KR101549940B1 - Weight measuring device using optical fiber - Google Patents

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KR101549940B1 KR1020140033269A KR20140033269A KR101549940B1 KR 101549940 B1 KR101549940 B1 KR 101549940B1 KR 1020140033269 A KR1020140033269 A KR 1020140033269A KR 20140033269 A KR20140033269 A KR 20140033269A KR 101549940 B1 KR101549940 B1 KR 101549940B1
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이연관
최홍석
김정범
박진보
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a weight measurement device using optical fibers, capable of precisely measuring a weight only using optical signals without electromagnetic waves by utilizing a type of receiving the optical signals transferred from the optical fibers arranged at a predetermined interval. According to the present invention, the weight measurement device using optical fibers comprises: an optical fiber part (11) in which a plurality of optical fibers (11a) are arranged at a predetermined interval; a light source (12) to transmit optical signals to the optical fibers (11a); an optical signal transmission part installed between the light source (12) and the optical fibers (11a), dividing the optical signals outputted from the light source (12), and the transmitting the divided optical signals to the optical fibers (11a); and a weight measurement part having a lattice plate (23) in which transmission areas (23a) and non-transmission areas (23b) are alternately formed to reintroduce the optical signals to the optical fibers (11a) by reflecting the optical signals outputted to the optical fibers (11a) therein, but to change the amount of the light reintroduced into the optical fibers (11a) when lifted by placing a mass thereon and having the bottom elastically supported by a spring (24). When the lattice plate (23) is descended by placing the mass, the descending displacement of the lattice plate (23) is calculated using the optical signals reintroduced into the optical fibers (11a) to calculate the weight of the mass.

Description

광섬유를 이용한 질량 측정기 {Weight measuring device using optical fiber}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a weight measuring device using an optical fiber,

본 발명은 물체의 질량을 정밀하게 측정하기 위한 질량 측정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 간격을 두고 배치된 광섬유로부터 전송된 광신호가 수광되는 형태를 이용함으로써, 광신호만을 이용하여 전자기파의 영향을 받지 않고 정밀하게 질량을 측정할 수 있는 광섬유를 이용한 질량 측정기에 관한 것이다.
The present invention relates to a mass spectrometer for precisely measuring the mass of an object, and more particularly, to a mass spectrometer for accurately measuring the mass of an object by using an optical signal received from an optical fiber disposed at a distance from each other, And more particularly, to a mass spectrometer using an optical fiber capable of accurately measuring a mass without receiving it.

질량측정기는 다양한 방식으로 질량체의 질량을 측정하는데, 사용환경에 따라 노이즈의 영향을 받기 때문에 정밀하게 질량체의 질량을 측정하지 못하는 문제점이 있다.Mass spectrometers measure the mass of masses in various ways. Because they are affected by noise depending on the use environment, there is a problem that the mass of mass can not be measured accurately.

예컨대, 전자기적 방식으로 질량체의 질량을 측정하는 경우에는 전자기파의 간섭이 심한 장소에서는 노이즈에 의해 계측신호의 안정성 및 정밀도가 떨어진다. 발전소와 같은 장소에서는 발전기의 구동시 발전기로부터 전자기파가 발산되고, 이러한 전자기파는 질량측정기의 노이즈로 작용하기 때문에, 정밀하게 질량을 측정할 수 없었다.For example, when the mass of a mass is measured in an electromagnetic manner, the stability and accuracy of the measurement signal are degraded due to noise in a place where electromagnetic interference is severe. In a place such as a power plant, electromagnetic waves are emitted from a generator when a generator is driven. Since such electromagnetic waves act as noise of a mass measuring instrument, mass can not be accurately measured.

아울러, 온도와 같은 환경변수에도 민감하여, 외부 영향을 받지 않고 질량체의 질량을 측정하기 어려웠다.
In addition, it is sensitive to environmental factors such as temperature, and it is difficult to measure the mass of the mass without being affected by external influences.

한편, 하기의 선행기술문헌은 '전자파 물리량 측정 장치' 관한 것으로서, 안테나의 온도 변화나 피측정물질로부터의 압력 변동에 의한 영향을 감소함으로써, 안정된 물질량을 측정할 수 있는 전자파 물리량 측정 장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
The following prior art document relates to an electromagnetic wave physical quantity measuring apparatus and relates to an electromagnetic wave physical quantity measuring apparatus capable of measuring a stable substance quantity by reducing the influence of a temperature change of an antenna and a pressure fluctuation from a measured substance .

JP2013-213833AJP2013-213833A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 전자기적 노이즈 또는 외부환경의 영향을 받지 않으며, 높은 신호 안정성과 정밀도 및 빠른 응답성을 갖는 광섬유를 이용한 질량 측정기를 제공하는데 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide a mass spectrometer using an optical fiber having high signal stability, high precision, and fast response without being affected by electromagnetic noise or the external environment.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량측정기는, 서로 간격을 두고 복수의 광섬유가 배열되는 광섬유부와, 상기 광섬유로 광신호를 송신하는 광원과, 상기 광원과 상기 광섬유의 사이에 설치되고, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 분리하여 각각의 광섬유로 전달하는 광신호 전송부와, 내부에서 상기 광섬유로 출력된 광신호를 반사시켜 상기 광섬유로 재입사시키되, 질량체가 놓여지면 승강하면서 상기 광섬유로 재입사되는 광량이 변하도록 투과영역과 비투과영역이 번갈아 형성되되 스프링으로 하단이 탄력지지되는 격자판을 구비하는 질량측정부를 포함하고, 상기 질량체가 놓여져 상기 격자판이 하강되면, 상기 광섬유로 재입사되는 광신호를 이용하여 상기 격자판의 하강변위를 계산하여 상기 질량체의 질량을 산출하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a mass spectrometer using an optical fiber, including: an optical fiber unit having a plurality of optical fibers arranged at intervals, a light source for transmitting an optical signal to the optical fiber, An optical signal transmission unit which is disposed between the optical fibers and separates the optical signals output from the optical sources and transmits the separated optical signals to the respective optical fibers; and a reflector that reflects the optical signals output from the optical fibers, And a grid for alternately forming a transmissive region and a non-transmissive region so as to change the amount of light reentering the optical fiber while lifting and lowering the optical fiber, And then calculating the descending displacement of the grid plate using the optical signal re-incident to the mass The is characterized in that calculation.

상기 광섬유부는, 4개의 광섬유가 배열되어 이루어지되, 1번째 광섬유와 2번째 광섬유가 하나의 그룹이 되고, 3번째 광섬유와 4번째 광섬유가 또 다른 하나의 그룹이 되는 것을 특징으로 한다.In the optical fiber unit, four optical fibers are arranged. The first optical fiber and the second optical fiber are grouped into one group, and the third optical fiber and the fourth optical fiber are another group.

상기 2번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자판에서 어느 하나의 투과영역과 상기 투과영역에 인접한 하나의 비투과영역의 폭으로 정해지는 격자무늬주기의 정수배에 상기 격자무늬주기의 1/2만큼 이격되게 배치되고, 상기 3번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자무늬주기의 정수배와 상기 격자무늬주기의 3/4의 합 만큼 이격되게 배치되고, 상기 4번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자무늬주기의 정수배와 상기 격자무늬주기의 1/4의 합 만큼 이격되게 배치되는 것을 특징으로 한다.Wherein the second optical fiber is spaced apart from the first optical fiber by an integer multiple of a grating period determined by the width of one transmissive region and one non-transmissive region adjacent to the first transmissive region of the grating plate, Wherein the third optical fiber is arranged so as to be spaced apart from the first optical fiber by an integral multiple of the period of the grating period and a third period of the period of the grating period, And is arranged so as to be spaced apart from the integer multiple of the grid period by a sum of 1/4 of the grid period.

상기 광신호 전송부는, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 2개의 채널로 분리하는 CWDM(coarse wavelength division multiplexing)과, 상기 CWDM의 2개의 출력측에 각각 설치되고, 상기 CWDM으로부터 출력된 광신호를 2채널로 분리하여 각각의 광섬유로 전송되게 하는 한 쌍의 커플러와, 반사되어 상기 광섬유로부터 재입사된 반사광에 따른 신호를 출력하고, 상기 각각의 광섬유마다 설치되는 광신호검출기와, 상기 커플러와 상기 광섬유의 사이 설치되고, 상기 커플러로부터 출력된 광신호는 상기 광섬유로 전송하고, 상기 광섬유로부터 출력되는 반사광에 의한 광신호는 상기 광신호검출기로 전송되도록 하며, 상기 광섬유 마다 설치되는 서큘레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.The optical signal transmission unit includes a coarse wavelength division multiplexing (CWDM) system for separating an optical signal output from the light source into two channels, and an optical signal output unit for receiving the optical signal output from the CWDM, A pair of optical couplers for outputting a signal corresponding to the reflected light reflected from the optical fiber and for each of the optical fibers to be transmitted to each of the optical fibers, And a circulator provided for each of the optical fibers so that an optical signal output from the coupler is transmitted to the optical fiber and an optical signal due to the reflected light output from the optical fiber is transmitted to the optical signal detector .

상기 광신호검출기들로부터 출력되는 신호를 정규화한 사인함수는 서로 정해진 위상차를 갖도록 상기 광섬유들이 배열되는 것을 특징으로 한다.And the sine functions obtained by normalizing the signals output from the optical signal detectors are arranged such that the optical fibers have a predetermined phase difference from each other.

상기 1번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 사인함수가 되고, 상기 2번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 사인함수와 180도위 위상차를 갖는 또 다른 사인함수가 되고, 상기 3번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 2번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 사인함수와 90도의 위상차를 갖는 코사인함수가 되고, 상기 4번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 3번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 코사인함수와 180도의 위상차를 갖는 또 다른 코사인함수가 되는 것을 특징으로 한다.Wherein a signal output from the optical signal detector connected to the first optical fiber is a sine function and a signal output from the optical signal detector connected to the second optical fiber is another sine function having a phase difference of 180 degrees with respect to the sine function, The signal output from the optical signal detector connected to the third optical fiber becomes a cosine function having a phase difference of 90 degrees from the sine function output from the optical signal detector connected to the second optical fiber, and the signal outputted from the optical signal detector connected to the fourth optical fiber And the signal is another cosine function having a phase difference of 180 degrees from the cosine function output from the optical signal detector connected to the third optical fiber.

상기 1번째 광섬유 및 2번째 광섬유에서 각각 출력된 사인함수의 차의 1/2에 의해 동상 노이즈가 제거된 사인함수를 구하고, 상기 3번째 광섬유 및 4번째 광섬유에서 각각 출력된 코사인함수의 차의 1/2에 의해 동상 노이즈가 제거된 코사인함수를 구하는 것을 특징으로 한다.A sinusoidal function in which the in-phase noise is removed is obtained by 1/2 of the difference between the sine functions output from the first optical fiber and the second optical fiber, and a sinusoidal function in which the in- / 2 to obtain a cosine function in which the in-phase noise is removed.

상기 질량체의 질량은 하기의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.Characterized in that the mass of the mass is obtained by the following equation.

Figure 112014027276913-pat00001
Figure 112014027276913-pat00001

(단, k : 스프링의 탄성계수, g : 중력가속도, d: 격자무늬주기, M1 : 동상노이즈가 제거된 사인함수, M2 동상 노이즈가 제거된 코사인함수)(Where k is the elastic modulus of the spring, g is the gravitational acceleration, d is the grating period, M1 is the sinusoidal function from which the in-phase noise is removed,

상기 질량측정부는, 하우징이 내부에 설치되는 상기 격자판과, 하우징에 승강가능하게 설치되고 질량체가 놓여지며, 상기 격자판의 상단에 연결되는 거치대와, 상기 하우징의 내부에 설치되는 반사경과, 상기 격자판의 하단을 상기 하우징에 탄력지지하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.The mass measuring unit may include: a grating plate having a housing installed therein; a pedestal mounted on the housing so as to be able to move up and down and having masses thereon, the pedestal being connected to an upper end of the grating; a reflector provided inside the housing; And a spring for elastically supporting the lower end to the housing.

상기 거치대와 상기 격자판은 연결대로 연결되고, 상기 하우징에는 상기 연결대의 일측을 지지하여 상기 격자판의 위치를 조정하는 영점조절나사가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.And the housing is further provided with a zero point adjustment screw which supports one side of the linkage to adjust the position of the grid plate.

상기 서큘레이터와 상기 광섬유의 사이에는 상기 서큘레이터로부터 출력되는 광신호를 평행하게 되도록 하는 시준기가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
And a collimator for collimating optical signals output from the circulator between the circulator and the optical fiber.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량측정기에 따르면, 기계적인 메커니즘과 그에 따른 광신호만을 이용하여 질량을 측정하기 때문에, 외부 전자기파에 대한 영향을 받지 않고 정밀하게 질량체의 질량을 측정할 수 있다.According to the mass spectrometer using the optical fiber according to the present invention, since the mass is measured using only the mechanical mechanism and the optical signal, the mass of the mass can be precisely measured without being affected by the external electromagnetic wave can do.

특히, 격자판의 미소변위에도 광량에 따른 광신호의 변동으로 상기 격자판의 하강변위를 정밀하고 신속하게 측정할 수 있다.Particularly, it is possible to precisely and quickly measure the falling displacement of the grid plate due to fluctuation of the optical signal according to the amount of light even in the minute displacement of the grid plate.

또한, 온도 등에 의한 동상 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있어서 우수한 분해능과 정확도를 갖는다.In addition, it is possible to effectively remove the common-mode noise due to temperature or the like, and thus has excellent resolution and accuracy.

아울러, 스프링의 탄성계수 또는 격자판의 길이를 변화시키면, 큰 범위의 질량을 우수한 분해능과 정확도로 측정할 수 있다.
In addition, by varying the elastic modulus of the spring or the length of the grid, a large range of mass can be measured with excellent resolution and accuracy.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량 측정기를 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 광섬유를 이용한 질량 측정기에서 격자판을 도시한 평면도.
도 3a 및 도 3b는 동상 노이즈를 도시한 그래프.1 is a block diagram showing a mass measuring device using an optical fiber according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a grating plate in the mass spectrometer using the optical fiber of FIG. 1; FIG.
Figs. 3A and 3B are graphs showing common noise; Fig.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량 측정기를 자세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, a mass spectrometer using an optical fiber according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량 측정기의 개략적인 구조가 도 1에 도시되어 있다.A schematic structure of a mass measuring device using an optical fiber according to the present invention is shown in Fig.

광섬유부(11)는 서로 간격을 두고 복수의 광섬유(11a)들이 배열된다.A plurality of optical fibers 11a are arranged in the optical fiber unit 11 at intervals.

상기 광섬유(11a)는 반사경(31)으로 광신호를 보내고, 반사경(31)으로부터 반사된 반사광을 수광한다. 상기 광섬유(11a)는 바람직하게는 4개가 배열되는데, 2개가 하나의 그룹을 이루도록 한다. 예컨대, 도 1에서 위로부터 1번째와 2번째의 광섬유(11a)가 하나의 그룹이 되고, 3번째와 4번째의 광섬유(11a)가 또 다른 하나의 그룹이 된다.The optical fiber 11a transmits an optical signal to the reflecting mirror 31 and receives the reflected light reflected from the reflecting mirror 31. [ Preferably, the optical fibers 11a are arranged in a group of four. For example, the first and second optical fibers 11a from the top in FIG. 1 become one group, and the third and fourth optical fibers 11a become another group.

광원(12)은 전원이 인가되면, 상기 광섬유부(11)로 보낼 광신호를 발생시킨다.The light source 12 generates an optical signal to be transmitted to the optical fiber unit 11 when power is applied.

상기 광원(12)과 상기 광섬유부(11)의 사이에는 상기 광원(12)으로부터 출력된 광신호를 분리하여, 각각의 광섬유(11a)로 전달하는 광신호 전송부가 설치된다.An optical signal transmission unit is provided between the light source 12 and the optical fiber unit 11 to separate the optical signal output from the light source 12 and transmit the optical signal to each optical fiber 11a.

이러한 광신호 전송부는 CWDM(13), 커플러(14), 서큘레이터(15)을 포함한다.The optical signal transmission unit includes a CWDM 13, a coupler 14, and a circulator 15.

CWDM(coarse wavelength division multiplexing)(13)은 일종의 필터로서, 상기 광원(12)으로부터 나온 광신호를 2개의 채널로 분리시킨다.A coarse wavelength division multiplexing (CWDM) 13 is a kind of filter that separates an optical signal from the light source 12 into two channels.

커플러(14)는 상기 CWDM(13)으로부터 출력된 광신호를 다시 2개의 채널로 분리시키는 것으로, 1X2 채널의 커플러(14)가 적용된다.The coupler 14 separates the optical signal output from the CWDM 13 into two channels again, and a 1X2 channel coupler 14 is applied.

서큘레이터(15)는 상기 커플러(14)와 광섬유(11a)의 사이에 설치된다. 상기 서큘레이터(15)는 커플러(14)로부터 출력된 광신호를 상기 광섬유(11a)로 전송하는 역할도 하지만, 상기 광섬유(11a)로부터 출력되는 반사된 광신호를 후술되는 광신호검출기(17)로 보내는 역할을 한다. 따라서, 상기 서큘레이터(15)는 2X1채널의 것이 설치되어, 상기 서큘레이터(15)의 일측(도면에서 좌측)으로는 커플러(14)와 광신호검출기(17)에 연결되고, 반대편 일측으로는 상기 광섬유(11a)와 연결된다.The circulator 15 is installed between the coupler 14 and the optical fiber 11a. The circulator 15 also transmits the optical signal output from the coupler 14 to the optical fiber 11a. The optical signal output from the optical fiber 11a is reflected by the optical signal detector 17, . Therefore, the circulator 15 is provided with a 2x1 channel, and is connected to the coupler 14 and the optical signal detector 17 at one side (left side in the figure) of the circulator 15, And is connected to the optical fiber 11a.

한편, 상기 서큘레이터(15)와 상기 광섬유(11a) 사이에는 상기 서큘레이터(15)로부터 상기 광섬유(11a)로 출력되는 광신호가 평행하도록 하는 시준기(collimator)(16)가 설치되는 것이 바람직하다.It is preferable that a collimator 16 is provided between the circulator 15 and the optical fiber 11a so that optical signals output from the circulator 15 to the optical fiber 11a are parallel to each other.

아울러, 상기 광신호부에는 상기 광섬유(11a)로부터 출력되는 반사광에 대한 신호를 검출하는 광신호검출기(17)가 설치된다.In addition, the optical signal section is provided with an optical signal detector 17 for detecting a signal of the reflected light output from the optical fiber 11a.

광신호검출기(17)는 서큘레이터(15)의 일측에 설치되어, 상기 광섬유(11a)로부터 출력되는 반사광신호를 전기신호로 획득한다.The optical signal detector 17 is installed at one side of the circulator 15 to obtain a reflected light signal output from the optical fiber 11a as an electric signal.

질량측정부는 하우징(21)에 승강가능하게 설치되는 거치대(22)와, 상기 광섬유(11a)로부터 입사된 광신호를 부분적으로 투과시키고 사기 거치대(22)와 일체로 승강하는 격자판(23)과, 상기 거치대(22)에 놓여지는 질량체의 질량에 따라 압축되도록 상기 격자판(23)의 하부에 체결되는 스프링(24)과, 상기 광섬유(11a)로부터 출력된 빛을 반사시키는 반사경(31)을 포함한다.The mass measuring unit includes a cradle 22 that is installed on the housing 21 so as to be able to move up and down, a grating plate 23 that partially transmits the optical signal inputted from the optical fiber 11a and moves up and down integrally with the scraper cradle 22, A spring 24 which is fastened to the lower part of the grating plate 23 so as to be compressed in accordance with the mass of the mass placed on the holder 22 and a reflecting mirror 31 which reflects the light outputted from the optical fiber 11a .

하우징(21)은 상기 질량측정부의 외형을 형성하고, 내부에 격자판(23), 반사경(31) 등이 설치될 수 있다. The housing 21 forms an outer shape of the mass measuring part, and a grid plate 23, a reflecting mirror 31, and the like may be installed therein.

거치대(22)는 상기 하우징(21)에 승강가능하게 설치된다. 상기 거치대(22)의 상부면에 측정하고자하는 질량체가 놓여진다. 상기 거치대(22)는 실질적으로 상기 하우징(21)의 하부에 설치되는 스프링(24)과 연결되어 있어서, 거치대(22)에 질량체가 놓여지면, 상기 거치대(22)는 아랫방향으로 하강된다. The holder (22) is installed on the housing (21) so as to be movable up and down. A mass to be measured is placed on the upper surface of the holder 22. The cradle 22 is connected to a spring 24 provided at a lower portion of the housing 21 so that the cradle 22 is lowered when the cradle 22 is placed on the cradle 22.

상기 거치대(22)에는 번갈아서 투과영역(23a)과 비투과영역(23b)이 형성되어진 격자판(23)이 설치된다.The cradle 22 is provided with a lattice plate 23 in which transmissive areas 23a and non-transmissive areas 23b are alternately formed.

상기 격자판(23)은 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 투과영역(23a)과 비투과영역(23b)이 형성되어 있어서, 상기 투과영역(23a)을 통해서는 광신호가 투과될 수 있고, 비투과영역(23b)에서는 광신호가 투과되지 않는다. 상기 격자판(23)에서 상기 투과영역(23a)과 비투과영역(23b)은 번갈아서 형성되고, 하나의 투과영역(23a)과 하나의 비투과영역(23b)이 상기 격자판(23)에서 격자무늬주기(d)가 된다. 상기 격자판(23)은 투과영역(23a)과 비투과영역(23b)에 의해 광량이 조절되도록 함으로써, 상기 광신호검출기(17)로부터 출력되는 신호가 변하도록 하는 것으로 상기 격자판(23)의 미소변위에도 정밀하게 상기 격자판(23)의 하강변위를 측정할 수 있다.2, the transmissive region 23a and the non-transmissive region 23b are formed so that the optical signal can be transmitted through the transmissive region 23a and the transmissive region 23a and the non- 23b do not transmit optical signals. The transmissive region 23a and the non-transmissive region 23b are alternately formed in the grid plate 23 and one transmissive region 23a and one non-transmissive region 23b are formed in the grid plate 23 in a grid pattern period d ). The grating 23 is configured such that the amount of light is controlled by the transmissive region 23a and the non-transmissive region 23b so that the signal output from the optical signal detector 17 is changed, The falling displacement of the grid plate 23 can be accurately measured.

상기 격자판(23)의 하부는 상기 하우징(21)에 고정되는 스프링(24)에 연결되어, 상기 거치대(22)에 놓여지는 질량에 비례하도록 작용하는 탄성력을 제공한다.The lower portion of the grid plate 23 is connected to a spring 24 fixed to the housing 21 and provides an elastic force acting to be proportional to a mass placed on the holder 22.

상기 격자판(23)의 상부와 하부에는 각각 연결대(25)(26)가 설치되어 있어서, 상기 격자판(23)은 상기 연결대(25)(26)를 통하여 상기 거치대(22) 및 스프링(24)에 연결된다.The gratings 23 and 25 are provided on the upper and lower portions of the grating plate 23 so that the grating 23 is connected to the grating 22 and the spring 24 .

한편, 상기 거치대(22)와 상기 격자판(23)을 연결하는 연결대(25)의 일측으로는 상기 하우징(21)에 설치된 영점조절나사(41)의 단부에 접촉하고 있어서, 상기 영점조절나사(41)를 통하여 상기 격자판(23)을 초기상태에 고정시켜 반사되는 광량이 초기에 일정하도록 하는 역할을 한다.On the other hand, one end of the connecting rod 25 connecting the holder 22 and the grid plate 23 is in contact with the end of the zero point adjusting screw 41 provided in the housing 21, To fix the grating plate 23 in an initial state and to make the amount of light reflected initially constant.

반사경(31)은 하우징(21)의 내측면, 특히 광섬유(11a)가 설치된 반대편의 내측면에 설치된다. 상기 반사경(31)은 상기 광섬유(11a)로부터 출력된 광신호를 반사시켜 다시 광섬유(11a)로 재입사되도록 한다. 예컨대, 도 1을 보면, 하우징(21)의 내부에서, 격자판(23)을 중심으로 어느 하나의 일측에는 광섬유(11a)가 배치되고, 반대편 일측에는 반사경(31)이 위치한다. 따라서, 상기 광섬유(11a)와 반사경(31) 사이에는 광신호가 전달될 때에는 격자판(23)의 투과영역(23a)을 통과한다.The reflecting mirror 31 is provided on the inner surface of the housing 21, in particular, on the opposite inner surface provided with the optical fiber 11a. The reflector 31 reflects the optical signal output from the optical fiber 11a and re-enters the optical fiber 11a. For example, in Fig. 1, an optical fiber 11a is disposed on one side of the grating plate 23, and a reflector 31 is disposed on the other side of the grating plate 23 in the housing 21. Therefore, when an optical signal is transmitted between the optical fiber 11a and the reflecting mirror 31, the light passes through the transmission region 23a of the grating plate 23.

한편, 상기 광섬유부(11)의 광섬유(11a)들은 상기 격자판(23)의 주기(d), 즉 하나의 투과영역(23a)과 하나의 비투과영역(23b)을 1세트로 한 것의 폭, 즉 격자무늬주기(d)와 일정한 관계로 배치된다.On the other hand, the optical fibers 11a of the optical fiber part 11 have a width d of the grid plate 23, that is, a set of one transmission area 23a and one non-transmission area 23b, Are arranged in a constant relationship with the grating period (d).

상기 광섬유(11a)는 1, 2번째 광섬유(11a)가 하나의 그룹을 이루고, 3, 4번째 광섬유(11a)가 또 다른 하나의 그룹을 형성하는데, 각 그룹의 광섬유(11a)로부터 상기 광신호검출기(17)로 출력되는 광신호는 180도의 위상차이를 갖도록 한다. 이는 상기 격자판(23)의 격자무늬주기(d)의 1/2 만큼 떨어진 위치에 배치되도록 한다.The first and second optical fibers 11a form one group and the third and fourth optical fibers 11a form another group. The optical fibers 11a form the group of optical fibers 11a, The optical signal output to the detector 17 has a phase difference of 180 degrees. It is arranged at a position spaced apart by 1/2 of the grating period (d) of the grid plate (23).

1번째 광섬유(11a)에 대하여 2번째 광섬유(11a)는 상기 1번째 광섬유(11a)로부터 격자무늬 주기(d)의 정수배에 1/2만큼 떨어진 위치에 배치되고, 3번째 광섬유(11a)는 상기 1번째 광섬유(11a)로부터 격자무늬 주기(d)의 정수배에 3/4만큼 떨어진 위치에 배치되며, 4번째 광섬유(11a)는 상기 1번째 광섬유(11a)로부터 격자무늬 주기(d)의 정수배에 3/4만큼 떨어진 위치에 배치된다.The second optical fiber 11a with respect to the first optical fiber 11a is disposed at a position spaced apart from the first optical fiber 11a by an integral multiple of the grating period d, The fourth optical fiber 11a is disposed at a position spaced by 3/4 from the first optical fiber 11a by an integral multiple of the period of the grating pattern d and the fourth optical fiber 11a is disposed at a position that is an integral multiple of the grating period d from the first optical fiber 11a 3/4.

즉, 2, 3, 4번째 광섬유(11a)가 1번째 광섬유(11a)와 이루는 간격, a, b, c는 각각 (n1+1/2)d, (n2+3/4)d, (n3+1/4)d, 가 된다(단, n1, n2, n3 는 정수).That is, the interval a, b, and c formed by the second, third, and fourth optical fibers 11a with the first optical fiber 11a are (n 1 +1/2) d, (n 2 +3/4) d, (n 3 +1/4) d, where n 1 , n 2 , and n 3 are integers.

상기와 같이, 광섬유부(11)의 광섬유(11a)들이 정해진 간격을 두고 배치되어 있어서, 상기 광신호검출기(17)에서 검출되는 출력신호를 정규화한 사인함수와 상기 사인함수와 위상차 180도인 사인함수에 온도 등에 의한 노이즈가 발생하는 경우, 동일한 위상의 노이즈(동상 노이즈)를 갖는 바, 상기 동상 노이즈를 제거하기 위함이다.
As described above, since the optical fibers 11a of the optical fiber unit 11 are arranged at regular intervals, the sine function obtained by normalizing the output signal detected by the optical signal detector 17, the sinusoidal function having the sine function of 180 degrees, (Common-mode noise) in the same phase when noise due to temperature or the like is generated in the phase-locked loop, the common-mode noise is removed.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 질량 측정기를 이용하여 질량을 측정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.A method of measuring the mass using the mass spectrometer using the optical fiber according to the present invention having the above-described structure will be described.

질량을 측정하기 위해 질량체를 거치대(22)에 올려놓기전에, 광원(12)에 전원을 인가하여, 상기 광섬유(11a)로부터 광신호를 상기 반사경(31)에 반사시켜, 상기 광신호검출기(17)들에서 일정한 광신호가 검출되는지를 확인하다. 아직 이상태에서는 상기 거치대(22)에 질량체를 올려놓지 않은 상태인 바, 상기 격자판(23)이 승강되지 않으므로, 상기 광신호검출기(17)들로 일정한 광량이 수광되므로, 일정한 신호가 출력되어야 한다. 만약 상기 광신호검출기(17)들에서 측정되는 광량이 일정하지 않고 변동된다면, 상기 영점조절나사(41)로 조정하여 상기 광신호검출기(17)로부터 일정한 신호가 출력되도록 한다.Power is applied to the light source 12 to reflect an optical signal from the optical fiber 11a to the reflector 31 before the mass body is placed on the mount 22 to measure the mass, ) To detect whether a certain optical signal is detected. Since the mass plate is not placed on the holder 22 in the ideal state, the grating plate 23 is not moved up and down. Therefore, a certain amount of light is received by the optical signal detectors 17, so that a constant signal is output. If the amount of light measured by the optical signal detectors 17 is not constant and varies, the zero point adjusting screw 41 adjusts the optical signal to output a predetermined signal from the optical signal detector 17.

이때, 상기 광신호검출기(17)의 출력신호를 정규화하면 사인함수를 갖는데, 앞서 설명한 바와 같이, 4개의 광섬유가 서로 정해진의 위상차를 갖도록 배치되어 있는 바, 각 광신호검출기(17)에서 취득하는 신호는 일정한 위상차를 갖는다.At this time, normalizing the output signal of the optical signal detector 17 has a sine function. As described above, the four optical fibers are arranged so as to have a predetermined phase difference from each other. The signal has a constant phase difference.

즉, 1, 2, 3, 4번째 광섬유(11a)에 연결된 각 광신호검출기(17)의 출력신호 I1,I2, I3, I4는 sin(θ), sin(θ+π), cos(θ+π), cos(θ)가 되고, I1과 I2는 180도의 위상차를 갖고, I3과 I4는 180도의 위상차를 가지며, I2와 I4는 90도의 위상차를 갖는다.The output signals I 1 , I 2 , I 3 and I 4 of the respective optical signal detectors 17 connected to the first, second, third and fourth optical fibers 11a are sin (θ), sin (θ + cos (? +?) and cos (?). I 1 and I 2 have a phase difference of 180 degrees, I 3 and I 4 have a phase difference of 180 degrees, and I 2 and I 4 have a phase difference of 90 degrees.

상기 I1과 I2 신호에 의해 구해지는 사인함수(M1)과, I3과 I4 신호에 의해 구해지는 코사인함수(M2)는 다음과 같다.The sinusoidal function M1 obtained by the I 1 and I 2 signals and the cosine function M2 obtained by the I 3 and I 4 signals are as follows.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112014027276913-pat00002
Figure 112014027276913-pat00002

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112014027276913-pat00003
Figure 112014027276913-pat00003

예컨대, 도 3a와 도 3b에는 I1, I2가 각각 도시되어 있다. I1과 I2는 서로 180도의 위상차를 갖고, 동일한 위치에서 동상 노이즈가 있다. 따라서, I1에서 I2를 빼면, I1과 I2는 서로 180도의 위상차를 가지므로, 실질적으로는 I1에 I2의 역상(도 3에서 점선으로 표시)을 더하는 것과 동일해진다. 이렇게 되면, 동상 노이즈는 서로 상쇄되고, 그 나머지 부분의 원래 사인함수의 2배가 되므로, I1과 I2의 차이를 2로 나누면, 동상 노이즈가 제거되어 외부 환경의 영향을 받지 않는 순수한 사인함수(M1)을 구할 수 있다.For example, I 1 and I 2 are shown in FIGS. 3A and 3B, respectively. I 1 and I 2 have a phase difference of 180 degrees from each other and have a common-mode noise at the same position. Thus, by subtracting the I 2 from I 1, I 1 and I 2, so, have the phase difference of 180 degrees to each other, substantially is equal to that of adding a reverse phase (indicated by a broken line in Fig. 3) of I 2 to I 1. When this happens, statue noise is canceled each other, so the original sine function two times of the remainder, divided by the difference between I 1 and I 2 to the second statue noise is removed, which is not affected by the external environment pure sine function ( M1) can be obtained.

마찬가지로, 코사인함수(M2)도 상기와 같은 방식에 의해 구해질 수 있다.Similarly, the cosine function M2 can be obtained by the above-described method.

질량을 측정하기 위해 질량 m을 갖는 질량체를 상기 거치대(22)에 올려놓게 되면, 상기 거치대(22)는 상기 질량체에 작용하는 중력에 대하여 하강하면서, 상기 스프링(24)을 압축시킨다. 상기 스프링을 압축시키는 힘은 상기 질량체에 작용하는 중력가속도에 기인하는 것이고, 그 힘에 의해 스프링은 탄성계수에 비례하는 변위만큼 압축되는데, 상기 스프링이 압축되는 변위는 상기 격자판(23)이 이동한 거리이므로, 'F=mg=kz' 의 관계가 성립한다(m은 질량, g는 중력가속도, k는 탄성계수, z는 격자판의 이동거리).When a mass having a mass m is placed on the cradle 22 to measure the mass, the cradle 22 compresses the spring 24 while descending with respect to gravity acting on the mass. The force for compressing the spring is caused by the gravitational acceleration acting on the mass body, and the spring compresses by a displacement proportional to the elastic modulus, and the displacement to which the spring is compressed is the displacement (M is the mass, g is the gravitational acceleration, k is the elastic modulus, and z is the travel distance of the grid plate).

따라서, 질량체의 질량(m)은,Therefore, the mass (m)

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

Figure 112014027276913-pat00004
Figure 112014027276913-pat00004

이 된다..

한편, 상기 격자판이 이동한 거리(z)는,On the other hand, the distance (z)

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112014027276913-pat00005
Figure 112014027276913-pat00005

으로서, 이를 상기 수학식 3에 대입하여, 하기의 수학식 5에 의해 질량체의 질량을 구할 수 있다., And substituting this into Equation (3), the mass of the mass can be obtained by the following Equation (5).

<수학식 5>&Quot; (5) &quot;

Figure 112014027276913-pat00006
Figure 112014027276913-pat00006

상기 z를 구하는 과정에서 unwrap 함수는 본 발명에 속하는 분야의 각종 프로그램에서 널리 쓰이는 함수이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
Since the unwrap function is widely used in various programs in the field of the present invention, detailed description thereof will be omitted.

11 : 광섬유부 11a : 광섬유
12 : 광원 13 : CWDM
14 : 커플러 15 : 서큘레이터
16 : 시준기 17 : 광신호검출기
21 : 하우징 22 : 거치대
23 : 격자판 23a : 투과영역
23b : 비투과영역 24 : 스프링
25, 26 : 연결대 31 : 반사경
41 : 영점조절나사11: optical fiber part 11a: optical fiber
12: light source 13: CWDM
14: Coupler 15: Circulator
16: collimator 17: optical signal detector
21: housing 22: cradle
23: Grating plate 23a: Transmission region
23b: non-transmitting region 24: spring
25, 26: connecting rod 31: reflector
41: Zero adjustment screw

Claims (11)

서로 간격을 두고 복수의 광섬유가 배열되는 광섬유부와,
상기 광섬유로 광신호를 송신하는 광원과,
상기 광원과 상기 광섬유의 사이에 설치되고, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 분리하여 각각의 광섬유로 전달하는 광신호 전송부와,
내부에서 상기 광섬유로 출력된 광신호를 반사시켜 상기 광섬유로 재입사시키되, 질량체가 놓여지면 승강하면서 상기 광섬유로 재입사되는 광량이 변하도록 투과영역과 비투과영역이 번갈아 형성되되 스프링으로 하단이 탄력지지되는 격자판을 구비하는 질량측정부를 포함하고,
상기 질량체가 놓여져 상기 격자판이 하강되면, 상기 광섬유로 재입사되는 광신호를 이용하여 상기 격자판의 하강변위를 계산하여 상기 질량체의 질량을 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
An optical fiber unit in which a plurality of optical fibers are arranged at intervals,
A light source for transmitting an optical signal to the optical fiber;
An optical signal transmission unit disposed between the light source and the optical fiber, for separating the optical signal output from the light source and transmitting the separated optical signal to each optical fiber;
Wherein the optical fiber is reflected by the optical fiber and is incident on the optical fiber again. When the mass is placed on the optical fiber, the transmission region and the non-transmission region are alternately formed so that the amount of light incident on the optical fiber changes, And a mass measuring unit provided with a grating plate that is provided on the substrate,
Wherein the mass of the mass body is calculated by calculating a descending displacement of the grid plate using the optical signal re-incident on the optical fiber when the mass body is placed and the grid plate is lowered.
제1항에 있어서,
상기 광섬유부는,
4개의 광섬유가 배열되어 이루어지되,
1번째 광섬유와 2번째 광섬유가 하나의 그룹이 되고,
3번째 광섬유와 4번째 광섬유가 또 다른 하나의 그룹이 되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
The method according to claim 1,
The optical fiber unit includes:
Four optical fibers are arranged,
The first optical fiber and the second optical fiber become one group,
And the third optical fiber and the fourth optical fiber are another group.
제2항에 있어서,
상기 2번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자판에서 어느 하나의 투과영역과 상기 투과영역에 인접한 하나의 비투과영역의 폭으로 정해지는 격자무늬주기의 정수배에 상기 격자무늬주기의 1/2만큼 이격되게 배치되고,
상기 3번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자무늬주기의 정수배와 상기 격자무늬주기의 3/4의 합 만큼 이격되게 배치되고,
상기 4번째 광섬유는 1번째 광섬유에 대하여, 상기 격자무늬주기의 정수배와 상기 격자무늬주기의 1/4의 합 만큼 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
3. The method of claim 2,
Wherein the second optical fiber is spaced apart from the first optical fiber by an integer multiple of a grating period determined by the width of one transmissive region and one non-transmissive region adjacent to the first transmissive region of the grating plate, Lt; / RTI &gt;
Wherein the third optical fiber is arranged to be spaced apart from the first optical fiber by an integer multiple of the periodic grating period and 3/4 of the periodic grating period,
Wherein the fourth optical fiber is spaced apart from the first optical fiber by an integral multiple of the grating period and a quarter of the grating period.
제2항에 있어서,
상기 광신호 전송부는,
상기 광원으로부터 출력된 광신호를 2개의 채널로 분리하는 CWDM(coarse wavelength division multiplexing)과,
상기 CWDM의 2개의 출력측에 각각 설치되고, 상기 CWDM으로부터 출력된 광신호를 2채널로 분리하여 각각의 광섬유로 전송되게 하는 한 쌍의 커플러와,
반사되어 상기 광섬유로부터 재입사된 반사광에 따른 신호를 출력하고, 상기 각각의 광섬유마다 설치되는 광신호검출기와,
상기 커플러와 상기 광섬유의 사이 설치되고, 상기 커플러로부터 출력된 광신호는 상기 광섬유로 전송하고, 상기 광섬유로부터 출력되는 반사광에 의한 광신호는 상기 광신호검출기로 전송되도록 하며, 상기 광섬유 마다 설치되는 서큘레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
3. The method of claim 2,
Wherein the optical signal transmission unit comprises:
A coarse wavelength division multiplexing (CWDM) for separating the optical signal output from the light source into two channels,
A pair of couplers provided on two output sides of the CWDM for separating optical signals output from the CWDM into two channels and transmitting the optical signals to respective optical fibers,
An optical signal detector for outputting a signal corresponding to the reflected light reflected from the optical fiber and provided for each of the optical fibers,
The optical signal output from the coupler is transmitted to the optical fiber, and the optical signal based on the reflected light output from the optical fiber is transmitted to the optical signal detector, And a detector for detecting the mass of the optical fiber.
제4항에 있어서,
상기 광신호검출기들로부터 출력되는 신호를 정규화한 사인함수는 서로 정해진 위상차를 갖도록 상기 광섬유들이 배열되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
5. The method of claim 4,
Wherein the sine functions obtained by normalizing the signals output from the optical signal detectors are arranged such that the optical fibers have a predetermined phase difference from each other.
제5항에 있어서,
상기 1번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 사인함수가 되고,
상기 2번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 사인함수와 180도위 위상차를 갖는 또 다른 사인함수가 되고,
상기 3번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 2번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 사인함수와 90도의 위상차를 갖는 코사인함수가 되고,
상기 4번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 신호는 상기 3번째 광섬유에 연결된 광신호검출기로부터 출력되는 코사인함수와 180도의 위상차를 갖는 또 다른 코사인함수가 되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
6. The method of claim 5,
A signal output from the optical signal detector connected to the first optical fiber is a sine function,
A signal output from the optical signal detector connected to the second optical fiber is another sine function having a phase difference of 180 degrees with the sine function,
The signal output from the optical signal detector connected to the third optical fiber is a cosine function having a phase difference of 90 degrees from the sine function output from the optical signal detector connected to the second optical fiber,
Wherein the signal outputted from the optical signal detector connected to the fourth optical fiber is another cosine function having a phase difference of 180 degrees with a cosine function output from an optical signal detector connected to the third optical fiber.
제6항에 있어서,
상기 1번째 광섬유 및 2번째 광섬유에서 각각 출력된 사인함수의 차의 1/2에 의해 동상 노이즈가 제거된 사인함수를 구하고,
상기 3번째 광섬유 및 4번째 광섬유에서 각각 출력된 코사인함수의 차의 1/2에 의해 동상 노이즈가 제거된 코사인함수를 구하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
The method according to claim 6,
A sinusoidal function in which the in-phase noise is removed is obtained by 1/2 of the difference between the sine functions output from the first optical fiber and the second optical fiber,
Wherein a cosine function in which the in-phase noise is removed is obtained by 1/2 of a difference between the cosine functions output from the third optical fiber and the fourth optical fiber, respectively.
제7항에 있어서,
상기 질량체의 질량은 하기의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
Figure 112014027276913-pat00007

(단, k : 스프링의 탄성계수, g : 중력가속도, d: 격자무늬주기, M1 : 동상노이즈가 제거된 사인함수, M2 동상 노이즈가 제거된 코사인함수)
8. The method of claim 7,
And the mass of the mass is obtained by the following equation.
Figure 112014027276913-pat00007

(Where k is the elastic modulus of the spring, g is the gravitational acceleration, d is the grating period, M1 is the sinusoidal function from which the in-phase noise is removed,
제1항에 있어서,
상기 질량측정부는,
하우징이 내부에 설치되는 상기 격자판과,
하우징에 승강가능하게 설치되고 질량체가 놓여지며, 상기 격자판의 상단에 연결되는 거치대와,
상기 하우징의 내부에 설치되는 반사경과,
상기 격자판의 하단을 상기 하우징에 탄력지지하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
The method according to claim 1,
The mass-
A grating plate in which a housing is installed,
A holder which is installed on the housing so as to be able to move up and down and which is connected to the upper end of the grid,
A reflector provided inside the housing,
And a spring for elastically supporting the lower end of the grid plate to the housing.
제9항에 있어서,
상기 거치대와 상기 격자판은 연결대로 연결되고,
상기 하우징에는 상기 연결대의 일측을 지지하여 상기 격자판의 위치를 조정하는 영점조절나사가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
10. The method of claim 9,
Wherein the cradle and the grid plate are connected to each other,
Wherein the housing further comprises a zero point adjustment screw for supporting one side of the linkage to adjust the position of the grid plate.
제4항에 있어서,
상기 서큘레이터와 상기 광섬유의 사이에는 상기 서큘레이터로부터 출력되는 광신호를 평행하게 되도록 하는 시준기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 질량 측정기.
5. The method of claim 4,
Further comprising a collimator disposed between the circulator and the optical fiber for collimating optical signals output from the circulator.
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