KR101264387B1 - 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치 - Google Patents

광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 관한 것으로서, 광원에서 출사된 광을 수신받아 제1출력단과 제2출력단을 통해 상호 분기시켜 출력하는 광분배기와, 광분배기의 제1출력단에 일단이 접속된 제1광섬유의 종단이 중앙에 배치되고, 제1광섬유의 종단 주위에 제1광섬유와 열융착에 의해 일체로 접합된 복수개의 멀티모드 광섬유를 갖는 프로브 광섬유 유니트와, 광원으로부터 전송되어 제1광섬유를 통해 출사된 후 프로브 광섬유 유니트와 대향되는 위치에 있는 측정대상 용액의 표면으로부터 반사되어 멀티모드 광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제1검출기와, 제2출력단과 일단이 접속된 제2광섬유의 타단을 통해 전송된 광을 검출하는 제2검출기와, 제1검출기에서 검출된 광과 제2검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 용액의 굴절율을 산출하는 측정부를 구비한다. 이러한 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 의하면, 비접촉식에 의해 용액의 굴절율을 측정할 수 있어 측정대상 용액의 반응성 여부와 관계없이 이용할 수 있고, 반사광을 수광하는 멀티모드 광섬유 상호간이 틈새가 없게 융착됨과 아울러 코어 영역이 확장됨으로써 수광영역의 확장 및 수신감도를 높일 수 있어 측정 정밀도가 향상된다.

Description

광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치{noncontact liquid refractometer using a optical fiber}
본 발명은 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 측정 정밀도를 높일 수 있도록 된 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 관한 것이다.
용액의 굴절율을 측정하는 장치는 품질 평가 또는 특성파악을 위해 재료처리와 음식 산업분야 등에서 다양하게 사용되고 있다.
이러한 용액의 굴절율을 측정하는 장치로서, 광섬유 격자가 형성되거나 측면 연마된 광섬유를 용액에 직접 접촉시켜 용액의 굴절율을 측정하는 방식에 대해 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 적용되는 용액이 다른 물질과의 반응성이 높은 산성 용액이나 독극물의 경우에는 직접 접촉에 의한 방법을 적용할 수 없어 측정 가능한 용액이 비반응성 용역으로 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유를 이용하되 비접촉식에 의해 용액의 굴절율을 측정할 수 있는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 있어서, 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수신받아 제1출력단과 제2출력단을 통해 상호 분기시켜 출력하는 광분배기와, 상기 광분배기의 상기 제1출력단에 일단이 접속된 제1광섬유의 종단이 중앙에 배치되고, 상기 제1광섬유의 종단 주위에 상기 제1광섬유와 열융착에 의해 일체로 접합된 복수개의 멀티모드 광섬유를 갖는 프로브 광섬유 유니트와; 상기 광원으로부터 전송되어 상기 제1광섬유를 통해 출사된 후 상기 프로브 광섬유 유니트와 대향되는 위치에 있는 측정대상 용액의 표면으로부터 반사되어 상기 멀티모드 광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제1검출기와; 상기 제2출력단과 일단이 접속된 제2광섬유의 타단을 통해 전송된 광을 검출하는 제2검출기와; 상기 제1검출기에서 검출된 광과 상기 제2검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 용액의 굴절율을 산출하는 측정부;를 구비한다.
또한, 상기 제1광섬유의 종단 부분은 단일모드 광섬유에 열을 가하여 코어의 외경이 확산된 열확산부분을 갖는 구조로 되어 있고, 상기 멀티모드 광섬유는 상기 제1광섬유의 종단부분에 4개의 멀티모드 광섬유를 열압착에 의해 사각 형태의 형상으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 제1광섬유의 종단이 하방으로 연장되는 방향으로 상기 프로브 광섬유 유니트의 종단을 지지하는 지지 스탠드와; 상기 프로브 광섬유 유니트의 종단과 이격되게 설치되며, 측정대상 용액을 저수할 수 있는 저수공간을 갖되 바닥면이 경사지게 형성된 경사면을 갖는 용액저수 용기;를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 경사면의 표면은 광 흡수율이 높은 소재로 코팅된 광흡수층;이 더 구비된다.
본 발명에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 의하면, 비접촉식에 의해 용액의 굴절율을 측정할 수 있어 측정대상 용액의 반응성 여부와 관계없이 이용할 수 있고, 반사광을 수광하는 멀티모드 광섬유 상호간이 틈새가 없게 융착됨과 아울러 코어 영역이 확장됨으로써 수광영역의 확장 및 수신감도를 높일 수 있어 측정 정밀도가 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 프로브 광섬유 유니트의 종단에 대한 저면도이고,
도 3은 도 1의 프로브 광섬유 유니트의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치를 나타내 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치(100)는 광원(110), 광분배기(120), 프로브 광섬유 유니트(150), 제1검출기(161), 제2검출기(162) 및 측정부(165)를 구비한다.
광원(110)은 레이저 광원이 적용될 수 있고, 일 예로서, 1550nm의 광을 출사하는 레이저 광원이 적용된다.
광분배기(120)는 광원(110)에서 출사된 광을 입력단 광섬유(113)를 통해 수신받아 제1출력단(121)과 제2출력단(123)을 통해 상호 분기시켜 출력한다.
여기서 광분배기(120)는 1×2 광커플러가 적용될 수 있다.
또한, 광분배기(120)는 입력광을 제1출력단(121)과 제2출력단(123)을 통해 균등한 비율로 배분하여 분배시키도록 된 것이 적용될 수 있다.
프로브 광섬유 유니트(150)는 광분배기(120)의 제1출력단(123)을 통해 전송된 광을 측정대상 용액(310)에 이격된 위치에서 출사하고, 용액(310)의 표면(320)으로부터 반사된 광을 수광하여 후술되는 제1검출기(161)로 전송할 수 있도록 되어 있다.
이러한 프로브 광섬유 유니트(150)는 광분배기(120)의 제1출력단(121)에 일단이 접속되어 연장된 제1광섬유(131)의 종단(132)이 중앙에 배치되고, 도 2에 도시된 바와 같이 제1광섬유(131)의 종단(132) 주위에 제1광섬유(131)와 열융착에 의해 에워싸게 접합된 복수개의 멀티모드 광섬유(141 내지 144)를 갖는 구조로 되어 있다.
여기서, 참조부호 131a는 제1광섬유(131)의 제1코어이고, 131b는 제1광섬유의 제1클래드이고, 140a는 멀티모드 광섬유(141 내지 144) 각각의 제2코어이고, 140b는 멀티모드 광섬유(141 내지 144)의 제2클래드이다.
또한, 제1광섬유(131)의 종단(132) 부분은 단일모드 광섬유에 열을 가하여 제1코어(131a)의 외경이 확산된 열확산부분을 갖는 구조로 되어 있고, 멀티모드 광섬유(141 내지 144)의 제1광섬유(131)의 종단(132) 부분과 함께 형성된 종단 부분도 제2코어(140a)도 인가된 열에 의해 확산된 열확산부분을 갖는 구조로 되어 있다. 즉, 열확산 및 융착 과정 이전의 상태를 나타낸 도 3의 제1코어(131a)의 d11로 표기된 외경이 열확산 및 열융착과정을 거친 이후 도 2에서와 같이 d12로 표기된 것과 같이 외경이 확장된 열확산부분을 갖게 되고, 멀티모드 광섬유(141 내지 144)도 도 3의 d21으로 표기된 제2코어(140a)의 외경이 도 2의 d22로 표기된 외경으로 확산된 열확산부분을 갖는 구조로 되어 있다.
여기서 멀티모드 광섬유(141 내지 144)는 플라스틱 광섬유가 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 프로브 광섬유 유니트(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 사각틀 형태로 형성되되 상하로 이격되게 형성된 고정편(211)에 대해 좌우측에서 이동가능하게 설치된 가동편(212)을 갖는 성형틀(210) 내의 중앙에 제1코어(131a)와 제1클래드(131b)를 갖는 제1광섬유(131)를 배치하고, 제1광섬유(131)를 에워싸도록 주변에 4개의 멀티모드 광섬유(141 내지 144)를 배치한 상태에서 토치(230)로 가열하면서 성형틀(210)의 가동편(212)이 상호 가까워지는 방향으로 가압하면서 열압착에 의해 사각형태로 형상으로 형성하면 된다.
이러한 융합 과정에 의해 멀티모드 광섬유(141 내지 144)가 상호 열변형 및 가압되면서 제1광섬유(131)의 제1코어(131a) 및 멀티모드 광섬유(141 내지 144)의 제2코어(140a)가 확장되면서 도 2에 도시된 바와 같이 열확산 전에 비해 코어영역이 확장된 열확산부분을 갖는 구조의 형상으로 형성된다.
즉, 열압착 이전의 제1코어(131a)의 외경(d11) 및 제2코어(140a)의 외경(d21)은 열압착 성형과정을 거쳐 도 2에 도시된 바와 같이 제1코어(131a)의 외경(d12) 및 제2코어(140a)의 외경(d22)이 확장된다.
한편, 성형틀(210)은 도시된 예와 다른 구조를 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 도시되지는 않았지만, 프로브 광섬유 유니트(150)를 보호하기 위한 피복이 멀티모드 광섬유(141 내지 144)의 외측에 피복될 수 있음은 물론이다.
제1검출기(161)은 제1광섬유(131)의 종단(132)을 통해 출사된 후 측정대상 용액(310)의 표면(320)으로부터 반사되어 멀티모드 광섬유(141 내지 144)를 통해 수신된 광을 검출한다.
제2검출기(162)는 제2출력단(123)과 일단이 접속된 제2광섬유(133)의 타단을 통해 전송된 광을 검출한다.
여기서 제1검출기(161) 및 제2검출기(162)는 포토다이오드 또는 광파워미터가 적용되는 것이 바람직하다.
측정부(165)는 제1검출기(161)에서 검출된 광의 파워와 제2검출기(162)에서 검출된 광의 파워로부터 측정대상 용액의 굴절율을 산출한다.
먼저 공기와 용액의 경계면에서 빛의 반사도(R)는 아래의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112012018330518-pat00001
여기서,
Figure 112012018330518-pat00002
및
Figure 112012018330518-pat00003
는 공기의 굴절률, 용액(310)의 굴절률을 각각 의미한다.
공기의 굴절률은 1.0이고, 광분배기(120)의 분배비가 1:1이면
Figure 112012018330518-pat00004
R은 2개의 제1 및 제2 검출기(161)(162)에서 광파워 비로 측정 된다.
따라서, 용액(310)의 굴절률은 측정된 반사도로부터 아래의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012018330518-pat00005
한편, 제1광섬유(131)의 종단(132)이 하방으로 연장되는 방향으로 프로브 광섬유 유니트(150)의 종단을 지지하는 지지 스탠드(170)가 마련되어 있다.
여기서, 지지스탠드(170)는 베이스(171)로부터 상방으로 연장된 지지기둥(172)에 수평상으로 연장된 수평바(173)에 설치된 클램프(174)에 의해 프로브 광섬유 유니트(150)의 종단을 지지할 수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 측정대상 용액을 담는 용액저수 용기(180)는 상부가 열린 저수공간(181)을 갖되 프로브 광섬유 유니트(150)의 종단(152)과 이격되게 베이스(171) 위에 설치되어 있다.
용액저수 용기(180)는 측정대상 용액(310)을 저수할 수 있는 저수공간(181)을 형성하는 바닥면(182)이 경사지게 형성된 경사면(182a)을 갖는 구조로 되어 있다.
여기서, 경사면(1821a)는 용액 내로 진입되는 광을 프로브 광섬유 유니트(150)의 수광면과는 다른방향으로 반사되게 유도하기 위한 것이다.
바람직하게는 용액저수 용기(180)의 경사면(182a)의 표면은 높은 내화학성을 지니면서 광흡수율이 높은 색상의 검정색 페인트로 코팅된 광흡수층(184)이 형성되어 있다.
참조부호 185는 저수공간에 저수되는 용액의 수위를 일정하게 유지할 수 있도록 배수홀(189)이 상단에 형성된 격벽이며, 참조부호 187은 격벽(185)의 배수홀(189)을 통과한 용액을 저수하기 위한 보조 저수공간이다.
이상에서 설명된 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치(100)는 비접촉식으로 용액의 굴절율을 측정할 수 있으면서도, 수광영역의 멀티모드 광섬유(141 내지 144)의 제2코어(130a)가 열확장에 의해 수광영역이 확장됨과 아울러 상호 열융착되어 있어 수신감도가 향상되면서도 단순히 다발형태로 어레이한 경우에 비해 광수신율의 편차를 감소시킬 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 광분배기
150: 프로브 광섬유 유니트 161: 제1검출기
165: 제2검출기 165: 측정부

Claims (4)

  1. 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치에 있어서,
    광원과;
    상기 광원에서 출사된 광을 수신받아 제1출력단과 제2출력단을 통해 상호 분기시켜 출력하는 광분배기와;
    상기 광분배기의 상기 제1출력단에 일단이 접속된 제1광섬유의 종단이 중앙에 배치되고, 상기 제1광섬유의 종단 주위에 상기 제1광섬유와 열융착에 의해 일체로 접합된 복수개의 멀티모드 광섬유를 갖는 프로브 광섬유 유니트와;
    상기 광원으로부터 전송되어 상기 제1광섬유를 통해 출사된 후 상기 프로브 광섬유 유니트와 대향되는 위치에 있는 측정대상 용액의 표면으로부터 반사되어 상기 멀티모드 광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제1검출기와;
    상기 제2출력단과 일단이 접속된 제2광섬유의 타단을 통해 전송된 광을 검출하는 제2검출기와;
    상기 제1검출기에서 검출된 광과 상기 제2검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 용액의 굴절율을 산출하는 측정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1광섬유의 종단 부분은 단일모드 광섬유에 열을 가하여 코어의 외경이 확산된 열확산부분을 갖는 구조로 되어 있고,
    상기 멀티모드 광섬유는 상기 제1광섬유의 종단부분에 4개의 멀티모드 광섬유를 열압착에 의해 사각 형태의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1광섬유의 종단이 하방으로 연장되는 방향으로 상기 프로브 광섬유 유니트의 종단을 지지하는 지지 스탠드와;
    상기 프로브 광섬유 유니트의 종단과 이격되게 설치되며, 측정대상 용액을 저수할 수 있는 저수공간을 갖되 바닥면이 경사지게 형성된 경사면을 갖는 용액저수 용기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경사면의 표면은 광 흡수율이 높은 소재로 코팅된 광흡수층;이 더 구비된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 비접촉식 용액 굴절율 측정장치.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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