KR101197420B1 - 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 온도 측정 장치는, 펌핑 신호를 발생시키는 펌핑 광원; 펌핑 광원으로부터 펌핑 신호가 입사될 때 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출 스펙트럼을 방출하는 어븀 첨가 광섬유(EDF, Erbium Doped Fiber)를 구비하는 온도 센서; 및 어븀 첨가 광섬유로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는 파워 디텍터를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법{Apparatus to sense temperature and method to sense temperature thereof}
온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법이 개시된다.
외부 온도를 측정하기 위한 여러 장치들이 있다. 그런데, 이러한 온도 측정 장치의 경우 상온은 정확하게 측정할 수 있지만 저온, 특히 극저온 측정에 있어서는 측정이 불가능한 할 수도 있고 정확도가 다소 떨어질 수 있다.
이에 극저온의 외부 온도를 측정하기 위한 다수의 온도 측정 장치가 개발되어 실제 사용되고 있다. 이러한 온도 측정 장치는, 영도 이하의 영역에서 사용되는 온도계, 극저온 냉동기 분야, 극저온을 이용하는 학 분야, 초전도체, 핵 융합 등의 극저온을 이용한 산업 분야, 군수 산업 분야, 우주 개발 분야 등에 사용될 수 있다.
한편, 종래의 광섬유를 이용한 극저온 온도 측정 장치는, 일반적으로 광섬유 브래그 격자나 장주기 격자를 이용하여 온도를 측정한다.
그러나, 광섬유 브래그 격자나 광섬유 장주기 격자는 부서지기 쉽고, 실리카 재질로 마련되기 때문에 열팽창 계수가 낮아 실용적인 온도계로 이용하는 데에는 한계가 있었다. 이에, 실용적인 온도계로 이용을 하기 위해서는, 브래그 격자나 광섬유 장주기 격자가 형성된 부분에 열팽창 계수가 높은 물질, 예를 들면 알루미늄, PMMA(Poly Methyl MethAcrylate), 테플론(Teflon) 등을 코팅하여서 열팽창 계수를 높여야만 한다. 하지만, 이러한 물질들을 이용하기 때문에 분해능이 제한되고, 또한 구부림이나 인력, 장력 등에 의해서 영향을 받는다는 단점이 있다.
또한 브래그 격자나 장주기 격자를 이용한 온도 측정 장치에 있어서는, 공명 파장이 측정 변수가 되는데, 이때 특정 영역대의 스펙트럼을 얻기 위해서는 옵티컬 스펙트럼 분석 장치와 같은 고가의 장비가 요구되는 단점이 있다.
이에, 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있되 외부 물질을 별도로 장착할 필요가 없으며, 아울러 외부의 물리적인 섭동, 예를 들면 구부림 또는 인장력 등에 민감하지 않으며, 또한 옵티컬 스펙트럼 분석 장치와 같은 고가의 장비를 구비하지 않고도 온도 측정을 정확하게 수행할 수 있는 온도 센싱 장치의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 펌핑 광원, 온도 센서 및 파워 디텍터의 간단한 구성으로 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있으며, 이로 인해 전체적인 제작 비용을 절감할 수 있는 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 어븀 첨가 광섬유를 갖는 온도 센서는 종래의 광섬유 브래그 격자나 장주기 격자를 이용한 센서들과는 달리 어븀 첨가 광섬유 자체에 물리적 변형이 발생되지 않아 손상되지 않으며, 또한 인장력 또는 구부림 등의 외부 섭동에 민감하게 반응하지 않아 외부 온도를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 자발방출 원리를 이용하여 외부 온도를 측정함으로써 온도 측정을 위하여 별도의 장치를 구비하지 않아도 되며, 이에 따라 제작을 용이하게 하면서도 제작 비용을 낮출 수 있는 온도 측정 장치 및 그의 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 측정 장치는, 펌핑 신호를 발생시키는 펌핑 광원; 상기 펌핑 광원으로부터 상기 펌핑 신호가 입사될 때 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 스펙트럼을 방출하는 어븀 첨가 광섬유(EDF, Erbium Doped Fiber)를 구비하는 온도 센서; 및 상기 어븀 첨가 광섬유로부터 방출되는 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는 파워 디텍터를 포함하며, 이러한 구성에 의해서, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
여기서, 상기 펌핑 광원은 상기 펌핑 신호로서 레이저 다이오드(laser diode)를 발산할 수 있다.
상기 온도 센서는, 상기 어븀 첨가 광섬유가 감기는 금속 재질의 실린더 하우징을 더 포함하며, 상기 실린더 하우징에는 상기 어븀 첨가 광섬유가 인입되어 감길 수 있도록 소정 폭 및 깊이로 함몰된 권선홈이 마련될 수 있다.
상기 실린더 하우징의 외면에는 상기 어븀 첨가 광섬유를 보호하기 위한 세라믹 재질의 실드(shield)가 장착될 수 있다.
상기 자발방출 스펙트럼은 중심파장 1500 내지 1560나노미터(nm)에서 반치폭 25 내지 35나노미터(nm)를 가지며, 외부 온도를 낮추는 경우, 균질 확산(homogeneous broadening) 효과가 억제되어 상기 반치폭이 감소되고 첨두 파워가 증가되는데, 이때 상기 파워 디텍터가 상기 첨두 파워를 측정함으로써 상기 외부 온도를 측정할 수 있다.
상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에는 파이버 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating)가 배치되며, 상기 파이버 브래그 격자의 적어도 일측면에는 테플론(Teflon) 재질의 테플론층이 마련될 수도 있다.
상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에는 측면이 연마된 측면 연마 파이버(Side-polished fiber)가 배치되며, 상기 측면 연마 파이버의 적어도 일측면에는 테플론 재질의 테플론층이 마련될 수도 있다.
상기 온도 측정 장치는, 상기 온도 센서 및 상기 파워 디텍터 사이에 마련되어 상기 어븀 첨가 광섬유로부터의 상기 자발방출 스펙트럼을 선형 편광하는 인라인 편광부; 및 상기 인라인 편광부와 상기 파워 디텍터 사이에 배치되어 상기 인라인 편광부에 의해 선형 편광된 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장을 컷오프(cutoff)하는 단일 편광 파이버(Single Polarization Fiber)를 더 포함할 수 있다.
상기 어븀 첨가 광섬유는 사냑 루프(Sagnac loop)에 포함되며, 상기 온도 측정 장치는, 상기 사냑 루프의 전후를 연결시키는 3dB 광파워 분할기를 더 포함할 수 있다.
상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에 광섬유 장주기 격자가 배치될 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 온도 측정 장치의 온도 측정 방법은, 펌핑 광원으로부터 온도 센서에 구비되는 어븀 첨가 광섬유로 펌핑 신호(pumping signal)를 입사하는, 펌핑 신호 입사 단계; 상기 펌핑 신호에 반응하여 상기 어븀 첨가 광섬유가 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 스펙트럼을 방출하는, 스펙트럼 방출 단계; 및 파워 디텍터에 의해 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는, 온도 측정 단계;를 포함할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
상기 펌핑 신호 입사 단계에서 상기 어븀 첨가 광섬유로 입사되는 상기 펌핑 신호는 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.
상기 스펙트럼 방출 단계에서 방출되는 상기 자발방출 스펙트럼은 중심파장 1500 내지 1560나노미터(nm)에서 반치폭 25 내지 35나노미터(nm)를 가지며, 상기 온도 측정 단계에서, 외부 온도를 낮추는 경우, 균질 확산(homogeneous broadening) 효과가 억제되어 상기 반치폭이 감소되고 첨두 파워가 증가되는데, 이때 상기 파워 디텍터가 상기 첨두 파워를 측정함으로써 상기 외부 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 어븀 첨가 광섬유의 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 원리를 이용하여 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 펌핑 광원, 온도 센서 및 파워 디텍터의 간단한 구성으로 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있으며, 이로 인해 전체적인 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 어븀 첨가 광섬유를 갖는 온도 센서는 종래의 광섬유 브래그 격자나 장주기 격자를 이용한 센서들과는 달리 어븀 첨가 광섬유 자체에 물리적 변형이 발생되지 않아 손상되지 않으며, 또한 인장력 또는 구부림 등의 외부 섭동에 민감하게 반응하지 않아 외부 온도를 신뢰성 있게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 자발방출 원리를 이용하여 외부 온도를 측정함으로써 온도 측정을 위하여 별도의 장치를 구비하지 않아도 되며, 이에 따라 제작을 용이하게 하면서도 제작 비용을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 측정 장치의 어븀 첨가 광섬유로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼 변화를 온도 측정 장치에 가해지는 온도에 따라 표현한 그래프이다.
도 3은 도 2의 그래프의 특정 파장에서의 ASE Power와 외부 온도의 관계를 표현한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 온도 센서부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 4의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 온도 측정 방법의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다.
이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 온도 측정 장치의 어븀 첨가 광섬유로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼 변화를 온도 측정 장치에 가해지는 온도에 따라 표현한 그래프이고, 도 3은 도 2의 그래프의 특정 파장에서의 ASE Power와 외부 온도의 관계를 표현한 그래프이며, 도 4는 도 1에 도시된 온도 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 4의 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는, 펌핑 신호(111, pumping signal)를 발생시키는 펌핑 광원(110)과, 펌핑 광원(110)으로부터 펌핑 신호(111)가 입사될 때 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출 스펙트럼(127)을 방출하는 어븀 첨가 광섬유(121, EDF, Erbium Doped Fiber)를 구비하는 온도 센서(120)와, 펌핑 광원(110)으로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S, 도 2 참조)의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는 파워 디텍터(130)를 포함한다.
이들 구성 중 먼저 펌핑 광원(110)에 대해 설명하면, 본 실시예의 펌핑 광원(110)은, 펌핑 신호(111)로서 980나노미터(nm)의 레이저 다이오드(111, laser diode)를 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)에 입사시킨다. 다만, 펌핑 광원(110)으로부터 방출되는 펌핑 신호(111)가 레이저 다이오드(111)로 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 펌핑 신호(111)가 어븀 첨가 광섬유(121)로 제공될 수 있음은 당연하다.
본 실시예의 온도 센서(120)는, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소정 형상을 갖는 외관에 어븀 첨가 광섬유(121)가 권선된 형상을 갖는다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 온도 센서(120)는, 펌핑 광원(110)으로부터의 레이저 다이오드(111)를 이용하여 어븀 원자의 전자를 여기시킴으로써 자발방출 스펙트럼(127)을 방출시키는 어븀 첨가 광섬유(121)와, 외관을 형성하며 어븀 첨가 광섬유(121)가 감기는 실린더 하우징(122)과, 실린더 하우징(122)의 외면에 부착되어 어븀 첨가 광섬유(121)를 보호하는 실드(126, shield)를 포함할 수 있다.
실린더 하우징(122)은, 전도성이 우수한 금속 재질로 마련된다. 또한 실린더 하우징(122)에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 둘레를 따라 소정 폭 및 깊이를 갖는 권선홈(123)이 마련될 수 있으며, 이러한 권선홈(123)에 전술한 어븀 첨가 광섬유(121)가 권취될 수 있다.
다만, 도 5에 도시된 바와 같이, 실린더 하우징(122)의 내부는 빈 공간(122S)으로 마련될 수 있다. 이는, 본 실시예의 온도 센서(120)가 외부 온도의 변화에 보다 민감하게 반응하여 보다 정확한 열평형에 도달하도록 하기 위함이다.
실린더 하우징(122)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 권선홈(123)을 기준으로 양측에 소정 폭의 보호 부분(124, 125)을 구비할 수 있다. 이러한 보호 부분(124, 125)은, 온도 센서(120)에 가해질 수 있는 외부 섭동(예를 들면, 바람 또는 외부의 물리적인 충격)으로부터 온도 센서(120), 특히 어븀 첨가 광섬유(121)를 보호하며, 이에 따라 온도 센서(120)가 외부의 영향을 받지 않고 열평형 상태를 유지할 수 있도록 한다.
아울러, 실린더 하우징(122)의 일측에는, 본 실시예의 온도 센서(120)를 이용하여 원거리의 외부 온도 측정이 가능하도록 별도의 구성(미도시)과 스크루 결합 가능한 나사홈(128)이 형성되어 있다.
한편, 본 실시예의 실드(126)는, 열전도율이 낮고 내구성이 우수한 세라믹(ceramic) 재질로 마련되며 실린더 하우징(120)의 외면에 부착되어 온도 센서(120)를 전체적으로 보호하는 역할을 한다. 이러한 실드(126)는, 재질적 특성을 이용하여 외부 섭동의 영향을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 본 실시예의 온도 센서(120)가 열평형 상태를 유지할 수 있도록 한다.
한편, 본 실시예의 어븀 첨가 광섬유(121)는, 전술한 실린더 하우징의 권선홈(123)에 감기는데, 이때 대략 7미터(m) 정도의 어븀 첨가 광섬유(121)가 권선홈(123)에 감길 수 있다. 다만, 어븀 첨가 광섬유(121)의 권선 길이가 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 어븀 첨가 광섬유(121)는, 펌핑 광원(110)으로부터의 레이저 다이오드(111)를 이용하여 어븀 원자를 여기시킨다. 그러면, 여기된 어븀 원자의 자발방출 특성에 의해 자발방출 스펙트럼(127)이, 도 2 및 도 3의 그래프에 도시된 바와 같이, 방출된다. 즉, 980나노미터(nm)의 레이저 다이오드(111)가 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)에 입사되는 경우, 중심파장 1530나노미터(nm) 근처에서 반치폭이 30나노미터(nm)에 달하는 자발방출 스펙트럼(127)이 방출되는 것이다.
이때, 외부를 극저온 영역으로 낮추어 주면 어븀 원자의 균질 확산(homogeneous broadening, ‘균질 선 넓힘’이라고도 명칭함) 효과를 억제할 수 있으며 이에 따라 자발방출 스펙트럼(127)의 반치폭이 줄어들게 되고 첨두 파워가 증가한다. 이러한 원리를 이용하여 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S)의 파워를 후술할 파워 디텍터(130)에 의해 측정함으로써 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 어븀 첨가 광섬유(121)는 어븀 원자의 자발방출 특성을 이용하여 외부의 극저온 온도에 이르기까지 정확하게 측정할 수 있도록 하는데, 이때 어븀 첨가 광섬유(121) 및 그를 구비하는 온도 센서(120)는 극저온으로 외부 환경이 바뀌더라도 손상되지 않아 종래와 같이 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 온도 측정을 정확하게 수행할 수 있도록 한다.
한편, 본 실시예의 파워 디텍터(130)는, 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S)의 파워를 측정함으로써 온도 센서(120)가 배치되는 외부의 온도, 특히 극저온의 온도에 이르기까지 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
이러한 파워 디텍터(130)는 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S)의 파워, 즉 첨두 파워를 단순히 측정함으로써 외부 온도를 신속하면서도 간단하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 종래에 비해 전체 장치를 축소시킬 수 있어 제작 비용을 줄일 수 있다.
한편, 이하에서는 전술한 구성을 갖는 온도 측정 장치(100)의 온도 측정 방법에 대해서 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 온도 측정 방법의 순서도이다.
이에 도시된 바와 같이, 온도 측정 장치(100)의 온도 측정 방법은, 펌핑 광원(110)으로부터 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)로 펌핑 신호(111)를 입사하는 펌핑 신호 입사 단계(S100)와, 펌핑 신호(111)를 이용하여 어븀 첨가 광섬유(121)가 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출 스펙트럼(127)을 방출하도록 하는 스펙트럼 방출 단계(S200)와, 전술한 파워 디텍터(130)에 의해 어븀 첨가 광섬유(121)로부터 방출되는 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S)의 파워를 측정함으로써 외부 온도를 측정하는 온도 측정 단계(S300)를 포함한다.
여기서, 펌핑 신호 입사 단계(S100) 시 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)로 입사되는 펌핑 신호(111)는 980나노미터(nm)의 레이저 다이오드(111)이며, 이러한 파장의 레이저 다이오드(111)가 어븀 첨가 광섬유(121)에 입사될 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 방출 단계(S200)에서 중심 파장 1530나노미터(nm)에 반치폭 30나노미터(nm)를 갖는 자발방출 스펙트럼(127)이 방출될 수 있다.
한편, 온도 측정 단계(S300)에서 전술한 온도 센서(120)를 온도 측정 대상물과 반응시켜 온도를 낮추게 되면 어븀 첨가 광섬유(121)로부터 발생되는 어븀 원자의 균질 확산 효과를 억제할 수 있으며 이에 따라 자발방출 스펙트럼(127)의 반치폭이 줄어들게 되고 첨두 파워가 증가한다. 이때 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S)의 파워를 파워 디텍터(130)에 의해 측정함으로써 온도 측정 대상물의 온도 상태, 예를 들면 극저온의 온도 상태를 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 펌핑 광원(110)으로부터의 레이저 다이오드(111)를 이용하여 온도 센서(120)의 어븀 첨가 광섬유(121)가 자발방출 스펙트럼(127)을 방출시키고, 방출된 자발방출 스펙트럼(127)의 특정 파장대(S, 도 2 참조)의 파워를 파워 디텍터(130)가 감지함으로써 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 다만, 이때 펌핑 광원(110), 온도 센서(120) 및 파워 디텍터(130)의 간단한 구성으로 극저온의 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있으며, 이로 인해 전체적인 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 실시예에 의하면, 어븀 첨가 광섬유(121)를 갖는 온도 센서(120)는 종래의 광섬유 브래그 격자나 장주기 격자를 이용한 센서들과는 달리 어븀 첨가 광섬유(121) 자체에 물리적 변형이 발생되지 않아 손상되지 않으며, 또한 인장력 또는 구부림 등의 외부 섭동에 민감하게 반응하지 않음으로써 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한 본 실시예에 의하면, 열팽창 원리를 이용하여 외부 온도를 측정하는 것이 아니라 자발방출(ASE) 원리를 이용하여 외부 온도를 측정함으로써 온도 측정을 위하여 별도의 장치를 구비하지 않아도 되며, 이에 따라 제작을 용이하게 하면서도 제작 비용을 낮출 수 있다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 온도 측정 장치에 대해 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 측정 장치에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 측정 장치(200)는, 어븀 첨가 광섬유(221)에 파이버 브래그 격자(240, FBG, Fiber Bragg Grating)가 마련되고, 파이버 브래그 격자(240)의 일면에 테플론(Teflon) 재질로 마련되는 테플론층(241)이 마련된다.
이러한 구성을 갖는 온도 센서(220)의 경우 어븀 첨가 광섬유(221)의 벤딩 구조에 의해서 파이버 브래그 격자(240)의 효과가 나타나지 않다가 외부 온도의 저하에 의하여 테플론층(241)이 급격하게 축소되는 경우 어븀 첨가 광섬유(221)의 벤딩 효과가 감소되고 파이버 브래그 격자(240)에 의한 스펙트럼 상의 공명 피크가 발생된다. 이때, 온도의 감소에 따라 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워가 감소하는 파장범위의 파이버 브래그 격자(240)를 이용하는 경우, 온도에 따른 측정 파워의 감소가 커지므로 외부 온도를 민감하게 측정할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 온도 측정 장치(300)에서는, 어븀 첨가 광섬유(321)의 일부 구간에 측면이 연마된 측면 연마 파이버(340)가 배치되고, 측면 연마 파이버(340)의 일면에 테플론 재질의 테플론층(341)이 마련된다.
이러한 구성에 의해서, 상온에서 어븀 첨가 광섬유(321)의 자발방출 스펙트럼을 획득한 후, 측면 연마 파이버(340)를 이용하여 온도를 측정한다. 부연 설명하면, 본 실시예의 측면 연마 파이버(340)를 이루는 테플론층(341)의 두께에 따라서 투과되는 빛의 특정 파장이 공명(resonance)되어 소광되는 특성을 이용한다.
다시 말해, 외부 온도가 낮아질수록 테플론층(341)이 수축하면서 두꺼워지므로 공명 파장(343)이 장파장 쪽으로 이동하게 되는데 이때 광 스펙트럼을 분석하는 분광 분석기(330)가 공명 파장(343)을 측정함으로써 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 온도 측정 장치(400)는, 온도 센서(420)와 파워 디텍터(430) 사이에 장착되는 인라인 편광부(450)와, 어븀 첨가 광섬유(421)와 접합되어 있는 단일 편광 파이버(460, Single Polarization Fiber)를 더 포함한다.
여기서 단일 편광 파이버(460)는 1550나노미터(nm)의 근방에서 컷오프(cutoff) 파장을 가지며, 이러한 단일 편광 파이버(460)에 의해서 1550나노미터(nm) 이상의 빛은 소광될 수 있다. 따라서 외부 온도가 낮아질수록 어븀 첨가 광섬유(421)의 벤드 폭이 줄어들고 따라서 컷오프되는 파워가 줄어들게 되는데 이때 파워를 측정함으로써 외부 온도의 측정을 정확하게 수행할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 온도 측정 장치(500)의 어븀 첨가 광섬유(521)는 사냑 루프(540, Sagnac loop)에 포함된다. 그리고 전후의 루프를 연결시키는 3dB 광파워 분할기(570)를 더 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서 외부 온도가 내려갈수록 테플론층(미도시)의 수축이 강해져서 복굴절이 유도되고, 측정되는 자발방출 스펙트럼의 간섭무늬는 더욱 촘촘해지는데, 이때 자발방출 스펙트럼을 분광 분석기(530)에 의해 감지함으로써 외부 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에 따른 온도 측정 장치(600)에서는, 온도가 낮아질수록 어븀 첨가 광섬유(621)의 자발방출 스펙트럼의 벤드 폭은 좁아지고, 장주기 격자(640)의 공명 피크가 단파장으로 이동한다.
따라서 자발방출 스펙트럼 중 온도 감소에 비례하여 파워가 감소하는 파장 범위 중 특정 파장의 파워 감소율을 증가시킬 수 있고, 파워 디텍터(630)에 의해 감소되는 파워를 측정함으로써 외부 온도를 민감하게 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 온도 측정 장치 110 : 펌핑 광원
120 : 온도 센서 121 : 어븀 첨가 광섬유
122 : 실린더 하우징 127 : 자발방출 스펙트럼
130 : 파워 디텍터

Claims (13)

  1. 펌핑 신호를 발생시키는 펌핑 광원;
    상기 펌핑 광원으로부터 상기 펌핑 신호가 입사될 때 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 스펙트럼을 방출하는 어븀 첨가 광섬유(EDF, Erbium Doped Fiber)와, 상기 어븀 첨가 광섬유가 감기는 중공 상태의 실린더 하우징을 구비하는 온도 센서; 및
    상기 어븀 첨가 광섬유로부터 방출되는 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는 파워 디텍터;
    를 포함하며,
    상기 실린더 하우징에는 상기 어븀 첨가 광섬유가 인입되어 감김으로써 외부 노출 또는 외부 섭동을 방지하도록 하는 권선홈이 함몰 형성되며,
    상기 자발방출 스펙트럼은 중심파장 1500 내지 1560나노미터(nm)에서 반치폭 25 내지 35나노미터(nm)를 가지며, 외부 온도를 낮추는 경우, 균질 확산(homogeneous broadening) 효과가 억제되어 상기 반치폭이 감소되고 첨두 파워가 증가되는데, 이때 상기 파워 디텍터가 상기 첨두 파워를 측정함으로써 상기 외부 온도를 측정하는 온도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑 광원은 상기 펌핑 신호로서 레이저 다이오드(laser diode)를 발산하는 온도 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 하우징의 외면에는 상기 어븀 첨가 광섬유를 보호하기 위한 세라믹(ceramic) 재질의 실드가 장착되는 온도 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에는 파이버 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating)가 배치되며, 상기 파이버 브래그 격자의 적어도 일측면에는 테플론(Teflon) 재질의 테플론층이 마련되는 온도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에는 측면이 연마된 측면 연마 파이버(Side-polished fiber)가 배치되며, 상기 측면 연마 파이버의 적어도 일측면에는 테플론 재질의 테플론층이 마련되는 온도 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서 및 상기 파워 디텍터 사이에 마련되어 상기 어븀 첨가 광섬유로부터의 상기 자발방출 스펙트럼을 선형 편광하는 인라인 편광부; 및
    상기 인라인 편광부와 상기 파워 디텍터 사이에 배치되어 상기 인라인 편광부에 의해 선형 편광된 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장을 컷오프(cutoff)하는 단일 편광 파이버(Single Polarization Fiber)를 더 포함하는 온도 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 어븀 첨가 광섬유는 사냑 루프(Sagnac loop)에 포함되며,
    상기 사냑 루프의 전후를 연결시키는 3dB 광파워 분할기를 더 포함하는 온도 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 어븀 첨가 광섬유의 일부 구간에 광섬유 장주기 격자가 배치되는 온도 측정 장치.
  11. 펌핑 광원으로부터, 온도 센서에 구비되는 중공 상태의 실린더 하우징에 함몰 형성된 권선홈에 감김으로써 외부 노출 또는 외부 섭동이 방지되는 어븀 첨가 광섬유로 펌핑 신호(pumping signal)를 입사하는, 펌핑 신호 입사 단계;
    상기 펌핑 신호에 반응하여 상기 어븀 첨가 광섬유가 어븀 원자들을 펌핑시켜 자발방출(ASE, Amplified Spontaneous Emission) 스펙트럼을 방출하는, 스펙트럼 방출 단계; 및
    파워 디텍터에 의해 상기 자발방출 스펙트럼의 특정 파장대의 파워를 측정하여 외부 온도를 측정하는, 온도 측정 단계;
    를 포함하며,
    상기 스펙트럼 방출 단계에서 방출되는 상기 자발방출 스펙트럼은 중심파장 1500 내지 1560나노미터(nm)에서 반치폭 25 내지 35나노미터(nm)를 가지며,
    상기 온도 측정 단계에서, 외부 온도를 낮추는 경우, 균질 확산(homogeneous broadening) 효과가 억제되어 상기 반치폭이 감소되고 첨두 파워가 증가되는데, 이때 상기 파워 디텍터가 상기 첨두 파워를 측정함으로써 상기 외부 온도를 측정하는 온도 측정 장치의 온도 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펌핑 신호 입사 단계에서 상기 어븀 첨가 광섬유로 입사되는 상기 펌핑 신호는 레이저 다이오드(laser diode)인 온도 측정 장치의 온도 측정 방법.
  13. 삭제
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