same as the number of types of mixed materials to be measured. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.The sensing unit and the signal processing unit is a grid type optical sensor for measuring a mixed material, characterized in that formed in the optical waveguide. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.The concentration calculator is a grid-type optical sensor for measuring the mixed material, characterized in that for calculating the concentration for each material of the mixed material through the magnitude of the frequency-modulated optical signal. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서. The grating-type optical sensor for measuring the mixed material, characterized in that the material for coating the long period grating is different depending on the type of material to be measured. 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서,In the method for measuring the concentration of a substance constituting the mixed substance, 광신호를 출력하는 단계; Outputting an optical signal; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계;Receiving the optical signal and outputting the optical signal as a long-period lattice transmission optical signal in which optical characteristics are changed by reacting with the mixed material; 상기 장주기 격자 투과 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및Receiving the long period lattice transmission optical signal and outputting the long period lattice transmission optical signal as a frequency modulated optical signal having a wavelength varying at a rate of a modulation frequency f within a limited wavelength range; And 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.Comprising a step of calculating the material-specific concentration of the mixed material through the frequency-modulated optical signal. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는Calculating the concentration of each substance of the mixed material through the frequency modulated optical signal 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계;Converting the frequency modulated optical signal into an electrical signal; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및Separating frequency components of the frequency modulated optical signal from the electrical signal; And 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 물질의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.Comprising the step of calculating the concentration of the material through the separated electrical signal characterized in that the grid-based mixed material measurement method. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질을 물질 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.Computing the concentration of each material of the mixed material through the frequency-modulated optical signal, the grid-based mixed material, characterized in that for calculating the concentration of the mixed material material by the magnitude of the frequency-modulated optical signal How to measure.
KR1020080033150A 2008-04-10 2008-04-10 Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement KR100933771B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080033150A KR100933771B1 (en) 2008-04-10 2008-04-10 Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080033150A KR100933771B1 (en) 2008-04-10 2008-04-10 Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090107729A KR20090107729A (en) 2009-10-14
KR100933771B1 true KR100933771B1 (en) 2009-12-24

Family

ID=41551190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080033150A KR100933771B1 (en) 2008-04-10 2008-04-10 Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100933771B1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10436761B2 (en) * 2015-05-05 2019-10-08 Honeywell International Inc. Gas identification by measuring stain development at multiple specific wavelength regions with narrow band optical sensors
EP3112846B1 (en) * 2015-06-29 2017-05-17 Sick Ag Method of determining the concentration of a gas component and spectrometer for same
CN108956536B (en) * 2018-05-25 2023-09-08 天津理工大学 Single-fiber mixed gas component identification and concentration detection simultaneous sensing device
KR102492239B1 (en) * 2021-01-29 2023-01-26 한국공학대학교산학협력단 Optical refractive index sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002131550A (en) 2000-10-25 2002-05-09 Mitsubishi Cable Ind Ltd Optical loss filter
US6441893B1 (en) 2001-09-04 2002-08-27 Kwangju Institute Of Science And Technology Measurement method of resonant nonlinearity in a nonlinear optical fiber using a long period fiber grating pair
US7151872B1 (en) 2005-11-22 2006-12-19 General Electric Company Method, system and module for monitoring a power generating system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002131550A (en) 2000-10-25 2002-05-09 Mitsubishi Cable Ind Ltd Optical loss filter
US6441893B1 (en) 2001-09-04 2002-08-27 Kwangju Institute Of Science And Technology Measurement method of resonant nonlinearity in a nonlinear optical fiber using a long period fiber grating pair
US7151872B1 (en) 2005-11-22 2006-12-19 General Electric Company Method, system and module for monitoring a power generating system

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090107729A (en) 2009-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8467977B2 (en) Fiber optic carbon dioxide purity sensor package and system
US9170130B2 (en) Fiber-optic sensor device having a second fiber bragg grating unit to reflect light passing through a fiber optic sensor
CN104781638B (en) For the method for the physical characteristic parameter for monitoring high-tension transformer
US20110228275A1 (en) Fiber optic hydrogen purity sensor and system
KR100933771B1 (en) Lattice-type photo sensor and Lattice-based mixed gas measurement method for mixed gas measurement
KR101209627B1 (en) Optical fiber sensor system using an optical spectrometer
CN102147297A (en) Distributed optical fiber temperature sensing measurement device and method
US11346689B2 (en) Optical measuring system with an interrogator and a polymer-based single-mode fibre-optic sensor system
CN201909686U (en) Distributed optical fiber temperature sensing and measuring device
JP4524363B2 (en) Optical fiber hydrogen sensor enabling hydrogen distribution measurement and measurement method using the same
EP1238264A1 (en) Refractometer with blazed bragg gratings
US7453572B1 (en) Method and apparatus for continuous measurement of the refractive index of fluid
CN110031125A (en) A kind of optical fiber temperature humidity sensing system
KR100275521B1 (en) Optical signal wavelength measurement device and optical fiber Bragg grating sensor device and method using wavelength selective photodetector
KR100954092B1 (en) Optical gas sensor and method for measuring mixed gases
CN100392454C (en) Method and apparatus for sensing methane concentration based on optical fiber Bragg raster
CN108267160A (en) Time-multiplexed fiber Bragg grating sensor
Palmowski et al. Optical strain sensor with dual fibre Bragg grating topology
KR101030728B1 (en) monitoring system using dual wavelength fiber bragg grating sensor and method thereof
CN212083225U (en) Optical fiber gas detection device and optical fiber sensor
CN101424624A (en) Optical fibre grating sensor
Szolga Humidity and Isopropyl Alcohol Detection Sensor Based on Plastic Optical Fiber
KR102582489B1 (en) Optical sensor for hydrogen which is independent of pressure and temperature and hydrogen gas detection system including the same
Li et al. Optical fiber remote sensing system of methane at 1645nm using wavelength-modulation technique
CN200950120Y (en) Fiber Bragg grating based methane concentration sensing device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120921

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131007

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee