KR102153742B1 - 광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템 - Google Patents

광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템을 개시한다.
본 발명은 제1 굴절률을 갖는 코어, 제2 굴절률을 갖는 클래드, 및 제3 굴절률를 갖는 코팅부를 갖는 제1 광섬유와, 상기 제1 광섬유의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구성되어 있는 복수의 코어 굴절률 변조부와, 상기 코어 굴절률 변조부가 구성되어 있지 않은 제1 광섬유의 부분이 감겨져 있는 원통 모양의 압전부와, 상기 원통 모양의 압전부의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부를 포함하는 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링에 관한 발명이다.

Description

광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템{Optical Fiber Based Voltage Sensor and Voltage Monitoring System Using the Same}
본 발명은 광섬유 기반의 전압센서 및 전압센서를 이용한 전압 모니터링 시스템에 관한 발명이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 송전전압이 대형화되면서 기존 전자계 방식의 전압센서의 부피와 중량이 커지고 있는 추세이며, 이로 인해서 제품 자체의 비용 뿐만 아니라 설치 및 운용 비용도 증가되고 있다. 종래 전자계 방식의 전압센서의 부피와 중량이 커지는 이유는 다음과 같다. 전자계 방식의 전압센서는 전기신호를 이용한 전압 측정 방식으로써, 내외부에 전기적인 간섭이 발생하면 정확한 측정을 할 수 없기 때문에 절연물을 포함한다. 즉, 절연물을 포함함에 따라 전자계 방식의 전압센서의 부피와 중량은 증가한다.
또한, 전자계 방식의 전압센서는 센서부에 도체 및 반도체와 같이 전기가 흐르는 재료를 포함하도록 구성되므로, 열과 수분에 의해 부식될 가능성이 높으며, 방전이나 낙뢰(외부 노출된 전압센서 경우) 등에 의해서 파손되기 쉽다. 이에, 최근 전력분야에서는 광전자 기술의 발전에 따라 광을 이용한 전압센서 기술이 각광받고 있다.
광을 응용한 계측 시스템은 전계 노이즈 영향이 적다는 특성을 갖는다. 이러한 특성에 주력하여 국내외 전력회사에서는 각종 계측 분야에서 사용할 수 있도록 광을 이용한 전압센서에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 광을 이용한 전압센서 기술은 종래의 전자계 방식의 전압센서(아날로그 신호 출력)와 다른 기술을 기반으로 한다. 전자계 방식의 전압센서는 디지털 신호가 직접 입력되는 구조로 되어 있으므로, 전력산업 분야의 스마트 그리드 사업 또는 디지털 변전소 구현에 가장 적합하다고 할 수 있다. 특히, 광섬유 형태의 전압센서는 광케이블 기반의 광통신 네트워크와 연결하는데 유리한 장점이 있다.
현재까지 광섬유 기반의 전압센서로는 다양한 방법들이 제안되었지만, 대부분의 방식들이 외부 환경에 영향을 많이 받는다는 문제가 있으며, 부수적인 광학계가 필요하다는 단점이 존재했다.
본 발명의 일 실시예는, 최소한의 광학계로, 외부 환경 변화에 의한 영향이 없는 광섬유 기반의 전압센서를 제안하고, 제안된 전압센서를 이용한 전압 모니터링 시스템을 제한하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광섬유 기반의 전압센서는 제1 굴절률을 갖는 코어, 제2 굴절률을 갖는 클래드, 및 제3 굴절률을 갖는 코팅부를 포함하는 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구성되어 있는 복수의 코어 굴절률 변조부; 상기 코어 굴절률 변조부가 구성되어 있지 않은 제1 광섬유의 부분이 감겨져 있는 원통 모양의 압전부; 상기 원통 모양의 압전부의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부; 상기 코어 굴절률 변조부의 코어를 통과하는 광은 클래드로 커플링되고, 상기 코어 굴절률 변조부의 클래드을 통과하는 광은 코어로 커플링되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 압전부의 외경은 상기 전극부에 인가되는 전압의 세기에 따라서 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 압전부의 외경이 증가함에 따라, 제1 광섬유의 코어와 클래드의 굴절률이 변화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 크고, 제2 굴절률은 제3 굴절률보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 코어 굴절률 변조부는 제1 광섬유의 시단부에 1개와 종단부에 1개로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 압전부의 외경이 증가함에 따라, 제1 광섬유의 코어의 굴절률 및 클래드의 굴절률이 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 코팅부의 굴절률은 1.4 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 코어 굴절률 변조부는 외부 온도 변화를 보상할 수 있는 온도 유지장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 광섬유의 코어의 조성은 SiO2 또는 F가 첨가된 SiO2에 PbO, Bi2O3를 포함하고, 클래드에는 SiO2에 P2O5 또는 F를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 전압모니터링 시스템에 있어서, 제1 굴절률을 갖는 코어, 제2 굴절률을 갖는 클래드, 및 제3 굴절률를 갖는 코팅부를 갖는 제1 광섬유와, 상기 제1 광섬유의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구성되어 있는 복수의 코어 굴절률 변조부와, 상기 코어 굴절률 변조부가 구성되어 있지 않은 제1 광섬유의 부분이 감겨져 있는 원통 모양의 압전부와, 상기 원통 모양의 압전부의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부를 포함하는 전압센서; 소정의 파장의 레이저 빔을 출력하는 송신부; 상기 전압센서를 통과한 상기 레이저 빔을 수광하는 수신부; 상기 수신부에서 수광된 레이저 빔의 세기를 측정하고, 측정된 레이저 빔의 세기에 따라서, 상기 전극부에 인가되는 전압의 세기를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광섬유 기반의 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법에 있어서, 레이저 빔을 상기 광섬유의 코어로 커플링 하여 송출하는 단계; 상기 코어로 진행하는 레이저 빔의 일부를 상기 광섬유의 클래드로 분기하는 단계; 상기 광섬유의 코어와 클래드로 진행하는 레이저 빔이 서로 다른 굴절률을 겪게 하는 단계; 상기 코어와 클래드로 진행하는 레이저 빔을 다시 코어와 클래드로 재분기하는 단계; 상기 재분기 후, 광섬유의 코어의 레이저 빔의 세기를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 광섬유의 코어와 클래드의 굴절률을 모니터링 하고자 하는 전압의 양에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전압센서의 구성 및 패키징을 단순하게 구성할 수 있으므로, 센서의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 한 개의 광섬유를 이용하여 전압을 센싱하기 때문에, 외부 환경 요인을 고려할 필요 없는 신뢰성 높은 전압센서를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용한 전압 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 구체화한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광섬유의 시단부와 종단부에 구비된 코어 굴절률 변조부의 동작을 모식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서의 파장 통과 특성의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서에 인가되는 전압이 증가함에 따라 파장 통과 특성이 변화하는 것을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법을 설명하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용하여 수신되는 레이저 빔의 세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 전압센서의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용한 전압 모니터링 시스템의 구성도이다.
송신부(200)는 소정의 파장을 갖는 레이저 빔을 연속파 또는 변조된 형태로 송출한다. 송신부(200)에서 송출된 레이저 빔은 전압센서(100)로 커플링되고, 전압센서(100)를 통과한다. 통과된 레이저 빔은 수신부(300)에 의해 수신되고, 수신된 레이저 빔의 세기는 제어부(400)에 의해 측정된다.
전압센서(100)로 인가되는 전압의 세기에 따라 전압센서(100)를 통과하는 레이저 빔의 세기는 변화한다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 후술하도록 한다. 한편, 제어부(400)의 제어에 따라 제어부(400)에서 측정된 레이저 빔의 세기는 전압센서(100)로 인가되는 전압의 양으로 연산이 가능하며, 제어부(400)는 연산된 전압을 이용하여 전압센서(100)로 인가되는 전압의 세기를 모니터링 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 구체화한 구성도이다.
전압센서(100)는 제1 굴절률을 갖는 코어(미도시), 제2 굴절률을 갖는 클래드(미도시), 및 제3 굴절률를 갖는 코팅부(미도시)로 구성된 제1 광섬유(130), 제1 광섬유(130)의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구비된 복수 개의 코어 굴절률 변조부(140), 상기 코어 굴절률 변조부(140)가 구비되어 있지 않으며, 제1 광섬유(130)의 일부가 감겨져 있는 원통 모양의 압전부(120) 및 압전부(120)의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부(110)를 포함한다.
여기서, 복수 개의 코어 굴절룰 변조부(140)는 전압센서(100) 내 한 쌍, 즉, 시단부에 1개, 종단부에 1개로 구성되는 것이 바람직하다.
모니터링되는 전압은 전극부(110)에 연결되어 전압센서(100)로 인가되며, 인가된 전압의 세기에 따라서 압전부(120)의 외경은 변화한다. 이때, 제1 광섬유(130)는 원통 모양의 압전부의 외경을 따라서 단단하게(Tight) 감겨진 상태로서, 압전부(120)의 외경이 변화함에 따라 제1 광섬유(130)의 코어 및 클래드의 굴절률도 변화된다.
전술한 대로, 제1 광섬유(130)의 시단부와 종단부에는 코어 굴절률 변조부(140)가 각각 위치한다. 코어 굴절률 변조부(140)의 동작원리는 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
전압센서(100)의 시단부는 송신부(200)의 연결 광섬유(210) 및 접속부(500)에 의해 연결(커플링)된다. 제1 광섬유(130)는 연결 광섬유(210)와 동종의 광섬유로 구성될 수 있으며, 높은 성능의 전압센서를 구현하기 위해 제1 광섬유(130)를 특별하게 구성할 수도 있다. 접속부(500)는 광 어댑터로 구현될 수 있으며, 융착접속에 의해 제1 광섬유(130)와 연결될 수 있다.
전압센서(100)의 종단부는 수신부(300)의 연결 광섬유(310) 및 접속부(500)에 의해 연결(커플링)된다. 수신부(300)의 연결 광섬유(310)는 제1 광섬유(130)와 동종의 광섬유로 구성될 수도 있고, 서로 다른 광섬유로 구성될 수도 있다. 접속부(500)는 광 어댑터로 구현될 수 있으며, 융착접속에 의해 제1 광섬유(130)와 연결될 수 있다.
제1 광섬유(130)의 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 크며, 제2 굴절률은 제3 굴절률보다 크다. 이러한 굴절률의 차이는 코어 내부 및 클래드 내부에서 레이저 빔을 전반사 시키면서 가이드 될 수 있는 정도로 구성된다. 제1 광섬유(130)가 압전부(120)에 단단하게 감겨져 있기 때문에, 클래드로 레이저 빔이 지나가면, 레이저 빔은 클래드에서 가이드 되지 못하고 코팅부에 의해 외부로 손실되는 레이저 빔의 양이 많게 된다. 레이저 빔의 손실을 줄이기 위해서는 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이보다 제2 굴절률과 제3 굴절률의 차이가 20배 이상 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 제3 굴절률은 1.4보다 낮은 것이 바람직하다. 또한, 제1 광섬유(130)를 구부러짐에 둔감한 광섬유의 굴절률 분포를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광섬유의 시단부와 종단부에 구비된 코어 굴절률 변조부의 동작을 모식화한 도면이다.
제1 광섬유(130)의 코어(132)로 진행하는 레이저 빔(600)이 시단부의 코어 굴절률 변조부(140)를 만나면, 소정의 양의 레이저 빔이 클래드(131)로 커플링된다. 즉, 시단부의 코어 굴절률 변조부(140)를 지난 레이저 빔(600)은 클래드(131)로 커플링되고, 클래드(131)로 가이드되는 레이저 빔(600)과 클래드(131)로 커플링되지 않고 코어(132)로 가이드 되는 레이저 빔(600)으로 나뉘게 된다. 레이저 빔(600)이 나뉘게 되는 양은 코어 굴절률 변조부(140)의 굴절률이 변조되는 양에 의해 조절될 수 있으며, 나눠지는 비율은 5:5인 것이 바람직하다. 코어(132)와 클래드(131)로 각각 가이드 되는 레이저 빔(600)은 코어(132)와 클래드(131)의 굴절률의 차이 때문에 시간차 및 위상차가 발생하게 된다. 코어(132)와 클래드(131)에 의해 가이드된 레이저 빔(600)은 제1 광섬유(130)의 종단부에 구비된 코어 굴절률 변조부(140)를 만남으로써, 소정의 비율로 클래드(131)로 가이드 되는 레이저 빔(600)은 코어(132)로 커플링되어 다시, 코어(132)로 가이드된다. 또한, 코어(132)로 가이드 되는 레이저 빔(600)의 소정의 비율은 클래드(131)로 커플링되어 다시, 클래드(131)로 가이드된다. 시단부의 코어 굴절률 변조부(140)에서 만나, 코어(132)로 진행했던 레이저 빔(600)과 클래드(131)로 진행했던 레이저 빔(600)은 앞서 설명한 시간차와 위상차 때문에 간섭이 일어나며, 도 4에 도시된 바와 같이 파장 영역에서의 통과 파장특성을 갖게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서의 파장 통과 특성의 그래프이다.
레이저 빔(600)의 파장 특성은 대역 통과 필터가 복수 개 형성되어 있는 모양으로 구성되며, 전압센서(100)의 파장 특성은 레이저 빔(600)을 통과시키는 최고점과 최저점을 갖고, 최고점과 최저점은 일정한 파장 간격의 주기성을 갖는다.
파장 통과 특성에서 일정한 파장 간격의 주기성은 코어(132)와 클래드(131)에 의해 가이드 되는 레이저 빔(600)의 시간차에 따라 생성 및 결정되며, 코어(132)와 클래드(131)에 의해 가이드되는 레이저 빔(600)의 위상차는 통과 특성의 최고점과 최저점의 위치를 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서에 인가되는 전압이 증가함에 따라 파장 통과 특성이 변화하는 것을 도시한 그래프이다.
전압센서(100)에 인가되는 전압이 커짐에 따라, 압전부(120)의 외경이 커지게 되고, 외경이 커짐에 따라 감겨져 있는 코어(132)와 클래드(131)의 굴절률이 변화하게 된다. 외경이 커짐에 따라 변화하는 코어(132)와 클래드(131)의 굴절률 변화는 앞서 설명한 대로, 코어(132)와 클래드(131)를 따라 진행하는 레이저 빔(600)의 위상차를 변화시킨다. 도 5에 도시된 바와 같이, 위상차의 변화는 통과 특성의 변화를 가져오게 되며, 이러한 변화에 따라 특정 파장에서 통과 특성이 최고점을 최저점으로 변화시키게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법을 설명하는 그래프이다.
소정의 파장의 레이저 빔이 실선의 통과 특성을 갖는 전압센서(100)의 경우, 전압센서(100)를 통과한 레이저 빔의 세기는 A가 되며, 점선의 통과 특성을 갖는 전압센서(100)의 경우, 전압센서(100)을 통과한 레이저 빔의 세기는 B가된다. 그리고 파선의 통과 특성을 갖는 전압센서(100)의 경우, 전압센서(100)를 통과한 레이저 빔의 세기는 C가 된다. 즉, 송신부(200)에서 송출된 소정의 파장의 레이저 빔이 전압센서(100)를 통과한 후, 그 세기를 측정하는 것으로 전압센서(100)에 인가되는 전압의 세기를 측정할 수 있다. 단, 레이저 빔의 세기를 측정하고, 그 세기를 전압의 세기로 연산하는 제어부(400)는 미리 레이저 빔의 세기에 따른 전압의 세기의 변환표를 보유해야 한다.
본 발명에서 제안하는 전압센서(100)는 제1 광섬유(130)가 압전부(120)의 외경 변화에 따른 압력에 의해서 코어와 클래드의 굴절률 변화를 일으키고, 굴절률 변화를 기초로 전압을 센싱할 수 있다. 이러한 구성은 하나의 광섬유 코어와 클래드가 동시에 압력을 받기 때문에, 외부 환경에 의한 굴절률 변화는 서로 상쇄되는 효과가 있다. 이처럼 상쇄되는 효과는 전압센서(100)가 외부 환경에 무관한거나 둔감하게끔 한다. 다만, 코어와 클래드로 동시에 압력을 가해서 굴절률을 변화시키는 구조는 변화되는 정도가 낮기 때문에, 높은 전압을 계측하는 용도에는 유리하지만, 전압이 낮거나, 미세한 전압 변화를 계측하는 용도에는 적합하지 않을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 전압센서(100)로 압력이 가해졌을 때, 코어와 클래드의 굴절률 변화를 크게 구성하는 것이 낮은 전압 또는 미세한 전압 변화를 계측하는 응용 분야에는 바람직하다. 같은 압력으로 코어와 클래드의 굴절률에 큰 변화를 주기 위해서, 코어의 조성은 SiO2 또는 F가 첨가된 SiO2에 PbO, Bi2O3가 첨가되는 형태로 구성될 수 있고, 클래드는 SiO2에 P2O5 또는 F가 첨가되는 형태로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서를 이용하여 수신되는 레이저 빔의 세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 실험 조건은 다음과 같다. 제1 광섬유(130)의 코어의 직경이 8㎛이고, 클래드의 직경은 125㎛이여, 코어와 클래드의 굴절률 차이는 0.005, 코팅부의 굴절률은 약 1.38이며, 시단부와 종단부에 각각 위치한 코어 굴절률 변조부(140)의 간격은 1200㎜ 이다.
제1 광섬유(130)의 코어는 SiO2-GeO2로 조성되며, 클래드는 F가 첨가된 실리카 글라스로 조성된다. 송신부(200)의 광원의 파장은 1550.98㎚ 이며, 인가되는 전압은 AC 0~40kV이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 인가되는 전압의 세기가 증가함에 따라서, 송신부(200)가 송신하는 레이저 빔의 세기가 선형적으로 변화하는 것을 볼 수 있다. 전압센서(100)는 하나의 광섬유를 이용하기 때문에, 코어와 클래딩이 동시에 외부 환경의 영향을 받는다. 따라서, 굴절률 변화가 하나의 변수(압전부의 외경변화)로 기인하게 된다. 그러나 코어 굴절률 변조부(140)의 경우에는 외부 온도에 따라서 굴절률이 변화되며, 굴절률 변화는 중심파장의 변화를 야기한다. 즉, 압전부(120)의 외경 변화 외에도 파장 통과 특성을 변화시키는 요소가 코어 굴절률 변조부(140)의 중심파장의 변화를 일으킨다. 이를 방지하기 위해서는 코어 굴절률 변조부(140)가 외부 온도 변화 등에 영향을 받지 않도록 전압센서(100)는 고정 및 TEC와 같은 온도 유지장치를 더 포함할 수 있다. 단, 이러한 경우에는 별도의 외부 전원이 필요하다는 문제가 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 전압센서의 구성도이다.
도 7에서 전술한 대로, 코어 굴절률 변조부(140)가 외부 변화에 의한 영향을 받지 않도록 전압센서(100)는 반사형 광섬유 격자(150)를 추가로 더 포함할 수 있다. 이 경우에는 송신부(200)는 잠김이 가능한 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
송신부(200)는 광대역의 파장을 갖는 광원을 송출하고, 송출된 광대역의 광원 중 일부분만을 반사형 광섬유 격자(150)가 반사시킴으로써, 송신부(200)의 광원으로 입력시킨다. 입력을 받은 송신부(200)의 광원은 반사형 광섬유 격자(150)의 중심파장으로 잠김되어 레이징된다. 결과적으로, 송신부(200)는 반사형 광섬유 격자(150)의 중심과 동일한 레이저를 송출한다. 이러한 구조는 코어 굴절률 변조부(140)의 굴절률 변화를 보상할 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 반사형 광섬유 격자(150)와 코어 굴절률 변조부(140)는 동일한 실리카 소재를 기반으로 하고 있기 때문에, 온도에 따른 굴절률 변화량이 동일하다. 코어 굴절률 변조부(140)의 주위의 온도가 변화하면, 그 근방에 있는 반사형 광섬유 격자(150)도 거의 동일한 온도 변화를 겪는다. 동일한 온도 변화를 겪기 때문에, 코어 굴절률 변조부(140)와 반사형 광섬유 격자(150)의 온도에 따른 굴절률 변화량은 동일하며, 굴절률의 변화에 따른 중심파장의 변화도 동일하다. 따라서, 최종적으로, 전압센서(100)의 파장 투과 특성에 영향을 주는 요인으로는 압전부(120)의 외경 변화만 남게된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전압센서
110: 전극부
120: 압전부
130: 제1 광섬유
140: 코어 굴절률 변조부
150: 반사형 광섬유 격자
200: 송신부
300: 수신부
400: 제어부
500: 접속부
600: 레이저 빔

Claims (11)

  1. 제1 굴절률을 갖는 코어, 제2 굴절률을 갖는 클래드, 및 제3 굴절률을 갖는 코팅부를 포함하는 제1 광섬유;
    상기 제1 광섬유의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구성되어 있는 복수의 코어 굴절률 변조부;
    상기 코어 굴절률 변조부가 구성되어 있지 않은 제1 광섬유의 부분이 감겨져 있는 원통 모양의 압전부;
    상기 원통 모양의 압전부의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부;
    상기 코어 굴절률 변조부의 코어를 통과하는 광은 클래드로 커플링되고, 상기 코어 굴절률 변조부의 클래드을 통과하는 광은 코어로 커플링되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전부의 외경은,
    상기 전극부에 인가되는 전압의 세기에 따라서 변화되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  3. 제2항에 있어서.
    상기 압전부의 외경이 증가함에 따라, 제1 광섬유의 코어와 클래드의 굴절률이 변화하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 굴절률은 제2 굴절률보다 크고, 제2 굴절률은 제3 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  5. 제1항에 있어서,
    코어 굴절률 변조부는,
    제1 광섬유의 시단부에 1개와 종단부에 1개로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 압전부의 외경이 증가함에 따라, 제1 광섬유의 코어의 굴절률 및 클래드의 굴절률이 변하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅부의 굴절률은,
    1.4 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코어 굴절률 변조부는,
    외부 온도 변화를 보상할 수 있는 온도 유지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 코어의 조성은,
    SiO2 또는 F가 첨가된 SiO2에 PbO, Bi2O3를 포함하고, 클래드에는 SiO2에 P2O5 또는 F를 첨가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서.
  10. 제1 굴절률을 갖는 코어, 제2 굴절률을 갖는 클래드, 및 제3 굴절률를 갖는 코팅부를 갖는 제1 광섬유와, 상기 제1 광섬유의 시단부와 종단부의 코어에 각각 구성되어 있는 복수의 코어 굴절률 변조부와, 상기 코어 굴절률 변조부가 구성되어 있지 않은 제1 광섬유의 부분이 감겨져 있는 원통 모양의 압전부와, 상기 원통 모양의 압전부의 상부와 하부에 전기적으로 결합되어 있는 전극부를 포함하는 전압센서;
    소정의 파장의 레이저 빔을 출력하는 송신부;
    상기 전압센서를 통과한 상기 레이저 빔을 수광하는 수신부;
    상기 수신부에서 수광된 레이저 빔의 세기를 측정하고, 측정된 레이저 빔의 세기에 따라서, 상기 전극부에 인가되는 전압의 세기를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 시스템.
  11. 광섬유 기반의 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법에 있어서,
    레이저 빔을 상기 광섬유의 코어로 커플링 하여 송출하는 단계;
    상기 코어로 진행하는 레이저 빔의 일부를 상기 광섬유의 클래드로 분기하는 단계;
    상기 광섬유의 코어와 클래드로 진행하는 레이저 빔이 서로 다른 굴절률을 겪게 하는 단계;
    상기 코어와 클래드로 진행하는 레이저 빔을 다시 코어와 클래드로 재분기하는 단계;
    상기 재분기 후, 광섬유의 코어의 레이저 빔의 세기를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 광섬유의 코어와 클래드의 굴절률을 모니터링 하고자 하는 전압의 양에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반의 전압센서를 이용하여 전압을 모니터링 하는 방법.
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