KR102345553B1 - 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 관한 것으로서, 광섬유 온도센서는 코어와, 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱 광섬유의 종단에 직렬상으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 메인 광반응층과, 메인광응층에 접합되어 입사된 광을 센싱광섬유로 반사하는 반사층과, 메인 광반응층과 이격되는 위치의 센싱광섬유의 일정영역에 메인 광반응층과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성된 민감도향상층을 더 구비한다. 이러한 광섬유 온도센서. 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 의하면, 온도측정 분해능을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치{optical fiber temperature sensor and temperature measurement apparatus using the same}

본 발명은 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 온도 측정 민감도를 향상시킬 수 있도록 된 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 관한 것이다.

광섬유는 광신호를 전송할 수 있도록 코어의 외주면에 클래드를 형성한 구조로 되어 있고, 빠른 신호전달과 노이즈의 감소 및 안정성 때문에 통신 분야 뿐만아니라 광을 이용한 각종 기기에 널리 이용되고 있다.

최근에는 광섬유에 격자를 새긴 광섬유 격자를 센서소자로 이용하여 온도를 측정하는 것이 사용되고 있는데, 이러한 센서는 장거리이면서 전자장의 세기가 강한 전기적 신호전달이 열악한 환경에서도 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

이러한 광섬유 격자를 이용하여 온도를 측정하는 센서의 예가 국내 공개특허 제2001-0016707호에 개시되어 있다. 그런데, 종래의 광섬유 격자를 이용하여 온도를 측정하는 방식의 경우 광섬유 격자를 갖는 구조를 적용해야 하기 때문에 제조과정이 복잡하고 온도 분해능을 향상시키는데 제약이 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 온도 측정 분해능을 향상시킬 수 있는 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 온도센서는 코어와, 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱 광섬유의 종단에 직렬상으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 메인 광반응층과, 상기 메인광응층에 접합되어 입사된 광을 상기 센싱광섬유로 반사하는 반사층을 갖는 광섬유 온도센서에 있어서, 상기 메인 광반응층과 이격되는 위치의 상기 센싱광섬유의 일정영역에 상기 메인 광반응층과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성된 민감도향상층;을 더 구비한다.

바람직하게는 상기 메인 광반응층은 GaAs와 GaP 중 어느 하나로 형성되어 있고, 상기 반사층은 Cr로 형성된다.

또한, 상기 민감도 향상층은 상기 센싱광섬유를 아크방전에 노출시켜 형성된다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온도 측정장치는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광을 코어와 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단으로 출력하는 광써큘레이터와; 상기 센싱광섬유의 종단에 형성되어 입사된 광을 반사시키는 광섬유온도센서와; 상기 광써큘레이터의 출력단에서 출력되는 광을 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 광섬유온도센서가 설치된 환경의 온도를 산출하는 온도산출부;를 구비하고, 상기 광섬유온도센서는 상기 센싱 광섬유의 종단에 직렬상으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 메인 광반응층과; 상기 메인광응층에 접합되어 입사된 광을 상기 센싱광섬유로 반사하는 반사층과; 상기 메인 광반응층과 이격되는 위치의 상기 센싱광섬유의 일정영역에 상기 메인 광반응층과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성된 민감도향상층;을 구비한다.

본 발명에 따른 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 의하면, 온도측정 분해능을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 온도센서가 적용된 온도측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광섬유 온도센서의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 온도센서가 적용된 온도측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광섬유 온도센서의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 온도 측정장치는 광원(110), 광써큘레이터(120), 광섬유 온도센서(200), 광검출부(140) 및 온도산출부(150)를 구비한다.

광원(110)을 온도산출부(150)에 제어되어 광을 출사한다. 광원(110)은 발광다이오드가 적용될 수 있다.

광써큘레이터(120)는 광원(110)에서 출사되어 입력단(120a)을 통해 입력된 광을 센싱단(120b)을 통해 코어(130a)와 코어(130a)을 에워싸는 클래드층(130b)을 갖는 센싱광섬유(130)로 전송하고, 센싱광섬유(130)에서 역으로 진행되는 광을 출력단(120c)으로 출력한다. 광써큘레이터(120)는 광커플러 구조로 형성된 것을 적용할 수 있음은 물론이다.

센싱광섬유(130)는 코어(30a)와, 코어(130a)를 에워싸는 클래드층(130b)을 갖으며 일단이 센싱단(120b)에 접속되어 있다.

광섬유 온도센서(200)는 센싱광섬유(130)의 종단에 형성되어 입사된 광을 반사시킨다.

광섬유 온도센서(200)는 메인 광반응층(220), 반사층(230) 및 민감도향상층(210)을 갖는 구조로 되어 있다.

메인 광반응층(220)은 센싱 광섬유(130)의 종단에 직렬상으로 접합되어 형성된 층으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성되어 있다. 메인 광반응층(220)은 GaAs와 GaP 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

반사층(230)은 메인광반응층(230)의 외부로 노출되는 부분에 접합되어 입사된 광을 센싱광섬유(130)로 반사한다. 반사층(230)은 고반사율 소재로 형성되면 되고, 일 예로서, Cr소재로 형성된다.

민감도 향상층(210)은 메인 광반응층(220)과 이격되는 위치의 센싱광섬유(130)의 일정영역에 메인 광반응층(220)과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성되어 있다.

여기서 민감도 향상층(210)은 메인 광반층층(220)과 함께 온도 변화에 따른 광 흡수 변화율을 증가시킬 수 있게 형성된다.

이를 위해 민감도향상층(210)은 센싱광섬유(130)의 일부를 아크방전에 노출시켜 형성한다.

민감도 향상층(210)의 부가에 의한 온도 분해능 향상 효과를 이하에서 설명한다.

먼저, 민감도(Sensitivity)는 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서,I_R은 수신광의 세기, T는 온도이다.

또한, 민감도 향상층(210)의 광흡수량을 α1(α1 > 0), 메인 광반응층(220)의 광흡수량을 α2(α2 > 0), 광원(110)의 세기를 Is라고 하면, 수신광 세기는 아래의 수학식2로 표현될 수 있다.

위 수학식2로부터 민감도를 표현하면,

즉, 수학식 3을 통해 이해될 수 있는 바와 같이 메인 광반응층(220) 단독으로만 적용한 경우에 민감도 향상층(210)이 부가됨으로써 온도 측정 민감도 즉, 분해능을 향상시킬 수 있다.

한편, 여기서, 민감도 향상층(210)의 센싱광섬유(130)의 길이방향을 따르는 폭(S)은 0.1 내지 1mm인 것이 바람직하다.

여기서, 민감도 향상층(210)의 센싱광섬유(130)의 길이방향을 따르는 폭(S)이 0.1mm 미만이면 온도변화에 따른 광흡수율의 변화가 크지않고, 1mm를 초과하면 온도 변화에 따른 광흡수율의 변화가 지나치게 커져 센싱 감도를 오히려 떨어뜨릴 수 있다.

민감도 향상층(210)과 메인 광반응층(220) 사이의 이격거리는 길이에 따른 광섬유 손실을 무시할 수 있어 제한은 없지만, 온도 측정 위치의 결정성을 고려하여 1mm 이하의 이격 거리를 적용하는 것이 바람직하다.

이러한 민감도 향상층(210)은 센싱광섬유(130)의 일부가 노출되게 나머지는 아크방전에 대해 차폐되게 한 다음 아크 방전에 노출되게 하여 굴절율을 변화시킴으로써 형성하면 된다.

광검출부(140)는 광써큘레이터(120)의 출력단(120c)에서 출력되는 광을 검출하여 온도산출부(150)에 제공한다.

온도산출부(150)는 광검출부(140)에서 출력되는 신호로부터 광섬유온도센서(200)가 설치된 환경의 온도를 산출한다. 온도 산출부(150)는 메인 광반응층(220)과 민감도 향상층(210)의 온도에 따른 광 흡수 스펙트럼 정보를 이용하여 온도를 산출하도록 구축되면 된다.

이상에서 설명된 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치에 의하면, 온도측정 분해능을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

110: 광원 120: 광써큘레이터
140: 광검출부 140: 온도산출부
200: 광섬유 온도센서 210: 민감도 향상층
220: 메인 광반응층

Claims (8)

1. 코어와, 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱 광섬유의 종단에 직렬상으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 메인 광반응층과, 상기 메인 광반응층에 접합되어 입사된 광을 상기 센싱광섬유로 반사하는 반사층을 갖는 광섬유 온도센서에 있어서,
   상기 메인 광반응층과 이격되는 위치의 상기 센싱광섬유의 일정영역에 상기 메인 광반응층과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성된 민감도향상층;을 구비하고,
   상기 메인 광반응층은 GaAs와 GaP 중 어느 하나로 형성되어 있고, 상기 반사층은 Cr로 형성되어 있으며,
   상기 민감도 향상층의 상기 센싱광섬유의 길이방향을 따르는 폭은 0.1 내지 1mm이며,
   상기 민감도 향상층은 상기 센싱광섬유를 아크방전에 노출시켜 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 온도센서.
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5. 광원과;
   상기 광원에서 출사되는 광을 코어와 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단으로 출력하는 광써큘레이터와;
   상기 센싱광섬유의 종단에 형성되어 입사된 광을 반사시키는 광섬유온도센서와;
   상기 광써큘레이터의 출력단에서 출력되는 광을 검출하는 광검출부와;
   상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 광섬유온도센서가 설치된 환경의 온도를 산출하는 온도산출부;를 구비하고,
   상기 광섬유온도센서는
   상기 센싱 광섬유의 종단에 직렬상으로 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 메인 광반응층과;
   상기 메인 광반응층에 접합되어 입사된 광을 상기 센싱광섬유로 반사하는 반사층과;
   상기 메인 광반응층과 이격되는 위치의 상기 센싱광섬유의 일정영역에 상기 메인 광반응층과 다른 유효 굴절율을 갖으며 온도에 따른 흡수스펙트럼이 달라지게 형성된 민감도향상층;을 구비하고,
   상기 메인 광반응층은 GaAs와 GaP 중 어느 하나로 형성되어 있고, 상기 반사층은 Cr로 형성되어 있으며,
   상기 민감도 향상층의 상기 센싱광섬유의 길이방향을 따르는 폭은 0.1 내지 1mm이고,
   상기 민감도 향상층은 상기 센싱광섬유를 아크방전에 노출시켜 형성된 것을 특징으로 하는 온도 측정장치.
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