KR101280922B1 - 광섬유 센서장치 - Google Patents

광섬유 센서장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101280922B1
KR101280922B1 KR1020110146515A KR20110146515A KR101280922B1 KR 101280922 B1 KR101280922 B1 KR 101280922B1 KR 1020110146515 A KR1020110146515 A KR 1020110146515A KR 20110146515 A KR20110146515 A KR 20110146515A KR 101280922 B1 KR101280922 B1 KR 101280922B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
light
unit
bragg grating
reflected
Prior art date
Application number
KR1020110146515A
Other languages
English (en)
Inventor
반재경
최상진
Original Assignee
전북대학교산학협력단
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 전북대학교산학협력단 filed Critical 전북대학교산학협력단
Priority to KR1020110146515A priority Critical patent/KR101280922B1/ko
Priority to US14/352,009 priority patent/US9170130B2/en
Priority to PCT/KR2012/011861 priority patent/WO2013100742A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101280922B1 publication Critical patent/KR101280922B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/0208—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

광섬유 센서장치가 제공된다. 본 광섬유 센서장치는, 광섬유 내에 배치된 두개의 광섬유 브래그 격자부 및 그 사이에 배치된 광섬유 센서부를 이용하여 물리량의 변화를 감지할 수 있게 되어, 기준 FBG가 필요없는 저가의 단순한 구조의 광섬유 격자 센서를 구현할 수 있게 된다.

Description

광섬유 센서장치 {Fiber optic sensor apparatus}
본 발명은 광섬유 센서장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광섬유 브래그 격자를 이용하여 물리량을 감지하는 광섬유 센서장치에 관한 것이다.
광통신용 및 광섬유 센서용으로 널리 쓰이고 있는 광섬유 격자는 일반적으로 광섬유에 강한 자외선 레이저를 조사하여 발생되는 광섬유 코어 내에서의 굴절률 변화에 의해 만들어진다.
이 때, 발생되는 광섬유의 굴절률 변조 주기 등의 특성에 따라 단주기 광섬유 격자, 장주기 광섬유 격자 등으로 분류되고, 각기 특성에 따라 파장에 따른 반사 및 투과 필터 등으로 연구 및 사용되고 있다.
또한, 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating)는 광섬유 코아(core)에 축방향으로 주기적인 굴절률 변화를 유도한 것이다. 이 광섬유 격자는 브래그 조건을 만족하는 브래그 파장(Bragg wavelength) 중심으로 좁은 선폭(통상 0.1∼1nm)의 빛만 반사하게 되고 나머지 파장의 빛은 통과시키는 특성을 가진다. 이 브래그 파장은 광섬유 브래그 격자의 온도가 변화하거나 응력(stress)이 인가되면 그에 따라 변화하게 된다. 따라서 이 성질을 이용해서 온도, 변형률(strain), 압력 등을 측정하는 많은 광섬유 격자 센서들이 개발되어 왔다.
하지만, 광섬유 격자 센서들은 고가의 기준 FBG(Fiber Bragg Grating)을 필요로 하기 때문에 가격이 비싸며 구조가 복잡해진다. 이에 따라, 저가의 단순한 구조의 광섬유 격자 센서를 구현하기 위한 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 광섬유 내에 배치된 두개의 광섬유 브래그 격자부 및 그 사이에 배치된 광섬유 센서부를 이용하여 물리량의 변화를 감지하는 광섬유 센서장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 센서장치는, 광을 생성시키는 광원; 상기 광원에서 생성된 광이 입사되는 광섬유; 상기 광섬유 내에 배치되고, 상기 광원에서 생성된 광의 일부를 반사시키는 제1 광섬유 브래그 격자부; 상기 광섬유 내에 배치되고, 특정 물리량에 기초하여 상기 제1 광섬유 브래그 격자부를 통과한 광의 세기를 변화시키는 광섬유 센서부; 상기 광섬유 내에 배치되고, 상기 광섬유 센서부를 통과한 광의 일부를 반사시키는 제2 광섬유 브래그 격자부; 및 상기 제1 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 반사광과 상기 제2 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 반사광의 광세기의 비에 기초하여 상기 광섬유 센서부에서 변화된 상기 특정 물리량을 감지하는 모니터링부;를 포함한다.
그리고, 상기 모니터링부는, 상기 제1 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 제1 반사광과 상기 제2 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 제2 반사광을 선택적으로 통과시키는 필터부; 상기 필터부를 통과한 제1 반사광 및 제2 반사광을 각각 제1 전기신호 및 제2 전기신호로 변환하는 광전변환소자; 및 상기 제1 전기신호 및 상기 제2 전기신호를 이용하여, 상기 제1 반사광과 상기 제2 반사광의 광세기의 비를 산출하고 상기 광세기의 비에 기초하여 상기 광섬유 센서부에서 변화된 상기 특정 물리량을 감지하는 신호 처리부;를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 필터부는, 바이어스 전압에 따라 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 가변 Fabry-Perot(F-P) 필터일 수도 있다.
그리고, 상기 광전변환소자는, 광을 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드(photo diode)일 수도 있다.
또한, 상기 제1 광섬유 브래그 격자부 및 상기 제2 광섬유 브래그 격자부는, 브래그(Bragg) 반사 파장 특성이 서로 다를 수도 있다.
그리고, 상기 광섬유 센서부는, 특정 물리량에 따라 입사된 광의 세기를 변화시켜 출력시키는 세기형 광섬유 센서일 수도 있다.
또한, 상기 광섬유는, n개(n은 자연수)의 광섬유 브래그 격자부를 포함하고, 상기 n개의 광섬유 브래그 격자부 각각의 사이에 배치되는 n-1개의 광섬유 센서부를 포함하고, 상기 모니터링부는, 상기 광섬유내의 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부에서 반사되는 2개의 반사광의 광세기의 비에 기초하여, 상기 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부 사이에 배치된 광섬유 센서부에서 변화된 상기 특정 물리량을 감지할 수도 있다.
그리고, 상기 광섬유는 m개(m은 자연수)이고, 상기 광원에서 입사되는 광을 파장별로 분할하여 상기 m개의 광섬유에 각각 입사하는 파장분할 다중화기;를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 광섬유 내에 배치된 두개의 광섬유 브래그 격자부 및 그 사이에 배치된 광섬유 센서부를 이용하여 물리량의 변화를 감지하는 광섬유 센서장치를 제공할 수 있게 되어, 기준 FBG가 필요없는 저가의 단순한 구조의 광섬유 격자 센서를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 센서장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 측정부에 복수개의 광섬유 브래그 격자 및 다수의 광섬유 센서부가 포함된 광섬유 센서장치의 경우를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 센서장치(100)를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유 센서장치(100)는 광원(110), 제1 광섬유 브래그 격자(120), 제2 광섬유 브래그 격자(125), 광섬유 센서부(130), 및 모니터링부(140)를 포함한다.
광원(110)은 광섬유 센서장치(100)에 포함된 모든 광섬유 브래그 격자(FBG : Fiber Bragg Grating)의 반사 파장 대역을 모두 포함하는 광대역의 광을 생성한다. 그리고, 광원(110)은 생성된 광을 서큘레이터(150)(circulator)를 통해 광섬유(115)로 입사시킨다.
광섬유(115)는 광원(110)에서 생성된 광이 입사된다. 그리고, 광섬유(115) 내에는 제1 광섬유 브래그 격자부(120), 제2 광섬유 브래그 격자부(125) 및 광섬유 센서부(130)가 배치된다.
제1 광섬유 브래그 격자부(120)는 광섬유(115) 내에 배치되고, 광원(110)에서 생성된 광의 일부를 반사시킨다. 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 반사된 제1 반사광은 서큘레이터(150)를 통해 모니터링부(140)로 입사된다.
광섬유 센서부(130)는 광섬유(115) 내에 배치되고, 특정 물리량에 기초하여 제1 광섬유 브래그 격자부를 통과한 광의 세기를 변화시킨다. 구체적으로, 광섬유 센서부(130)는 특정 물리량에 따라 입사된 광의 세기를 변화시켜 출력시키는 세기형 광섬유 센서이다. 따라서, 광섬유 센서부(130)에 특정 물리량이 가해지면, 광섬유 센서는 입사된 광의 세기를 변화시켜 출력하게 된다. 구체적으로, 광섬유 센서부(130)는 인가되는 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스 농도 등에 따라 입사된 광의 세기를 변화시켜 출력하게 된다.
제2 광섬유 브래그 격자부(135)는 광섬유(115) 내에 배치되고, 광섬유 센서부(130)를 통과한 광의 일부를 반사시킨다. 그리고, 제2 광섬유 브래그 격자부(135)에서 반사된 제2 반사광은 다시 광섬유 센서부(130), 제1 광섬유 브래그 격자부(120)를 거치고 서큘레이터(150)를 통해 모니터링부(140)로 입사된다.
이 때, 제1 광섬유 브래그 격자부(120)와 제2 광섬유 브래그 격자부(125)는 브래그(Bragg) 반사 파장 특성이 서로 다르다. 따라서, 제1 반사광과 제2 반사광은 서로 파장이 다르게 된다.
모니터링부(140)는 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 반사된 제1 반사광과 상기 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에서 반사된 제2 반사광의 광세기의 비에 기초하여 광섬유 센서부(130)에서 변화되거나 인가된 특정 물리량을 감지하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모니터링부(140)는 필터부(142), 광전변환소자(144), 및 신호처리부(146)를 포함한다.
필터부(142)는 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 반사된 제1 반사광과 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에서 반사된 제2 광을 선택적으로 통과시킨다. 이를 위해, 필터부(142)는 바이어스 전압에 따라 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 가변 Fabry-Perot(F-P) 필터가 이용된다. 따라서, 제1 반사광과 제2 반사광은 서로 다른 파장을 가지기 때문에, 필터부(142)는 제1 반사광과 제2 반사광을 구분하여 통과시킬 수 있게 된다.
광전변환소자(144)는 필터부(142)를 통과한 제1 반사광 및 제2 반사광을 각각 제1 전기신호 및 제2 전기신호로 변환한다. 이를 위해, 광전변환소자(144)는 광을 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드(photo diode)가 이용된다.
신호 처리부(146)는 제1 전기신호 및 제2 전기신호를 수신한다. 그리고, 신호 처리부(146)는 전기신호 및 제2 전기신호를 이용하여, 제1 반사광과 제2 반사광의 광세기의 비를 산출하고 광세기의 비에 기초하여 광섬유 센서부(130)에서 변화된 특정 물리량을 감지하게 된다.
이와 같은 구조의 광섬유 센서장치(100)는 두 개의 광섬유 브래그 격자에서 반사된 광의 비율을 이용함으로써 광원이 단시간 또는 장시간에 걸쳐 출력 변화를 일으키더라도 측정 가능한 자기기준 특성을 가지게 된다. 이러한 자기기준 특성은 고가의 기준 광섬유 브래그 격자를 필요로 하지 않으며 비교적 구조가 간단한 광세기 기반 광섬유 센서장치(100)의 구현을 가능하게 한다.
신호처리부(146)가 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 반사된 제1 반사광과 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에서 반사된 제2 반사광의 비를 이용하여 광섬유 센서부(130)서 변화된 물리량을 감지하는 과정에 대해 이하에서 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 광섬유 브래그 격자부(120)와 제2 광섬유 브래그 격자부(125)는 각각 반사도 R11과 R12를 가지며, 광섬유 센서장치(100)의 조건에 맞는 브래그 반사파장 특성(중심파장 및 FWHM(full wavelength at half maximum))을 가진다.
동작원리를 살펴보면, 광원(110)에서 나온 광은 광 서큘레이터(150)를 통해 포트①에서 포트②로 진행하며 광섬유(115)로 입사된다. 입사된 광은 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 브래그 반사파장에 해당하는 제1 반사광이 반사되고, 나머지 파장의 광은 제1 광섬유 브래그 격자부(120)와 광섬유 센서부(130)를 통과한 후 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에 도달한다. 제2 광섬유 브래그 격자부(125)의 브래그 반사파장에 해당하는 파장의 제2 반사광은 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에서 반사되어 다시 광섬유 센서부(130)를 지나 광 서큘레이터(150)에 의해 포트③으로 입사한다. 포트③에서 나온 제2 반사광은 필터부(142)에 입력되는 바이어스 전압에 따라 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에 의해 반사된 제1 반사광과 제2 광섬유 브래그 격자부(125)에 의해 반사된 제2 반사광으로 구분된다. 그리고, 제1 반사광 및 제2 반사광은 광전변환소자(144)에 의하여 제1 전기신호 및 제2 전기신호로 변환된다.
모니터링부(140)는 근거리에 있으므로 광원(110)과 광 서큘레이터(150), 광 서큘레이터(150)와 필터부(142)와 광전변환소자(144) 사이의 광섬유 손실은 무시한다. 이러한 가정 하에 제1 광섬유 브래그 격자부(120)에서 반사하여 광전변환소자(144)에 입사한 제1 반사광의 광파워 P11은 다음의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011105208710-pat00001
여기에서 Pin은 입력 광파워, KC1-2:광 서큘레이터(150) 포트①에서 포트②로 진행할 때 발생하는 손실, Kfiber1:광 서큘레이터(150) 포트② 와 제1 광섬유 브래그 격자(120) 사이의 손실, R11:제1 광섬유 브래그 격자(120)의 반사도, KC2-3:광 서큘레이터(150) 포트②에서 포트③으로 진행할 때 발생하는 손실, Kfp:가변 F-P 필터부(142)의 손실이다.
또한 동일한 가정 하에 제2 광섬유 브래그 격자(125)에서 반사하여 광전변환소자(144)에 입사한 제2 반사광의 광파워 P12 는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011105208710-pat00002
여기에서 Kfiber2:제1 광섬유 브래그 격자(120)와 제2 광섬유 브래그 격자(125) 사이의 손실, KFBG11:제1 광섬유 브래그 격자(120)의 전달 스펙트럼에 의존하는 손실, R12:제2 광섬유 브래그 격자(125)의 반사도, H11:광섬유 센서부(130) S11의 전달함수 이다.
식 (1)과 식 (2)를 이용하여 측정 파라미터 X11를 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112011105208710-pat00003
여기에서
Figure 112011105208710-pat00004
는 광섬유 센서가 손실이 없을 때의
Figure 112011105208710-pat00005
와 같으며, 캘리브레이션 팩터(calibration factor)이다. X11을 통해 H11을 구할 수 있으므로 광세기의 비 X11이 변한다면 식 (3) 으로부터 물리적인 양을 계산할 수 있다.
또한 제1 광섬유 브래그 격자(120)의 반사파장에 해당하는 파장을 통과시키는 가변 F-P 필터부(142)의 바이어스 전압을 Vfp11이라 하고, 제1 광섬유 브래그 격자(120)가 온도 변화에 의해서 반사파장이 변했을 때 가변 F-P 필터부(142)의 바이어스 전압 변화를
Figure 112011105208710-pat00006
이라 하면, 제1 광섬유 브래그 격자(120)의 반사파장이 위치할 수 있는 모든 가변 F-P 필터부(142)의 바이어스 전압
Figure 112011105208710-pat00007
에서의 최대 출력을 P11으로 측정함으로써 온도 변화에 의한 광섬유 브래그 격자 반사파장의 변화가 측정 결과에 영향을 미치지 않게 된다. .
입력되는 광의 세기가 변하고 온도가 변하여 광섬유 브래그 격자 반사파장이 변화하더라도 식 (1)과 식 (2)로부터 유도된 식 (3)에 의한 H11은 일정하다.
이와 같은 원리에 의해, 본 실시예에 따른 광섬유 센서장치(100)는 광섬유 센서부(130)에서 발생되는 물리량의 변화를 감지할 수 있게 된다. 또한, 본 실시예에 따른, 광섬유 센서장치(100)는 종래의 파장 기반 광섬유 브래그 격자 센서 구조에서 필요했던 고가의 기준 광섬유 브래그 격자가 필요하지 않고, 입력광의 변화, 온도변화 등에 무관하게 측정할 수 있다는 장점을 가지는 것으로 interrogator 구현 시 비용을 절감할 수 게 된다.
이하에서는 도 2를 참고하여, 다수의 광섬유 브래그 격자 및 다수의 광섬유 센서부가 포함된 경우를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 측정부(410)에 복수개의 광섬유 브래그 격자 및 다수의 광섬유 센서부가 포함된 광섬유 센서장치의 경우를 도시한 도면이다. 도 2의 광섬유 센서장치(200)는 도 1에 비하여, 측정부(410)에 복수개의 광섬유 브래그 격자 및 다수의 광섬유 센서부가 포함되어 있고, 이들이 각 광섬유별로 파장분할 다중화기(420)에 의해 다중화된 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 광섬유는 하나의 행을 구성하고 있고, n개의 광섬유 브래그 격자부를 포함하고, n개의 광섬유 브래그 격자부 각각의 사이에 배치되는 n-1개의 광섬유 센서부를 포함한다. 여기에서 n은 자연수이다.
그리고, 모니터링부(140)는 광섬유내의 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부에서 반사되는 2개의 반사광의 광세기의 비에 기초하여, 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부 사이에 배치된 광섬유 센서부에서 변화된 특정 물리량을 감지하게 된다.
또한, 광섬유는 m개(m은 자연수)이고, 파장분할 다중화기(420)는 광원(110)에서 입사되는 광을 파장별로 분할하여 m개의 광섬유에 각각 입사하게 된다. 여기에서, 파장분할 다중화기(420)는 각 광섬유에 포함된 광섬유 브래그 격자들 전부의 반사 파장 대역에 따라 파장의 분할 단위를 결정하게 된다.
또한, 측정부(410)에 포함된 복수개 광섬유 브래그 격자들은 모두 브래그 반사 특성이 다를 수도 있다.
이와 같이, 복수개의 광섬유 브래그 격자들 및 복수개의 광섬유 측정부가 포함된 광섬유 센서장치(200)는 넓은 영역의 물리량 변화를 감지할 수 있게 된다.
또한, 광섬유 센서장치(100)는 모니터링부(140)와 광섬유 센서부(130)가 광섬유(115)를 이용하여 연결됨으로 멀리 떨어져 있을 수 있으며, 파장분할 다중화기에 의해 분리되어 병렬로 다중화된 각각의 측정지점은 서로 다른 길이를 가질 수 있기 때문에 모니터링지점과 측정지점 사이의 거리의 제약이 없다.
또한, 도2에 도시된 바와 같이, 광세기 기반의 광섬유 센서부들은 두 개의 광섬유 브래그 격자 사이에 위치하며, 식 (3)에서와 같이 측정되는 Xmn을 통해 각각의 캘리브레이션 팩터(calibration factor)
Figure 112011105208710-pat00008
을 구하여, 광세기 기반의광섬유 센서부에서 발생하는 물리량을 알 수 있으며, 광세기 기반 광섬유 센서부는 m*(n-1)개가 배치될 수 있으므로 동시에 여러 지점 측정이 가능하다.
그리고, 두 개의 광섬유 브래그 격자 사이에 위치한 광세기 기반 광섬유 센서부의 구조를 측정하고자 하는 물리량에 따라 바꿈으로써, 사용자가 원하는 물리량에 대해 측정이 가능하고, 민감도를 광섬유 센서부의 구조에 따라 적절하게 조절할 수 있게 된다.
또한, 두 개의 광섬유 브래그 격자 사이에 위치한 광세기 기반 광섬유 센서부는 광섬유로 구성되기 때문에 포인트 센서에서 분산 센서까지 측정하고자 하는 부분의 길이에 제약 없이 사용자가 원하는 측정범위로 조절 가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 광섬유 센서장치 110 : 광원
115 : 광섬유 120 : 제1 광섬유 브래그 격자
125 : 제2 광섬유 브래그 격자 130 : 광섬유 센서부
140 : 서큘레이터

Claims (8)

  1. 광을 생성시키는 광원;
    상기 광원에서 생성된 광이 입사되는 광섬유;
    상기 광섬유 내에 배치되고, 상기 광원에서 생성된 광의 일부를 반사시키는 제1 광섬유 브래그 격자부;
    상기 광섬유 내에 배치되고, 특정 물리량에 기초하여 상기 제1 광섬유 브래그 격자부를 통과한 광의 세기를 변화시키는 광섬유 센서부;
    상기 광섬유 내에 배치되고, 상기 광섬유 센서부를 통과한 광의 일부를 반사시키는 제2 광섬유 브래그 격자부; 및
    상기 제1 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 반사광과 상기 제2 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 반사광의 광세기의 비에 기초하여 상기 광섬유 센서부에서 변화된 상기 특정 물리량을 감지하는 모니터링부;를 포함하고,
    상기 모니터링부는,
    상기 제1 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 제1 반사광과 상기 제2 광섬유 브래그 격자부에서 반사된 제2 반사광을 선택적으로 통과시키는 필터부;
    상기 필터부를 통과한 제1 반사광 및 제2 반사광을 각각 제1 전기신호 및 제2 전기신호로 변환하는 광전변환소자; 및
    상기 제1 전기신호 및 상기 제2 전기신호를 이용하여, 상기 제1 반사광과 상기 제2 반사광의 광세기의 비를 산출하고 상기 광세기의 비에 기초하여 상기 광섬유 센서부에서 변화된 상기 특정 물리량을 감지하는 신호 처리부;를 포함하며,
    상기 광섬유는,
    n개(n은 자연수)의 광섬유 브래그 격자부를 포함하고, 상기 n개의 광섬유 브래그 격자부 각각의 사이에 배치되는 n-1개의 광섬유 센서부를 포함하며,
    상기 모니터링부는,
    상기 광섬유내의 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부에서 반사되는 2개의 반사광의 광세기의 비에 기초하여, 상기 이웃하는 2개의 광섬유 브래그 격자부 사이에 배치된 광섬유 센서부에서 변화된 광세기를 통해 상기 특정 물리량을 감지하고,
    상기 광섬유는 m개(m은 자연수)이고,
    상기 광원에서 입사되는 광을 파장별로 분할하여 상기 m개의 광섬유에 각각 입사하는 파장분할 다중화기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는,
    바이어스 전압에 따라 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 가변 Fabry-Perot(F-P) 필터인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환소자는,
    광을 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드(photo diode)인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유 브래그 격자부 및 상기 제2 광섬유 브래그 격자부는,
    브래그(Bragg) 반사 파장 특성이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유 센서장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 센서부는,
    특정 물리량에 따라 입사된 광의 세기를 변화시켜 출력시키는 세기형 광섬유 센서인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
KR1020110146515A 2011-12-29 2011-12-29 광섬유 센서장치 KR101280922B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110146515A KR101280922B1 (ko) 2011-12-29 2011-12-29 광섬유 센서장치
US14/352,009 US9170130B2 (en) 2011-12-29 2012-12-31 Fiber-optic sensor device having a second fiber bragg grating unit to reflect light passing through a fiber optic sensor
PCT/KR2012/011861 WO2013100742A1 (ko) 2011-12-29 2012-12-31 광섬유 센서장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110146515A KR101280922B1 (ko) 2011-12-29 2011-12-29 광섬유 센서장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101280922B1 true KR101280922B1 (ko) 2013-07-02

Family

ID=48698065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110146515A KR101280922B1 (ko) 2011-12-29 2011-12-29 광섬유 센서장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9170130B2 (ko)
KR (1) KR101280922B1 (ko)
WO (1) WO2013100742A1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101529610B1 (ko) * 2014-07-04 2015-06-30 한국표준과학연구원 민감도가 제어된 fbg 탐촉자, fbg 탐촉자 센싱 시스템 및 그 센싱방법과 제조방법
KR101611792B1 (ko) 2015-04-13 2016-04-27 한국표준과학연구원 온도 보정이 가능한 fbg 변형률 센서 탐촉자 및 그 센싱방법
KR20160122318A (ko) 2015-04-13 2016-10-24 한국표준과학연구원 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법
KR20180009612A (ko) * 2016-07-19 2018-01-29 (주)파이버피아 설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템
KR101913027B1 (ko) * 2017-02-24 2018-10-29 한국산업기술대학교산학협력단 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치
KR20190016822A (ko) * 2017-08-09 2019-02-19 조선대학교산학협력단 금속 부식 모니터링 시스템
KR20220114314A (ko) 2021-02-08 2022-08-17 부산대학교 산학협력단 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10161924B2 (en) 2014-03-24 2018-12-25 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Sensor system that uses embedded optical fibers
CN105203226B (zh) * 2015-09-09 2019-03-05 飞秒光电科技(西安)有限公司 一种光纤温度传感器
ES2968291T3 (es) 2016-11-11 2024-05-08 Carrier Corp Detección basada en fibra óptica de alta sensibilidad
EP3539105B1 (en) 2016-11-11 2024-09-11 Carrier Corporation High sensitivity fiber optic based detection
ES2910788T3 (es) 2016-11-11 2022-05-13 Carrier Corp Método de medición basada en fibra óptica de una condición
CA3043583A1 (en) 2016-11-11 2018-05-17 Carrier Corporation High sensitivity fiber optic based detection
ES2812831T3 (es) 2016-11-11 2021-03-18 Carrier Corp Detección basada en fibra óptica de alta sensibilidad
CA3043500A1 (en) 2016-11-11 2018-05-17 Carrier Corporation High sensitivity fiber optic based detection
GB2579991B (en) 2017-09-19 2023-03-08 Analog Devices Inc Fiber bragg grating interrogation and sensing system and methods
CN110617901A (zh) * 2019-09-25 2019-12-27 北京航空航天大学 一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097487A (en) * 1997-02-14 2000-08-01 Optoplan As Device for measurement of optical wavelengths
JP2000283846A (ja) * 1999-03-31 2000-10-13 Fuji Electric Co Ltd 波長計測装置
JP2004233070A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Kyocera Corp Ｆｂｇセンシングシステム
JP2006138757A (ja) * 2004-11-12 2006-06-01 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd 光ファイバ式多元センサシステム

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO324337B1 (no) * 1999-09-15 2007-09-24 Optoplan As Anordning for maling av optiske bolgelengder

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097487A (en) * 1997-02-14 2000-08-01 Optoplan As Device for measurement of optical wavelengths
JP2000283846A (ja) * 1999-03-31 2000-10-13 Fuji Electric Co Ltd 波長計測装置
JP2004233070A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Kyocera Corp Ｆｂｇセンシングシステム
JP2006138757A (ja) * 2004-11-12 2006-06-01 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd 光ファイバ式多元センサシステム

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101529610B1 (ko) * 2014-07-04 2015-06-30 한국표준과학연구원 민감도가 제어된 fbg 탐촉자, fbg 탐촉자 센싱 시스템 및 그 센싱방법과 제조방법
KR101611792B1 (ko) 2015-04-13 2016-04-27 한국표준과학연구원 온도 보정이 가능한 fbg 변형률 센서 탐촉자 및 그 센싱방법
KR20160122318A (ko) 2015-04-13 2016-10-24 한국표준과학연구원 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법
KR20180009612A (ko) * 2016-07-19 2018-01-29 (주)파이버피아 설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템
KR101953281B1 (ko) * 2016-07-19 2019-02-28 (주)파이버피아 설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템
KR101913027B1 (ko) * 2017-02-24 2018-10-29 한국산업기술대학교산학협력단 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치
KR20190016822A (ko) * 2017-08-09 2019-02-19 조선대학교산학협력단 금속 부식 모니터링 시스템
KR101958403B1 (ko) 2017-08-09 2019-07-04 조선대학교산학협력단 금속 부식 모니터링 시스템
KR20220114314A (ko) 2021-02-08 2022-08-17 부산대학교 산학협력단 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US9170130B2 (en) 2015-10-27
US20140299753A1 (en) 2014-10-09
WO2013100742A1 (ko) 2013-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101280922B1 (ko) 광섬유 센서장치
JP5168700B2 (ja) 波長検波型光ファイバセンサシステム
US9689714B2 (en) Multiplexed fiber-coupled fabry-perot sensors and method therefor
TR201809273T4 (tr) Fiber Bragg ızgara sorgulayıcı düzeneği ve buna yönelik yöntem.
KR101356986B1 (ko) 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템
WO2013054734A1 (ja) 物理量計測システム
DE60214852D1 (de) Differenzmesssystem auf der basis der benutzung von paaren von bragg-gittern
WO2010010527A3 (en) Enhanced sensitivity interferometric sensors
JP4930126B2 (ja) 物理量測定システム
CN103389172B (zh) 基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法
CN111811554A (zh) 基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置
CN102419312B (zh) 基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器
CN206709787U (zh) 一种基于压电陶瓷的双啁啾光栅应变解调系统
CN106352991A (zh) 一种测量光纤光栅波长的装置和设备
CN111537010A (zh) 基于otdr的f-p干涉型传感头多点测量方法及装置
KR20000031822A (ko) 파장선택형 광검출기를 이용한 광신호 파장 측정 장치와 광섬유브래그 격자 센서 장치 및 그방법
KR101271571B1 (ko) 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 선박 모니터링 시스템
CN202404024U (zh) 一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器
JP5219166B2 (ja) 波長検波型ファイバセンサシステム
CN108267160A (zh) 时分复用的光纤布拉格光栅传感系统
EP2762847A1 (en) Fiber optic sensor system and method
Benson et al. Fibre Optic Sensor Systems without Using Spectral Analysis
Benson et al. FBG-based sensors for measurement of small distances
JP2007205783A (ja) 反射スペクトラム測定システム
KR100368122B1 (ko) 반사대역폭이 외부 인가 스트레인에 따라 변하는 처핑된 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인 측정 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160608

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170519

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee