KR102499779B1 - Optical gas sensor for hydrogen and hydrogen gas detection system including the same - Google Patents

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Abstract

실시예들은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛; 측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스; 상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함하는 광학식 센서 및 이를 포함한 수소 가스 감지 시스템에 관련된다. Embodiments include a sensing unit including a sensing material that expands or contracts in response to hydrogen gas; a body case surrounding at least a portion of the sensing unit with a sidewall; a first ferrule disposed at one end of the body case into which the optical fiber is inserted; and a second ferrule disposed at the other end of the body case facing the first ferrule to form a cavity between the first ferrule and the sensing unit passing through the hole of the second ferrule. One end of the sensing unit is disposed in a cavity between the first ferrule and the second ferrule. It relates to an optical sensor and a hydrogen gas sensing system including the same.

Description

광학식 수소 가스 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 {OPTICAL GAS SENSOR FOR HYDROGEN AND HYDROGEN GAS DETECTION SYSTEM INCLUDING THE SAME}Optical hydrogen gas sensor and hydrogen gas detection system including the same

실시예들은 수소 가스를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소와 반응한 센싱 유닛의 부피 변화로 발생하는, 간섭파 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소를 감지하는 광학식 센서에 관한 것이다. Embodiments relate to a sensor for detecting hydrogen gas, and more particularly, to an optical sensor for detecting hydrogen by using a change in a pattern of an interference wave spectrum generated by a change in volume of a sensing unit that reacts with hydrogen.

수소 가스(H2)는 석유, 화학 및 항공 우주 산업 등에서 널리 활용되는 물질이다. 수소 가스(H2)는 높은 확산 계수(공기 중0.16 ㎠/s), 낮은 발화 에너지(0.02 mJ), 높은 연소 열 (285.8 kJ / mol), 그리고 광범위한 폭발 농도 범위(4~75%)로 인해 높은 위험성을 가진다. 수소 가스(H2)는 무색, 무취, 무미의 특성을 가지므로, 사람의 감각으로는 감지할 수 없어, 고감도, 고정확도, 고선택도로 수소 가스(H2)를 신속하게 감지하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. Hydrogen gas (H 2 ) is a material widely used in petroleum, chemical and aerospace industries. Hydrogen gas (H 2 ) has a high diffusion coefficient (0.16 cm2/s in air), low ignition energy (0.02 mJ), high heat of combustion (285.8 kJ/mol), and a wide explosive concentration range (4–75%). have a high risk Since hydrogen gas (H 2 ) has colorless, odorless, and tasteless characteristics, it cannot be detected by human senses, and therefore, there is a need for a technology for rapidly detecting hydrogen gas (H 2 ) with high sensitivity, high accuracy, and high selectivity. Interest is growing.

기존에는 전기적 방식으로 작동하는 수소 센서를 활용하였다. 그러나, 전기적 수소 센서는 전기스파크가 센서 내부 또는 주변에서 발생할 수 있어, 폭발의 위험을 갖는 한계가 있다.In the past, a hydrogen sensor operating in an electrical manner was used. However, the electric hydrogen sensor has a limitation in that an electric spark may be generated inside or around the sensor, resulting in a risk of explosion.

특허공개공보 제10-2020-0070682호 (2020.06.18.)Patent Publication No. 10-2020-0070682 (2020.06.18.)

본 발명의 일 측면에 따르면, 간섭파의 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소 가스를 감지하기 위해, 센싱 유닛과 수소가 반응하면 광섬유 패브리-페롯 간섭계에 의해 형성된 간섭파의 파장이 변화하도록 구성된 광학식 센서를 제공할 수도 있다. According to one aspect of the present invention, in order to detect hydrogen gas using a change in the pattern of the interference wave spectrum, an optical formula configured to change the wavelength of an interference wave formed by a fiber optic Fabry-Perot interferometer when the sensing unit reacts with hydrogen. A sensor may also be provided.

이 외에도, 상기 광학식 센서; 및 광학식 센서의 간섭광의 스펙트럼의 패턴의 변화에 기초하여 수소 가스의 농도를 검출하는 수소 가스 검출 시스템을 제공할 수도 있다.In addition to this, the optical sensor; and a hydrogen gas detection system that detects the concentration of hydrogen gas based on the change in the pattern of the spectrum of the interfering light of the optical sensor.

본 출원의 일 측면에 따른 광섬유를 통해 광원으로부터 빛을 입력 받아 수소를 감지하는 광학식 센서는: 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛; 측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스; 상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 상기 광섬유에서 출력되어 상기 공동을 통해 진행한 빛에 대하여 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성한다. An optical sensor for detecting hydrogen by receiving light from a light source through an optical fiber according to an aspect of the present application includes: a sensing unit including a sensing material that expands or contracts in response to hydrogen gas; a body case surrounding at least a portion of the sensing unit with a sidewall; a first ferrule disposed at one end of the body case into which the optical fiber is inserted; and a second ferrule disposed at the other end of the body case facing the first ferrule to form a cavity between the first ferrule and the sensing unit passing through the hole of the second ferrule. One end of the sensing unit is disposed in a cavity between the first ferrule and the second ferrule. The optical sensor forms an interference wave according to a Fabry-Perot interferometer with respect to light output from the optical fiber and propagating through the cavity.

일 실시예에서, 상기 센싱 유닛은: 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하고 상기 제1 페룰을 향해 연장된 지지체; 및 상기 지지체의 적어도 일부를 코팅하여 형성된 수소 반응층을 포함할 수도 있다. 상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 공동에 노출된 상기 지지체의 제1 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 포함한다. In one embodiment, the sensing unit includes: a support passing through the hole of the second ferrule and extending toward the first ferrule; and a hydrogen reaction layer formed by coating at least a portion of the support. The hydrogen reaction layer may be formed on part or all of the first portion of the support body exposed to the cavity through the hole of the second ferrule.

일 실시예에서, 상기 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함할 수도 있다. 상기 적어도 하나의 개구는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된다. In one embodiment, the side wall may include at least one aperture. The at least one opening is formed in a portion of the sidewall corresponding to the cavity.

일 실시예에서, 상기 간섭파는, 상기 센싱 유닛의 표면과 상기 광섬유에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 형성될 수도 있다. 상기 광학식 센서는 상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리가 변화함으로써 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화한다. In one embodiment, the interference wave may be formed due to repetitive reflection of light between a surface of the sensing unit and a point where light is emitted from the optical fiber. In the optical sensor, the spectral periodicity of the interference wave is changed as the distance between the surface and the point changes according to the volume change of the sensing material coated in the sensing unit.

일 실시예에서, 상기 광학식 센서는 센싱 유닛을 고정하기 위해, 상기 제2 페룰의 구멍의 일 단에 형성된 제1 고정체를 더 포함할 수도 있다. In one embodiment, the optical sensor may further include a first fixing body formed at one end of the hole of the second ferrule to fix the sensing unit.

일 실시예에서, 상기 제2 페룰의 구멍 내부에서 상기 제2 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록 상기 제2 페룰의 구멍은 상기 센싱 유닛의 너비 보다 더 큰 직경을 가질 수도 있다. In one embodiment, the hole of the second ferrule may have a larger diameter than the width of the sensing unit so that a gap is formed between the hole of the second ferrule and the sensing unit inside the hole of the second ferrule. there is.

일 실시예에서, 상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍 내부에 삽입된 상기 센싱 유닛의 제2 부분의 일부 또는 전부 삽입 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the hydrogen reaction layer may further include a part or all of a part or all of the second part of the sensing unit inserted into the hole of the second ferrule.

일 실시예에서, 상기 지지체는 광섬유일 수도 있다.In one embodiment, the support may be an optical fiber.

일 실시예에서, 상기 수소 반응층은 팔라듐을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.In one embodiment, the hydrogen reaction layer may be made of a material including palladium.

일 실시예에서, 상기 제2 페룰의 구멍에서 상기 제1 페룰에 대향하는 상기 구멍의 타 단에 배치되어 상기 센싱 유닛을 고정하는 제2 고정체를 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the second ferrule hole may further include a second fixture disposed at the other end of the hole opposite to the first ferrule to fix the sensing unit.

일 실시예에서, 상기 센싱 유닛은: 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 센싱 유닛의 표면 상에 형성된, 상기 수소 반응층 보다 더 높은 반사율을 갖는 반사층을 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the sensing unit may further include a reflective layer having a higher reflectance than the hydrogen reaction layer, formed on a surface of the sensing unit facing the first ferrule.

일 실시예에서, 상기 반사층은 Au을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.In one embodiment, the reflective layer may be made of a material including Au.

일 실시예에서, 상기 센싱 유닛이 제1 페룰 및 제2 페룰에 걸쳐서 고정되도록, 상기 제2 페룰의 구멍을 관통한 센싱 유닛은 상기 제1 페룰의 구멍에 삽입될 수도 있다.In one embodiment, the sensing unit passing through the hole of the second ferrule may be inserted into the hole of the first ferrule so that the sensing unit is fixed across the first ferrule and the second ferrule.

일 실시예에서, 상기 제1 페룰의 구멍 내부에서 상기 제1 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록, 상기 제1 페룰의 구멍은 센싱 유닛의 너비 보다 큰 직경을 가질 수도 있다.In one embodiment, the hole of the first ferrule may have a larger diameter than the width of the sensing unit so that a gap is formed between the hole of the first ferrule and the sensing unit inside the hole of the first ferrule. .

일 실시예에서, 상기 광학식 센서는 기체 또는 유체 중에 분포하는 수소를 감지할 수도 있다. In one embodiment, the optical sensor may detect hydrogen distributed in gas or fluid.

본 출원의 제2 측면에 따른 수소 가스 검출 시스템은: 상술한 실시예들에 따른 광학식 센서; 상기 광원을 포함한 광원부; 광 써큘레이터; 및 상기 광학식 센서에서 형성된 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화에 기초하여 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하는 광 스펙트럼 분석기를 포함할 수도 있다. A hydrogen gas detection system according to a second aspect of the present application includes: an optical sensor according to the above-described embodiments; a light source unit including the light source; optical circulator; and an optical spectrum analyzer for detecting the presence or absence of hydrogen gas or measuring the concentration of hydrogen gas based on a change in spectral periodicity of an interference wave formed by the optical sensor.

일 실시예에서, 상기 광원부는: 상기 광원의 빛을 수신하여 증폭하는 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the light source unit may further include an er-doped fiber amplifier (EDFA) for receiving and amplifying the light of the light source.

일 실시예에서, 상기 광원은 단일 파장 광원일 수도 있다.In one embodiment, the light source may be a single wavelength light source.

일 실시예에서, 상기 광 써큘레이터는 제 1, 제2, 및 제 3 포트를 가질 수도 있다 상기 광원부에서 출력된 빛을 상기 제2 포트에 연결된 상기 광학식 센서로 출력하고, 상기 광학식 센서에서 형성되어 상기 제2 포트로 입력되는 상기 간섭파를 상기 제3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력한다. In one embodiment, the light circulator may have first, second, and third ports. The light output from the light source unit is output to the optical sensor connected to the second port, and is formed in the optical sensor. The interference wave input through the second port is output to the optical spectrum analyzer connected to the third port.

일 실시예에서, 상기 광원은 제1 시간 동안 빛을 방출하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하며, 상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 센싱 유닛의 표면에서 반사되어 상기 광 스펙트럼 분석기로 진행하는 시간을 포함할 수도 있다. In one embodiment, the light source emits light for a first time and does not emit light for a second time, and the second time is such that the light emitted during the first time is reflected from the surface of the sensing unit. It may also include the time to proceed to the optical spectrum analyzer.

본 발명의 일 측면에 따른 수소 가스를 감지하는 광학식 센서는 빛에 의한 간섭파를 이용하여 수소 감지를 감지한다. 상기 광학식 센서는 기존의 전자소자 기반의 센서와 동일한 수준의 감도, 정확도, 선택도, 감지 속도를 가지면서, 전기스파크가 발생할 염려가 없어 폭발의 위험이 없다. An optical sensor for detecting hydrogen gas according to an aspect of the present invention detects hydrogen by using an interference wave caused by light. The optical sensor has the same level of sensitivity, accuracy, selectivity, and detection speed as conventional electronic device-based sensors, and there is no risk of explosion because there is no fear of generating an electric spark.

또한, 상기 광학식 센서는 공기 중의 수소뿐만이 아니라, 유체 속에 용해된 수소를 감지할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 외부 환경에 대한 내구성이 뛰어난 광섬유들 사이에(또는 광섬유 페룰 내부에) 형성된 패브리-페롯 공동(cavity)을 기반으로 동작하기 때문에, 주변의 기체 또는 액체 등과 같이 감지 대상이 혼합된 상태에서도 작동이 가능하고 또한, 다양하고 열악한 환경에서도 수소 가스를 감지할 수도 있다. In addition, the optical sensor may detect not only hydrogen in the air but also hydrogen dissolved in a fluid. Since the optical sensor operates based on a Fabry-Perot cavity formed between optical fibers (or inside an optical fiber ferrule) that has excellent durability against the external environment, a sensing target such as a surrounding gas or liquid is mixed. It can also operate in a variety of harsh environments and can also detect hydrogen gas.

도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 동작 원리의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 5a 내지 도5c는, 도 4의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사층의 효과를 도시한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페룰의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경에 따른 감지 및 복원 양상을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 9a 및 도 9b는, 도 8의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 11은, 도 10의 광학식 센서를 유체 내에 위치 시켰을 때의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12b는, 도 10의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram for explaining the principle of an optical fiber Fabry-Perot interferometer.
2 is a schematic structural diagram of a hydrogen gas detection system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of an operating principle of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C are diagrams for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 4 .
6 is a diagram illustrating an effect of a reflective layer according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining a sensing and restoring aspect according to a diameter of a hole of a ferrule and a diameter of a sensing unit according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
9A and 9B are diagrams for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 8 .
10 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining changes when the optical sensor of FIG. 10 is placed in a fluid.
12A to 12B are diagrams for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 10 .

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. It should be noted that the technical terms used in this specification are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, technical terms used in this specification should be interpreted in terms commonly understood by those of ordinary skill in the technical field disclosed in this specification, unless specifically defined otherwise in this specification, and are overly inclusive. It should not be interpreted in a positive sense or in an excessively reduced sense. In addition, when technical terms used in this specification are erroneous technical terms that do not accurately express the spirit of the technology disclosed in this specification, they should be replaced with technical terms that those skilled in the art can correctly understand.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. Also, singular expressions used in this specification include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, “consists of.” or "includes." Such terms should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may not be included, or additional components or steps may be included. It should be interpreted as being more inclusive.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. In addition, the suffix “part” for components used in this specification is given or used interchangeably in consideration of only the ease of writing the specification, and does not itself have a meaning or role distinct from each other.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. In addition, in describing the technology disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the technology disclosed in this specification, the detailed description will be omitted. In addition, it should be noted that the accompanying drawings are only intended to facilitate understanding of the spirit of the technology disclosed in this specification, and should not be construed as limiting the spirit of the technology by the accompanying drawings.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining the principle of an optical fiber Fabry-Perot interferometer.

광섬유 패브리-페롯 간섭계(Fiber Febry-Parot interferometer; FFPI)는 반사 가능한 두 개의 막으로부터 반사된 간섭파의 스펙트럼에 있어서 주기성을 갖게 되는데, 상기 두 막 사이의 거리 또는 간섭계를 구성하는 물질의 굴절률이 변하게 되면 상기 주기성도 변하게 된다. 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 이러한 주기성의 변화를 이용하여 스펙트럼을 분석하는 원리를 사용한다. 이에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다. Fiber Febry-Parot interferometer (FFPI) has periodicity in the spectrum of interference waves reflected from two reflective films, and the distance between the two films or the refractive index of the material constituting the interferometer changes Then, the periodicity also changes. The fiber optic Fabry-Perot interferometer uses the principle of analyzing the spectrum using this change in periodicity. A detailed description of this is as follows.

도 1a는 두 개의 반사 가능한 막(132, 134)이 거리 L0를 갖고, 굴절률 n0를 갖는 물질에 의하여 상기 막 사이가 채워져 있는 경우를 도시하였다. FIG. 1A shows a case in which two reflective films 132 and 134 have a distance L0 and a space between the films is filled with a material having a refractive index n0.

상기 두 개의 막(132, 134)은 지역(120)와 상기 두 개의 막(132, 134) 사이의 물질에 대한 경계면인 제 1 막(132) 및 막(132, 134) 사이의 내부 지역(110)과 외부 지역(130)의 경계면인 제 2 막(134)을 포함한다. 제1 막(132)과 제2 막(134)은 1보다 낮은 반사율(R)을 가진다. The two films 132 and 134 are a region 120 and a first film 132 which is an interface for the material between the two films 132 and 134 and an inner area 110 between the films 132 and 134. ) and the second film 134, which is the boundary between the outer region 130. The first layer 132 and the second layer 134 have a reflectance R lower than 1.

상기 제 1 막(132)의 일면에 연결된 지역(region)(120)에서 임의의 파장(λ)을 갖는 빛(E0)이 진행하여 상기 제 1 막(132)으로 조사한다. 상기 제 1 막(132)을 통과한 빛은 제1 막(132)과 제2 막(134) 사이의 지역(130)으로 입사한다. Light E0 having an arbitrary wavelength λ proceeds from a region 120 connected to one surface of the first layer 132 and is irradiated onto the first layer 132 . The light passing through the first layer 132 is incident on a region 130 between the first layer 132 and the second layer 134 .

상기 지역(110)으로 입사된 빛은 다시 제 2 막(134)으로 진행한다. 상기와 같은 이동 경로로 이동하는 빛은, 지역(110, 120, 130)에 대한 굴절률 차이 및/또는 막(132, 134)의 반사율의 차이로 인해 상기 제 1 막(132) 및 상기 제 2 막(134)에서 일부 또는 전부가 반사된다. 제2 막(134)의 특성에 따라 진행한 빛 중 일부가 외부로 투과될 수도 있다. 반사된 빛은 제1 막(132)을 통과하여 다시 지역(120)으로 진행한다. Light incident to the area 110 proceeds to the second film 134 again. The light moving along the movement path as described above is caused by a difference in refractive index of the regions 110, 120, and 130 and/or a difference in reflectance of the films 132 and 134, which causes the first film 132 and the second film 132 to pass through. Some or all of it is reflected at (134). Depending on the characteristics of the second film 134, some of the propagated light may be transmitted to the outside. The reflected light passes through the first film 132 and travels back to the region 120 .

이에 따라, 상기 두 막(132, 134) 사이를 반복적으로 반사 및 투과하는 빛은 다시 상기 지역(120)로 되돌아오는 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3…)를 형성한다. 상기 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3)는 상기 지역(120) 내에서 서로 간섭을 일으키고, 간섭으로 인해 최종적으로 결정된 간섭파를 형성하게 된다.  Accordingly, light repeatedly reflected and transmitted between the two films 132 and 134 forms a plurality of reflected waves Er1 , Er2 , Er3 . . . returning to the area 120 . The plurality of reflected waves Er1 , Er2 , and Er3 cause interference with each other within the region 120 , and the finally determined interference wave is formed due to the interference.

도 1b는 도 1a의 간섭파의 스펙트럼을 도시한 도면이다. Figure 1b is a diagram showing the spectrum of the interference wave of Figure 1a.

상기 간섭파는 일정한 파장을 갖게 되고, 파장에 따라 상기 간섭파의 스펙트럼은 주기성을 보이게 되며, 이 주기성은 상기 두 막(132, 134) 사이의 거리와 굴절률에 의한 함수로 나타내진다. The interference wave has a constant wavelength, and the spectrum of the interference wave exhibits periodicity according to the wavelength, and this periodicity is expressed as a function of the distance between the two layers 132 and 134 and the refractive index.

도 1b에 도시된 바와 같이, 간섭파의 스펙트럼은 입사광에 포함된 성분에 관계 없이 동일한 피크의 위치를 가진다. 구체적으로, 입사광의 파장(성분)에 따라 피크의 위치는 달라지지 않지만, 반사막 경계에서의 투과율 및 반사율의 차이가 발생하여, 피크의 세기는 변할 수도 있다. As shown in FIG. 1B, the spectrum of the interference wave has the same peak position regardless of the component included in the incident light. Specifically, the position of the peak does not vary depending on the wavelength (component) of the incident light, but the intensity of the peak may change due to a difference in transmittance and reflectance at the boundary of the reflective film.

이렇게 형성된 최종 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화를 이용하여 물질을 감지하는 등의 목적으로 사용하는 것을 광섬유 패브리-페롯 간섭계(FPPI)라고 한다. A fiber optic Fabry-Perot interferometer (FPPI) is used for purposes such as sensing a material by using a change in the spectral periodicity of the final interference wave thus formed.

만일 한쪽 반사면이 외부의 특정 물질과 반응하여 해당 반사면이 변형됨으로써 간섭계를 이루는 거리(L)가 변화하면 스펙트럼의 주기적 패턴을 변화시킬 수 있다. If a reflection surface on one side reacts with a specific external material and the corresponding reflection surface is deformed, the periodic pattern of the spectrum can be changed if the distance L forming the interferometer is changed.

결과적으로, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성 변화에 의하여, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 물질 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다. As a result, the fiber optic Fabry-Perot interferometer can sense external influences that cause material change in the fiber optic Fabry-Perot interferometer by the spectral periodicity change of the interfering wave.

도 1c는 두 막(132, 134) 사이의 거리가 ΔL만큼 증가하여 두 막(132, 134) 사이의 거리(L)가 L0로부터 L1으로 변화하는 경우를 도시하였다. FIG. 1C shows a case in which the distance L between the two layers 132 and 134 changes from L0 to L1 as the distance between the two layers 132 and 134 increases by ΔL.

상기 두 막(132, 134) 사이의 거리가 변하는 경우, 상기 입사파가 반사하면서 형성하게 되는 최종 정상파의 수는 공진 길이가 늘어남에 따라 증가하게 되므로, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기도 짧아지게 된다. 따라서, 스펙트럼 상에서는 관찰되는 스펙트럼의 산과 골의 모양이 한쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있게 된다. When the distance between the two films 132 and 134 is changed, the number of final standing waves formed by reflection of the incident wave increases as the resonance length increases, so the spectral period of the interference wave also becomes shorter. Therefore, on the spectrum, it is possible to observe a phenomenon in which the peaks and valleys of the observed spectrum shift to one side.

만약, 상기 두 막(132, 134) 중 어느 하나의 막의 적어도 일부가 변형되어 두 막(132, 134) 사이의 거리가 증가하는 경우 이때, 입사파의 파장(λ)에 대한 상기 간섭파의 주기 변화에 따른 파장 변화량(Δλ)은 아래의 수학식 1과 같다. If at least a portion of one of the two films 132 and 134 is deformed and the distance between the two films 132 and 134 increases, the period of the interference wave with respect to the wavelength λ of the incident wave The amount of change in wavelength (Δλ) according to the change is shown in Equation 1 below.

Figure 112021060028711-pat00001
Figure 112021060028711-pat00001

여기서, Δλ는 입사파의 파장에 대한 간섭파의 파장 변화량, λ는 입사파의 파장, n0는 두 막 사이의 물질에 대한 굴절률, ΔL은 두 막 사이의 거리 변화량, L0는 두 막 사이의 거리를 나타낸다. Here, Δλ is the change in the wavelength of the interference wave with respect to the wavelength of the incident wave, λ is the wavelength of the incident wave, n 0 is the refractive index of the material between the two films, ΔL is the change in the distance between the two films, and L 0 is the difference between the two films represents the distance of

이와 같이, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 임의의 두 막(132, 134) 사이의 거리 변화에 따른 간섭파의 파장 변화량(Δλ) 및 이에 따른 스펙트럼 주기성의 변화를 기초로, 상기 두 막(132, 134) 사이를 채우는 물질(110)의 거리에 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다. In this way, the fiber optic Fabry-Perot interferometer is based on the change in the wavelength of the interference wave (Δλ) according to the change in the distance between the two arbitrary films 132 and 134 and the corresponding change in the spectral periodicity, the two films 132 and 134 ) It is possible to detect an external influence that causes a change in the distance of the material 110 filling the gap.

이하, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 이용하여 수소 가스를 감지하는 광학식 센서에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, an optical sensor for detecting hydrogen gas using the principle of an optical fiber Fabry-Perot interferometer will be described.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다. 2 is a schematic structural diagram of a hydrogen gas detection system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 수소 가스 검출 시스템(1)은 광원부(100); 서큘레이터(circulator)(300); 및 광학식 센서(400); 및 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer; OSA)(500)를 포함한다. 수소 가스 검출 시스템(1)의 구성요소(100, 300, 400, 500)는 광섬유(200)를 통해 광학적으로 연결된다. Referring to FIG. 2 , the hydrogen gas detection system 1 includes a light source unit 100; circulator 300; and an optical sensor 400; and an optical spectrum analyzer (OSA) 500. Components 100 , 300 , 400 , and 500 of the hydrogen gas detection system 1 are optically connected through an optical fiber 200 .

광원부(100)는 광학식 센서(400)에 빛을 공급하는 광원을 포함한다. 상기 광원부(100)에서 발생한 빛은 상기 서큘레이터(300)의 입력 포트로 조사될 수 있다. 또한, 상기 빛은 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광학식 센서(400)로 조사될 수 있다. The light source unit 100 includes a light source that supplies light to the optical sensor 400 . Light generated from the light source unit 100 may be irradiated to an input port of the circulator 300 . In addition, the light may be irradiated to the optical sensor 400 through the circulator 300 .

일 실시예에서, 상기 광원은 백색광 또는 광대역 광(broadband light)을 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 광대역 광원일 수도 있다. 상기 일 실시예에서, 상기 광원을 포함한 광원부(100)는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Er-doped fiber amplifier; EDFA)를 더 포함할 수도 있다. In one embodiment, the light source may be configured to emit white light or broadband light. For example, the light source may be a laser diode or a broadband light source. In the above embodiment, the light source unit 100 including the light source may further include an er-doped fiber amplifier (EDFA).

일 실시예에서, 상기 광원은 단일 파장 광 신호를 방출하도록 구성될 수도 있다. 광원부(100)가 EDFA 대신 단일 파장 광 신호를 활용하도록 구성될 경우, 상기 광학식 센서(400)가 수소를 감지하면 수소와 반응에 따른 간섭계의 시프트로 인한 광 신호의 세기 변화가 광학식 센서(400)의 ER(extinction ratio)에 비례한다. In one embodiment, the light source may be configured to emit a single wavelength optical signal. When the light source unit 100 is configured to utilize a single wavelength optical signal instead of EDFA, when the optical sensor 400 detects hydrogen, the change in intensity of the optical signal due to the shift of the interferometer according to the reaction with the optical sensor 400 is proportional to the ER (extinction ratio) of

광원부(100)에서 방출된 빛은 광섬유(200)를 따라 다른 구성요소들(300, 400, 500)로 진행한다. Light emitted from the light source unit 100 travels along the optical fiber 200 to other components 300, 400, and 500.

상기 광섬유(200)는 전반사를 이용하여 상기 광원부(100)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광섬유(200)는 상기 시스템1을 구성하는 각 구성 요소들을 연결하고, 상기 광원에서 발생된 빛이 상기 각 구성요소들 사이를 이동할 수 있도록 광학적 이동 경로를 제공할 수 있다. The optical fiber 200 may provide a movement path of light formed in the light source unit 100 using total internal reflection. The optical fiber 200 may connect each component constituting the system 1 and provide an optical movement path for light generated from the light source to move between the components.

구체적으로, 상기 광섬유(200)는 상기 광원에서 형성된 빛이 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광학식 센서로 조사되고, 상기 광학식 센서(400)에서 형성된 간섭파가 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 조사될 수 있도록 할 수 있다. Specifically, in the optical fiber 200, the light formed in the light source is irradiated to the optical sensor through the circulator 300, and the interference wave formed in the optical sensor 400 passes through the circulator 300. It can be irradiated with the optical spectrum analyzer 500.

상기 광섬유(200)는 최소한의 에너지 손실로 빛을 상기 센서(400)로 조사한다. 상기 광섬유(200)는 빛의 전반사를 유도하는 코어(core) 및 클래딩(cladding)으로 구성될 수 있다. The optical fiber 200 radiates light to the sensor 400 with minimal energy loss. The optical fiber 200 may be composed of a core and a cladding that induce total reflection of light.

대안적인 실시예들에서, 상기 시스템1 내 각 구성요소들(100, 300, 400, 500)은 상기 광섬유(200)를 대신하여 평판 광 도파로를 통해 연결될 수 있다. 그러면, 상기 광 도파로는 상기 광섬유(200)에 비하여 길이가 짧고 두께가 훨씬 가늘어 상기 광학식 센서(400) 및 상기 광학식 센서(400)를 포함하는 상기 수소 가스 검출 시스템(1)의 집약적(intensive) 구성이 가능하며, 상기 광원에서 형성된 빛의 직경을 변화시키는데 유용할 수 있다.In alternative embodiments, each of the components 100, 300, 400, and 500 in System 1 may be connected through a planar optical waveguide instead of the optical fiber 200. Then, the optical waveguide has a shorter length and a much thinner thickness than the optical fiber 200, thereby providing an intensive configuration of the optical sensor 400 and the hydrogen gas detection system 1 including the optical sensor 400 This is possible and may be useful for changing the diameter of light formed in the light source.

상기 서큘레이터(300)는 제 1 내지 제 3 포트를 구비할 수 있다. 상기 서큘레이터(300)는 상기 제 1 포트로 입력된 빛을 상기 제 2 포트로 출력하고, 상기 제 2 포트에서 입력된 빛을 상기 제 3 포트로 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 서큘레이터(300)는 상기 빛의 경로를 조절하기 위해 빛을 반사시키는 거울 또는 편광 조절 소자 등을 구비할 수 있다. The circulator 300 may have first to third ports. The circulator 300 may be configured to output light input through the first port to the second port and output light input through the second port to the third port. The circulator 300 may include a mirror or a polarization control element that reflects light to control the path of the light.

상기 서큘레이터(300)의 제1 포트는 광원부(100)에 연결된다. 상기 서큘레이터(300)의 제2 포트는 광학식 센서(400)에 연결된다. 상기 서큘레이터(300)의 제3 포트는 분석기(500)에 연결된다. The first port of the circulator 300 is connected to the light source unit 100. The second port of the circulator 300 is connected to the optical sensor 400. The third port of the circulator 300 is connected to the analyzer 500.

상기 서큘레이터(300)는 상기 광원부(100), 상기 광학식 센서(400) 및 상기 광 스펙트럼 분석기(500) 사이에 위치하여, 상기 광원부(100)에서 발생한 빛의 경로를 전환할 수 있다. 이때, 상기 서큘레이터(300)의 상기 제 1 포트는 상기 광원부(100)와 연결되고, 상기 제 2 포트는 상기 광학식 센서(400)와 연결되며, 상기 제 3 포트는 상기 광 스펙트럼 분석기(500)와 연결될 수 있다. The circulator 300 is positioned between the light source unit 100, the optical sensor 400, and the optical spectrum analyzer 500, and can change a path of light generated from the light source unit 100. At this time, the first port of the circulator 300 is connected to the light source unit 100, the second port is connected to the optical sensor 400, and the third port is connected to the optical spectrum analyzer 500. can be connected with

일 실시예에서, 상기 서큘레이터(300)는 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원부(100)에서 방출된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 광학식 센서(400)로 출력하고, 상기 광학식 센서(400)에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 출력할 수 있다. In one embodiment, the circulator 300 outputs the light emitted from the light source unit 100 input to the first port to the optical sensor 400 connected to the second port, and the optical sensor ( 400) and outputs the interference wave input to the second port to the optical spectrum analyzer 500 connected to the third port.

일 실시예에서, 상기 광원부(100)는 제1 시간 동안 빛을 방출하기 위해 턴-온(turn on)하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하기 위해 턴-오프할 수도 있다. 상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 광학식 센서(400)에 입력되어 생성된 간섭파가 상기 광학식 센서(400)로부터 출력되어 상기 서큘레이터(300)를 통해 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 진행하는 시간을 포함한다. 상기 수소 가스 검출 시스템1의 광 경로 상에서 제1 시간 동안 빛은 광원부(100)로부터 서큘레이터(300)를 통해 광학식 센서(400)로 진행한다. 그리고, 상기 수소 가스 검출 시스템1의 광 경로 상에서 제2 시간 동안 빛은 광학식 센서(400)로부터 서큘레이터(300)를 통해 광 스펙트럼 분석기(500)로 진행한다. In one embodiment, the light source unit 100 may be turned on to emit light for a first time and turned off to not emit light for a second time. In the second time, the light emitted during the first time is input to the optical sensor 400, and an interference wave generated is output from the optical sensor 400 and passes through the circulator 300 to the optical spectrum analyzer ( 500). During the first time on the light path of the hydrogen gas detection system 1, light travels from the light source unit 100 to the optical sensor 400 through the circulator 300. In addition, light travels from the optical sensor 400 to the optical spectrum analyzer 500 through the circulator 300 for the second time on the light path of the hydrogen gas detection system 1 .

상기 광학식 센서(400)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성한다. 상기 광학식 센서(400)는 상기 광원부(100)로부터 조사된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 상기 간섭파를 형성할 수 있다. The optical sensor 400 forms an interference wave according to the principle of a fiber optic Fabry-Perot interferometer. The optical sensor 400 may form the interference wave according to the principle of a fiber optic Fabry-Perot interferometer with respect to the light irradiated from the light source unit 100 .

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 동작 원리의 개략도이다. 3 is a schematic diagram of an operating principle of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 광학식 센서(400)는 상기 간섭파를 형성하기 위해 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로서 작용하는 제1 반사막 및 제2 반사막을 형성하도록 구성된다. 시스템1의 광섬유(200)를 통해 진행한 빛은 제1 반사막에 입사되어 제2 반사막을 향해 진행한다. 제2 반사막을 향해 진행한 빛 중 적어도 일부는 반사되어 다시 제1 반사막을 통과한다. 이와 같이 진행하는 빛은 두 막 사이의 반복적인 반사 현상에 의해 임의의 파장 및 스펙트럼 주기성을 갖는 간섭파를 형성하도록 할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the optical sensor 400 is configured to form a first reflective film and a second reflective film that act as two films of an optical fiber Fabry-Perot interferometer to form the interference wave. Light traveling through the optical fiber 200 of System 1 is incident on the first reflective film and proceeds toward the second reflective film. At least some of the light traveling toward the second reflective film is reflected and passes through the first reflective film again. Light traveling in this way can form an interference wave having an arbitrary wavelength and spectral periodicity by repetitive reflection between the two films.

상기 제1 반사막은 광학식 센서(400)로 진행하는 빛을 방출하는 광섬유(200)의 출력단에서 형성된다. The first reflective film is formed at an output end of an optical fiber 200 emitting light traveling toward the optical sensor 400 .

상기 제2 반사막은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질 부분에서 형성된다. 상기 제2 반사막은 상기 감지 물질 자체의 표면으로 구현되거나, 또는 상기 감지 물질과 접촉한 다른 구성요소의 표면으로 구현될 수도 있다. The second reflective film is formed in a portion of the sensing material that expands or contracts in response to hydrogen gas. The second reflective film may be implemented as a surface of the sensing material itself or a surface of another component in contact with the sensing material.

상기 감지 물질은 수소 가스와 흡착하여 팽창하거나 또는 상기 수소 가스와 결합하지 않는 경우 수축하는 물질일 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 감지 물질은, 팔라듐(Pd)을 포함할 수도 있다. The sensing material may be a material that expands by adsorbing hydrogen gas or contracts when not combined with the hydrogen gas. In one embodiment, the sensing material may include palladium (Pd).

상기 감지 물질의 부피 변화는 상기 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 거리 변화를 야기한다. 제1 반사막과 제2 반사막 사이의, 빛이 진행하는 거리가 변화함으로써, 간섭파의 파장이 변화할 수도 있다. A change in the volume of the sensing material causes a change in the distance between the first reflective layer and the second reflective layer. The wavelength of the interference wave may change as the distance at which light travels between the first and second reflection films changes.

이러한 광학식 센서(400)의 구조에 대해서는 아래의 도 4 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다. The structure of the optical sensor 400 will be described in more detail with reference to FIG. 4 below.

상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 간섭파의 파장 변화를 기초로 수소 가스의 존재 여부의 검출하고 및/또는 수소 가스 농도를 측정한다. 즉, 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 광학식 센서(400)에서 형성된 상기 간섭파의 스펙트럼을 관찰하여, 스펙트럼 주기성이 변화하는지 여부를 기초로 상기 수소 가스의 존재 여부를 결정하거나 및/또는 수소 가수 농도를 산출할 수 있다. The optical spectrum analyzer 500 detects the existence of hydrogen gas and/or measures the hydrogen gas concentration based on the wavelength change of the interference wave. That is, the optical spectrum analyzer 500 observes the spectrum of the interference wave formed by the optical sensor 400, and determines whether or not the hydrogen gas exists based on whether the spectrum periodicity changes or not, and/or hydrogen valence. concentration can be calculated.

이를 위해, 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 간섭파의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 입사되는 상기 간섭파의 스펙트럼을 디스플레이 상에 표시할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(500)에 의한 빛의 특성은 파장, 주기성, 빛의 강도 등을 포함할 수 있다. To this end, the optical spectrum analyzer 500 may measure the spectrum of the interference wave. The optical spectrum analyzer 500 may display the spectrum of the interference wave incident to the optical spectrum analyzer 500 on a display. The characteristics of light by the optical spectrum analyzer 500 may include wavelength, periodicity, light intensity, and the like.

도 2에 도시한 수소 가스 검출 시스템의 구성 요소가 모두 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 2에 도시한 구성 요소보다 많거나 적은 구성 요소에 의해 수소 가스 검출 시스템(1)이 구현될 수 있다. Not all components of the hydrogen gas detection system shown in FIG. 2 are essential components, and the hydrogen gas detection system 1 may be implemented with more or fewer components than those shown in FIG. 2 .

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다. 4 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 광학식 센서(400)는 센싱 유닛(410); 바디 케이스(420); 제1 페룰(430); 및 제2 페룰(440)을 포함한다. Referring to FIG. 4 , the optical sensor 400 includes a sensing unit 410; body case 420; a first ferrule 430; and a second ferrule 440 .

상기 광학식 센서(400)는 광섬유(200)를 통해 광원부(100)의 빛을 수신한다. 수신된 빛은 센싱 유닛(410)을 향해 전파된다. 전파된 빛은, 상기 광섬유(200)의 출력단에 대향한 센싱 유닛(410)의 일 표면에서 반사되어 다시 광섬유(200)로 진행한다. The optical sensor 400 receives light from the light source unit 100 through the optical fiber 200 . The received light propagates toward the sensing unit 410 . The propagated light is reflected from one surface of the sensing unit 410 facing the output end of the optical fiber 200 and proceeds to the optical fiber 200 again.

상기 센싱 유닛(410)은: 지지체(411); 및 수소 반응층(413)을 포함한다. The sensing unit 410 includes: a support 411; and a hydrogen reaction layer 413 .

지지체(411)는 일 축을 따라 연장된 구조체이다. 상기 지지체(411)는 상기 지지체(411)의 일부분에 형성된 수소 반응층(413)을 지지한다. The support 411 is a structure extending along one axis. The support 411 supports the hydrogen reaction layer 413 formed on a part of the support 411 .

일 실시예에서, 지지체(411)는 단일 모드 광섬유(SMF)일 수도 있다. In one embodiment, the support 411 may be a single mode fiber (SMF).

수소 반응층(413)은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질로 이루어진다. 상기 수소 반응층(413)은, 예를 들어 지지체(411)의 일부분을 팔라듐으로 코팅하여 형성될 수도 있다. 상기 지지체(411)의 일부분은 상기 지지체(411)의 양 단 중 상기 광섬유(200)에 대향하는 일 단의 부분을 포함한다. 코팅된 팔라듐 층(413)에서 상기 광섬유(200)에 대향하는 표면이 도 3의 제2 반사막으로 기능한다. The hydrogen reaction layer 413 is made of a sensing material that expands or contracts in response to hydrogen gas. The hydrogen reaction layer 413 may be formed by coating a portion of the support 411 with palladium, for example. A portion of the support 411 includes one end of both ends of the support 411 facing the optical fiber 200 . A surface of the coated palladium layer 413 facing the optical fiber 200 functions as a second reflective film in FIG. 3 .

바디 케이스(420)는 측벽을 가지고 일 단과 타 단이 관통한, 측벽 내부에 공간을 갖는 형태의 하우징이다. 상기 바디 케이스(420)는 내부 공간에 배치될 센싱 유닛(410)에 대한 슬리브 배관으로 기능한다. 상기 바디 케이스(420)는 원통형, 타원형, 다각형의 다양한 평면 형상을 가진다. 예를 들어, 바디 케이스(420)는 도 4에 도시된 바와 같이 실린더 형태를 가질 수도 있다. The body case 420 is a housing having a side wall and one end and the other end passing therethrough, and having a space inside the side wall. The body case 420 functions as a sleeve pipe for the sensing unit 410 to be disposed in the inner space. The body case 420 has various planar shapes such as a cylinder, an ellipse, and a polygon. For example, the body case 420 may have a cylindrical shape as shown in FIG. 4 .

상기 바디 케이스(420) 는 상기 센싱 유닛(410)의 평면 너비 보다 더 큰 평면 너비를 가진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더 형태의 바디 케이스(420)는 센싱 유닛(410)의 내부 너비 보다 넓은 직경을 가진다. The body case 420 has a plane width greater than that of the sensing unit 410 . As shown in FIG. 4 , the cylindrical body case 420 has a larger diameter than the inner width of the sensing unit 410 .

상기 바디 케이스(420)는 센싱 유닛(410) 전체를 둘러싸거나, 또는 일부를 둘러쌓을 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 바디 케이스(420)는 외부로 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 일부분이 노출되도록 상기 센싱 유닛(410)을 둘러쌓을 수도 있다.The body case 420 may surround the entire sensing unit 410 or partially. For example, as shown in FIG. 4 , the body case 420 may surround the sensing unit 410 so that a part of the support 411 of the sensing unit 410 is exposed to the outside.

제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 광 커넥터 등의 접속에서 광섬유의 정렬(alignment)을 위해 사용되는, 실린더 튜브 형태로 중심 부에 구멍(hole)을 갖은 부품이다. 제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 바디 케이스410의 일 단에 부분적으로 또는 전체적으로 삽입된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 일부분이 바디 케이스410의 측벽 내부로 삽입될 수도 있다. The first ferrule 430 and the second ferrule 440 are components having a hole in the center in the form of a cylindrical tube used for alignment of optical fibers in a connection such as an optical connector. The first ferrule 430 and the second ferrule 440 are partially or wholly inserted into one end of the body case 410 . For example, as shown in FIG. 4 , portions of the first ferrule 430 and the second ferrule 440 may be inserted into the sidewall of the body case 410 .

상기 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)은 서로 대향하여 배치된다. 상기 광학식 센서(400)는 상기 바디 케이스410의 측벽, 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)로 형성된 공동(cavity)을 가진다. The first ferrule 430 and the second ferrule 440 are disposed to face each other. The optical sensor 400 has a cavity formed by the sidewall of the body case 410, the first ferrule 430 and the second ferrule 440.

제1 페룰(430)은 광원부(100)의 빛을 입력하는 광섬유(200)를 지지한다. 상기 광섬유(200)는 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입된다. 광학식 센서(400)는 상기 제1 페룰(430)에 의해 광섬유(200)의 일 단에 결합된다.The first ferrule 430 supports the optical fiber 200 through which light of the light source unit 100 is input. The optical fiber 200 is inserted into the hole of the first ferrule 430 . The optical sensor 400 is coupled to one end of the optical fiber 200 by the first ferrule 430 .

상기 제1 페룰(430)의 구멍은 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유(200)의 직경에 매칭되거나, 또는 아래의 도 10에 도시된 바와 같이 광섬유(200) 사이의 갭을 갖도록 보다 더 넓을 수도 있다. The hole of the first ferrule 430 may match the diameter of the optical fiber 200 as shown in FIG. 4, or may be wider to have a gap between the optical fibers 200 as shown in FIG. 10 below. there is.

일 실시예에서, 제1 페룰(430)과 광섬유(200)의 일 단은 광섬유(200)에서 출력되는 빛의 방향에 대해 수직으로 연마된 것일 수도 있다. 제1 페룰(430)의 일 단의 표면은 센싱 유닛(410)에 대향하도록 연마된다. In one embodiment, the first ferrule 430 and one end of the optical fiber 200 may be polished perpendicular to the direction of light output from the optical fiber 200 . One surface of the first ferrule 430 is polished to face the sensing unit 410 .

제2 페룰(430)은 센싱 유닛(410)을 지지한다. 상기 센싱 유닛(410)은 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하여 삽입된다. 또한, 센싱 유닛(410)의 타 단은 제2 페룰(440)의 구멍 외부(즉, 광학식 센서(400) 외부)에 배치될 수도 있다. The second ferrule 430 supports the sensing unit 410 . The sensing unit 410 is inserted through the hole of the second ferrule 440 . Also, the other end of the sensing unit 410 may be disposed outside the hole of the second ferrule 440 (ie, outside the optical sensor 400).

특정 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 페룰(440)의 구멍을 관통한 센싱 유닛(410)의 일 단은 내부 공동에 배치될 수도 있다. In certain embodiments, as shown in FIG. 4 , one end of the sensing unit 410 penetrating the hole of the second ferrule 440 may be disposed in the inner cavity.

또한, 상기 광학식 센서(400)는 센싱 유닛(410)을 고정하기 위해, 적어도 하나의 고정체를 포함할 수도 있다. Also, the optical sensor 400 may include at least one fixing body to fix the sensing unit 410 .

특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 고정체(451) 및 제2 고정체(453)를 더 포함할 수도 있다. In certain embodiments, the optical sensor 400 may further include the first stator 451 and the second stator 453 as shown in FIG. 4 .

고정체(451 및/또는 453)는 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410)을 고정하도록, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 일 단 및/또는 타 단에 형성된다. The fixing bodies 451 and/or 453 are formed at one end and/or the other end of the hole of the second ferrule 440 to fix the sensing unit 410 passing through the hole of the second ferrule 440. .

상기 고정체(451, 453)는, 예를 들어 에폭시(epoxy) 등과 같은 수지로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다. The fixtures 451 and 453 may be made of, for example, resin such as epoxy, but are not limited thereto.

고정체(451)는 광학식 센서(400)의 외부와 접촉되는, 제2 페룰(440)의 구멍의 일 단에 배치된다. The fixture 451 is disposed at one end of the hole of the second ferrule 440 that contacts the outside of the optical sensor 400 .

고정체(453)는 광학식 센서(400)의 내부 공동과 접촉되는, 제2 페룰(440)의 구멍의 타 단에 배치된다. 고정체(453)는 제1 페룰(430)에 대향한다. The fixture 453 is disposed at the other end of the hole of the second ferrule 440, which is in contact with the inner cavity of the optical sensor 400. The fixture 453 opposes the first ferrule 430 .

특정 실시예들에서, 상기 바디 케이스(420)의 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)(421)를 포함할 수도 있다. 상기 적어도 하나의 개구(421)는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 적어도 하나의 개구(421)는 내부 공동을 형성하는 측벽 부분에 형성된다. In certain embodiments, the sidewall of the body case 420 may include at least one aperture 421 . The at least one opening 421 is formed in a portion of the sidewall corresponding to the cavity. As shown in FIG. 4 , the at least one opening 421 is formed in a side wall portion forming an internal cavity.

상기 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스가 분포할 경우, 바디 케이스(420) 내부의 센싱 유닛(410)은 측벽 개구(421)를 통해 유입된 수소 가스에 노출된다. 그러면, 센싱 유닛(410)의 수소 반응층(413)의 부피가 변화한다. When hydrogen gas is distributed around the optical sensor 400 , the sensing unit 410 inside the body case 420 is exposed to the hydrogen gas introduced through the side wall opening 421 . Then, the volume of the hydrogen reaction layer 413 of the sensing unit 410 changes.

특정 실시예들에서, 상기 수소 반응층(413)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하여 상기 내부 공동에 노출된, 상기 지지체(411)의 일부 또는 전부에 형성될 수도 있다. 즉, 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동에 노출 부분에 형성될 수도 있다. In certain embodiments, the hydrogen reaction layer 413 may be formed on part or all of the support 411 exposed to the internal cavity through the hole of the second ferrule 440 . That is, the hydrogen reaction layer 413 may be formed in a portion exposed to the internal cavity of the support 411 .

다른 특정 실시예들에서, 상기 수소 반응층(413)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부에 삽입되어 관통하는 상기 지지체(411)의 일부 또는 전부에 추가로 형성될 수도 있다. 즉, 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동의 노출 부분 및 구멍의 삽입 부분에 걸쳐 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 아래의 도 8을 참조하여 보다 상세하게 서술한다. In other specific embodiments, the hydrogen reaction layer 413 may be additionally formed on part or all of the support 411 inserted into and penetrating the hole of the second ferrule 440 . That is, the hydrogen reaction layer 413 may be formed over the exposed portion of the internal cavity and the inserted portion of the hole in the support 411 . This will be described in more detail with reference to FIG. 8 below.

도 4의 구조를 갖는 광학식 센서(400)에 빛이 입사되면, 상기 센싱 유닛(10)의 표면과 상기 광섬유(200)에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 간섭파를 형성한다. 이 간섭파는 광섬유(200) 및 제1 페룰(430)에 형성된 제1 반사막과 센싱 유닛(410)의 표면(예컨대, 수소 반응층(413))에 형성된 제2 반사막 사이에서 빛이 반복적으로 반사되어 형성된다. When light is incident on the optical sensor 400 having the structure of FIG. 4 , interference waves are formed due to repeated light reflection between the surface of the sensing unit 10 and the point where the light is emitted from the optical fiber 200 . do. This interference wave is repeatedly reflected between the first reflective film formed on the optical fiber 200 and the first ferrule 430 and the second reflective film formed on the surface (eg, hydrogen reaction layer 413) of the sensing unit 410. is formed

제1 반사막과 제2 반사막 사이의 반복적인 빛의 반사 및 투과로 인해 주기적인 보강 간섭이 일어나 상기 두 반사막 사이에 복수의 정상파를 형성하게 되고, 결과적으로 스펙트럼 상에서 일정한 주기성을 갖는 최종 간섭파를 형성하게 된다. 두 반사막으로 이루어진 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 통해 형성된 간섭파는 상기 두 반사막 사이의 거리에 따라 임의의 파장을 가질 수 있다.Due to repeated reflection and transmission of light between the first and second reflective films, periodic constructive interference occurs, forming a plurality of standing waves between the two reflective films, and as a result, final interference waves having a constant periodicity on the spectrum are formed. will do An interference wave formed through an optical fiber Fabry-Perot interferometer composed of two reflective films may have an arbitrary wavelength depending on a distance between the two reflective films.

상기 간섭파는 감지 물질의 부피 변화에 따라 스펙트럼 주기성이 변화한다. 구체적으로, 상기 간섭파는, 내부 공동으로 유입된 수소 가스와 반응하여 발생한, 상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리(즉, 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 거리)가 변화한다. 그러면, 부피 변화에 따른 거리 변화로 인해, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화한다. The spectral periodicity of the interfering wave changes according to the volume change of the sensing material. Specifically, the interference wave is generated by reacting with hydrogen gas introduced into the inner cavity, and the distance between the surface and the point (ie, between the first reflective film and the second reflective film) according to the change in volume of the sensing material coated in the sensing unit. distance) changes. Then, the spectral periodicity of the interfering wave changes due to a change in distance due to a change in volume.

상기 광학식 센서(400)는 이러한 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 통해 수소를 감지하는데 사용될 수도 있다. The optical sensor 400 may be used to detect hydrogen through whether or not the spectral period of the interference wave changes.

외부에 수소 가스가 존재하지 않는 경우, 수소 반응층(413)의 감지 물질은 부피가 변화하지 않는다. 따라서, 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 공동의 거리(D)가 변화하지 않는다. When hydrogen gas does not exist outside, the volume of the sensing material of the hydrogen reaction layer 413 does not change. Therefore, the distance D of the cavity between the first reflective film and the second reflective film does not change.

한편, 수소 반응층(413)의 감지 물질이 외부의 수소 가스와 결합하여 팽창하면, 수소 반응층(413)의 부피가 변화한다. 예를 들어, 감지 물질이 수소 가스를 흡수하면, 반사막들 사이의 거리가 D에서 D'(=D+ΔD)로 감소하게 되고, 결국 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화할 수도 있다. Meanwhile, when the sensing material of the hydrogen reaction layer 413 is expanded by being combined with external hydrogen gas, the volume of the hydrogen reaction layer 413 changes. For example, when the sensing material absorbs hydrogen gas, the distance between the reflective films decreases from D to D'(=D+ΔD), and eventually the periodicity of the spectrum of the interference wave of the fiber optic Fabry-Perot interferometer changes. may be

간섭파의 스펙트럼의 주기성 변화는 간섭파의 스펙트럼의 피크의 위치 이동으로 표현될 수도 있다. The change in periodicity of the spectrum of the interference wave may be expressed as a shift in the position of the peak of the spectrum of the interference wave.

도 5a 내지 도5c는, 도 4의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 내지 도 5c의 그래프는 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스를 주입하여 얻어진다.5A to 5C are diagrams for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 4 . The graphs of FIGS. 5A to 5C are obtained by injecting hydrogen gas around the optical sensor 400 .

도 5a는 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 도시하고, 도 5b는 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다.FIG. 5A shows the intensity and wavelength of an interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. 4 , and FIG. 5B shows a resonance peak point in the spectrum of an interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. 4 . The shift interval of is shown according to the exposure time.

도 5a를 참조하면, 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스를 주입하는 경우, 수소 가스가 상기 광학식 센서(400)의 내부 공동으로 개구(421)를 통해 유입되어 센싱 유닛(410)과 반응하여 패브리-패럿 간섭계의 거리가 변화함으로써, 도 5a의 화살표와 같이 파장의 시프트(shift)가 발생한다. 도 5b를 참조하면, 상기 광학식 센서(400)가 수소 가스에 노출된 시간이 증가할수록 간섭파의 시프트의 정도는 점점 증가한다. Referring to FIG. 5A , when hydrogen gas is injected into the vicinity of the optical sensor 400, the hydrogen gas flows into the inner cavity of the optical sensor 400 through the opening 421 and reacts with the sensing unit 410. As the distance of the Fabry-Parott interferometer changes, a wavelength shift occurs as indicated by the arrow in FIG. 5A. Referring to FIG. 5B , as the time for which the optical sensor 400 is exposed to hydrogen gas increases, the degree of shift of the interference wave gradually increases.

한편, 수소 가스의 주입이 완료되어 측정 환경이 회복(refresh)되면, 시프트된 간섭파의 파장은 시프트 이전의 자리로 복귀한다. Meanwhile, when the injection of the hydrogen gas is completed and the measurement environment is refreshed, the shifted wavelength of the interference wave returns to the position before the shift.

도 5c는 수소 가스에 노출되는 시간 간격이 반복될 경우 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진피크가 시프트하는 것을 도시한다. 농도가 제어된 수소 가스의 노출이 완료된 다른 시간 간격 동안 다른 기체(예컨대, N2)가 주입될 수도 있다. 일 실험예에서, 상기 도 5c의 그래프는 질소에 의해 최대 4 % 농도(수소의 최소 폭발 가능 농도)로 희석된 수소 가스를 사용한 경우에 획득될 수도 있다.FIG. 5C shows that the resonance peak in the spectrum of the interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. 4 shifts when the time interval of exposure to hydrogen gas is repeated. Other gases (eg, N 2 ) may be injected during different time intervals when the concentration-controlled exposure of hydrogen gas is completed. In one experimental example, the graph of FIG. 5C may be obtained when hydrogen gas diluted with nitrogen to a maximum concentration of 4% (minimum explosive concentration of hydrogen) is used.

도 4의 광학식 센서(400)는 수십분 동안 반복적으로 수소 가스에 노출되어도 간섭파의 스펙트럼의 시프트가 발생한다. 따라서, 상기 광학식 센서(400)는 반복적인 수소 감지가 가능하다. Even when the optical sensor 400 of FIG. 4 is repeatedly exposed to hydrogen gas for several tens of minutes, the spectrum of the interference wave shifts. Therefore, the optical sensor 400 can repeatedly detect hydrogen.

이러한 광학식 센서(400)를 포함한 수소 가스 검출 시스템(1)은 상기 광 스펙트럼 분석기(500)를 이용하여 광학식 센서(400)로부터 출력된 간섭파를 획득한다. 획득된 간섭파는 파장이 변화되어 스펙트럼의 주기가 변화된 간섭파일 수도 있다. 광 스펙트럼 분석기(500)는 분석 결과에 따라 스펙트럼 주기가 변화한 경우, 상기 수소 가스의 존재 여부 및/또는 감지된 수소 가스의 농도를 출력할 수도 있다. The hydrogen gas detection system 1 including the optical sensor 400 obtains an interference wave output from the optical sensor 400 using the optical spectrum analyzer 500 . The obtained interference wave may be an interference wave in which the period of the spectrum is changed by changing the wavelength. The optical spectrum analyzer 500 may output the presence or absence of hydrogen gas and/or the detected concentration of hydrogen gas when the spectrum period changes according to the analysis result.

예를 들어, 상기 파장이 상기 수소 가스가 존재하지 않을 때와 비교하여 변화한 경우, 상기 수소 가스 검출 시스템(1)은 공기 중에 상기 수소 가스가 존재하는 것으로 결정할 수도 있다. For example, when the wavelength has changed compared to when the hydrogen gas is not present, the hydrogen gas detection system 1 may determine that the hydrogen gas is present in the air.

또한, 수소 가스 검출 시스템(1)은 파장 변화의 정도에 기초하여 수소 가스의 농도를 측정할 수도 있다. 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화하는 정도는 ΔD에 대응한다. 수소 가스의 농도별로 간섭파 스펙트럼의 피크의 파장이 상이하기 때문에, 수소 가스 감출 시스템1은 간섭파 스펙트럼의 피크의 파장의 검출 결과에 기초하여 수소 농도를 검출할 수도 있다. 예를 들어, 수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼에서 피크의 파장을 검출하고, 검출된 피크의 파장에 대응하는 수소 가스의 농도를 광학식 센서(400)에 의해 감지된 수소 가스의 농도로 결정할 수도 있다. Also, the hydrogen gas detection system 1 may measure the concentration of hydrogen gas based on the degree of wavelength change. The degree to which the periodicity of the spectrum of the interfering wave changes corresponds to ΔD. Since the wavelength of the peak of the interference spectrum is different for each concentration of hydrogen gas, the hydrogen gas detection system 1 may detect the hydrogen concentration based on the detection result of the wavelength of the peak of the interference spectrum. For example, the hydrogen gas detection system 1 detects the wavelength of a peak in the interference wave spectrum, and converts the concentration of hydrogen gas corresponding to the wavelength of the detected peak into the concentration of hydrogen gas detected by the optical sensor 400. may decide

이를 위해, 수소 가스 검출 시스템(1)은 (예컨대, 광 스펙트럼 분석기(500)에) 수소 농도별 피크의 파장의 관계를 미리 저장할 수도 있다. 예를 들어, 광 스펙트럼 분석기(500)에 수소 농도별 피크의 파장의 관계가 저장될 수도 있다. 예를 들어, 피크의 특정 파장의 값이 검출된 경우, 상기 시스템(1)은 상기 특정 파장의 값에 대응하는 농도의 값으로 현재의 수소 가스의 농도를 측정할 수도 있다. To this end, the hydrogen gas detection system 1 may store in advance the relationship between peak wavelengths for each hydrogen concentration (eg, in the optical spectrum analyzer 500). For example, the optical spectrum analyzer 500 may store a relationship between peak wavelengths for each hydrogen concentration. For example, when a value of a specific wavelength of a peak is detected, the system 1 may measure the current concentration of hydrogen gas with a value of concentration corresponding to the value of the specific wavelength.

수소 가스의 감지 이후 감지된 수소 가스가 제거되어 측정 환경이 회복(refresh)되면, 이동한 간섭파 스펙트럼은 이동 이전의 자리로 복귀한다. After detecting the hydrogen gas, when the detected hydrogen gas is removed and the measurement environment is refreshed, the moved interference wave spectrum returns to the position before the movement.

수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼의 변화가 이전 자리로의 복귀를 나타낼 경우, 수소 가스의 농도가 낮아지는 것으로 결정할 수도 있다. 또한, 수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼이 변화된 이후 이전 자리로 복귀한 경우, 수소 가스의 농도가 이전 상태로 복귀한 것으로 결정할 수도 있다. The hydrogen gas detection system 1 may determine that the concentration of hydrogen gas is lowered when the change in the interfering wave spectrum indicates a return to the previous position. In addition, the hydrogen gas detection system 1 may determine that the concentration of hydrogen gas has returned to the previous state when the interference wave spectrum has returned to the previous position after being changed.

수소 가스 검출 시스템(1)은, 수소 가스의 존재 여부, 수소 가스의 농도, 및/또는 수소 가스 농도의 변화 상태를 포함한, 수소 가스 분석 결과를 사용자에게 제공할 수도 있다. 예를 들어, 사용자는 유출된 수소 가스가 제거된 것을 알 수도 있다.The hydrogen gas detection system 1 may provide the user with hydrogen gas analysis results, including the presence or absence of hydrogen gas, the concentration of hydrogen gas, and/or the change state of the hydrogen gas concentration. For example, the user may know that the leaked hydrogen gas has been removed.

일 실시예에서, 상기 센싱 유닛(410)은: 반사층(415)을 더 포함할 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반사층(415)은 수소 반응층(413)에서 상기 광섬유(200)에 대향하는 표면 상에 코팅 등을 통해 형성된다. In one embodiment, the sensing unit 410 may further include a reflective layer 415 . As shown in FIG. 4 , the reflective layer 415 is formed on a surface of the hydrogen reactive layer 413 facing the optical fiber 200 through coating or the like.

상기 반사층(415)은 상기 감지 물질 보다 높은 반사율을 갖는 물질로 이루어진다. 상기 반사층(415)은, 예를 들어 금(Au)을 포함한 물질로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다. 이 경우, 반사층(415)의 표면이 도 3의 제2 반사막으로 기능한다. The reflective layer 415 is made of a material having higher reflectance than the sensing material. The reflective layer 415 may be made of, for example, a material including gold (Au), but is not limited thereto. In this case, the surface of the reflective layer 415 functions as a second reflective film in FIG. 3 .

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사층의 효과를 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating an effect of a reflective layer according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 광학식 센서(400)가 반사층(415)를 포함할 경우, 간섭파는 보다 높은 ER의 값을 가진다. 즉, 상기 반사층(415)으로 인해, 센서(400) 내 광 손실이 감소하고, 시스템1의 수소 감지 데이터의 신뢰성이 증가한다. Referring to FIG. 6 , when the optical sensor 400 includes the reflective layer 415, the interference wave has a higher ER value. That is, due to the reflective layer 415, light loss in the sensor 400 is reduced, and reliability of hydrogen sensing data of System 1 is increased.

특정 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 상기 제2 페룰(440)의 구멍은 센싱 유닛(410)의 너비, 즉 최외곽의 수소 반응층(413)을 포함한 부분의 너비 보다 큰 직경을 가진다. In certain embodiments, the second ferrule 440 may be configured such that a gap is formed between the inside of the hole of the second ferrule 440 and the sensing unit 410 penetrating the hole. The hole of the second ferrule 440 has a larger diameter than the width of the sensing unit 410, that is, the width of the portion including the outermost hydrogen reaction layer 413.

상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭은, 센싱 유닛(410)의 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413)이 주변 수소와 반응하여 부피가 팽창함으로써 센싱 유닛(410)의 단면 직경이 커지더라도 제2 페룰 (440)의 구멍 내경과 접촉하지 않는 간격을 가진다. The gap between the inside of the hole of the second ferrule 440 and the sensing unit 410 penetrating this hole is formed by the reaction of the palladium layer 413 coated on the support 411 of the sensing unit 410 with surrounding hydrogen, Even if the cross-sectional diameter of the sensing unit 410 increases due to the expansion of the second ferrule 440, it has a gap that does not come into contact with the inner diameter of the hole.

특정 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 직경 간의 차이는 1 um이상 9um 이하일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 직경 간의 차이는 3 um 이하일 수도 있다. In certain embodiments, a difference between the diameter of the hole of the second ferrule 440 and the diameter of the support 411 of the sensing unit 410 may be greater than or equal to 1 μm and less than or equal to 9 μm. In some embodiments, a difference between the diameter of the hole of the second ferrule 440 and the diameter of the support 411 of the sensing unit 410 may be 3 μm or less.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페룰의 구멍의 직경과 지지체의 직경에 따른 감지 및 복원 양상을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a detection and restoration aspect according to a diameter of a hole of a ferrule and a diameter of a support body according to an embodiment of the present invention.

도 7의 왼쪽의 그래프는 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경이 매칭하는 경우를 도시한다. 여기서, 직경의 매칭은, 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 직경이 거의 일치하는 것과 같이, 센싱 유닛(410)의 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413)이 주변 수소와 반응하여 부피가 팽창함으로써 센싱 유닛(410)의 단면 직경이 커질 경우, 제2 페룰(440)의 내경이 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413) 사이에 접촉을 야기하는 일치 정도를 의미한다. 예를 들어, 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 직경 간의 차이가 1 um 이하이면 직경이 매칭하는 것으로 취급될 수도 있다. The graph on the left side of FIG. 7 shows a case where the diameter of the hole of the second ferrule 440 and the diameter of the sensing unit match. Here, the diameter matching is the same as the diameter of the hole of the second ferrule 440 and the diameter of the sensing unit 410, the palladium layer 413 coated on the support 411 of the sensing unit 410 When the cross-sectional diameter of the sensing unit 410 increases by reacting with the surrounding hydrogen and expanding in volume, the inner diameter of the second ferrule 440 matches the contact between the palladium layer 413 coated on the support 411. means the degree For example, if the difference between the diameter of the hole of the second ferrule 440 and the diameter of the sensing unit 410 is 1 μm or less, the diameters may be regarded as matching.

제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경이 매칭될 경우, 팔라듐이 코팅된 센싱 유닛(410)과 제2 페룰(440)의 구멍 사이의 마찰 때문에, 수소 가스의 노출 이후 센서 구조가 원래대로 복원되지 않는다. When the diameter of the hole of the second ferrule 440 matches the diameter of the sensing unit, due to friction between the palladium-coated sensing unit 410 and the hole of the second ferrule 440, the sensor structure after exposure to hydrogen gas is not restored to its original state.

반면, 도 7의 오른쪽 그래프에 도시된 바와 같이, 상기 광학식 센서(400)는 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 센싱 유닛(410) 사이의 갭으로 인해, 팔라듐의 팽창/수축에 따른 센서(400)의 성능에 열화가 발생하지 않고, 결국 센서(400)의 안정성을 확보할 수 있다. On the other hand, as shown in the graph on the right of FIG. 7, the optical sensor 400 is a sensor according to the expansion/contraction of palladium due to the gap between the inside of the hole of the second ferrule 440 and the sensing unit 410. The performance of the sensor 400 does not deteriorate, and the stability of the sensor 400 can be ensured.

다른 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 공간과 상기 광학식 센서(400)의 내부 공동이 단일 공간을 이루도록 구성될 수도 있다. 이를 위해, 상기 상기 광학식 센서(400)는 제2 고정체(453)를 포함하지 않을 수도 있다. In other specific embodiments, the optical sensor 400 may be configured so that the inner space of the hole of the second ferrule 440 and the inner cavity of the optical sensor 400 form a single space. To this end, the optical sensor 400 may not include the second fixture 453.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다. 8 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.

도 8의 광학식 센서(400)의 구조는 도 4의 광학식 센서(400)의 구조와 유사하므로, 차이점을 위주로 서술한다. Since the structure of the optical sensor 400 of FIG. 8 is similar to that of the optical sensor 400 of FIG. 4, differences will be mainly described.

도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이, 상기 광학식 센서(400)에서 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동의 노출 부분 및 구멍의 삽입 부분의 일부 또는 전부에 걸쳐 형성될 수도 있다. 예를 들어, 수소 반응층(413)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 지지체(411)에서 제2 페룰(440)의 삽입 부분 전체, 그리고 내부 공동의 노출 부분 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 여기서, 삽입 부분은 구멍의 길이에 해당한다. Referring to FIG. 8, as described above, in the optical sensor 400, the hydrogen reaction layer 413 may be formed over a part or all of the exposed portion of the internal cavity and the inserted portion of the hole in the support 411. . For example, as shown in FIG. 8 , the hydrogen reaction layer 413 may be formed over the entire insertion portion of the second ferrule 440 and the entire exposed portion of the internal cavity in the support 411 . Here, the insertion part corresponds to the length of the hole.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 페룰(440)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 이러한 구조 하에서 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 공간과 내부 공동의 공간 사이가 차단되지 않으므로, 수소 반응층(413)이 수소에 노출 가능한 공간이 도 4 대비 확장된다. 이로 인해, 수소 가스에 노출되어 수소와 반응하는 수소 반응층(413)의 영역이 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 부분만큼 확장된다. 그 결과, 수소와의 반응에 따른 수소 반응층(413)의 부피 변화량이 증가한다. As shown in FIG. 8 , the second ferrule 440 may be configured such that a gap is formed between the inside of the hole of the second ferrule 440 and the sensing unit 410 passing through the hole. Under this structure, since the space inside the hole of the second ferrule 440 and the space of the inner cavity are not blocked, the space where the hydrogen reaction layer 413 can be exposed to hydrogen is expanded compared to FIG. 4 . As a result, the area of the hydrogen reaction layer 413 that is exposed to hydrogen gas and reacts with hydrogen is expanded by a portion inside the hole of the second ferrule 440 . As a result, the volume change amount of the hydrogen reaction layer 413 according to the reaction with hydrogen increases.

도 9a 및 도 9b는, 도 8의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 9A and 9B are diagrams for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 8 .

도 9a는 도 8의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 도시하고, 도 9b 도 도 8의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다. 도 5 및 도 9를 참조하면, 수소 가스에 노출되는 공간이 확장되어 반응 면적이 증가하는 도 8의 광학식 센서(400)가 도 4의 광학식 센서(400) 보다 더 높은 수소 민감도를 가진다. FIG. 9A shows the intensity and wavelength of the interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. 8, and FIG. 9B shows the resonance peak point in the spectrum of the interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. The shift interval of is shown according to the exposure time. Referring to FIGS. 5 and 9 , the optical sensor 400 of FIG. 8 in which a reaction area is increased by expanding a space exposed to hydrogen gas has higher hydrogen sensitivity than the optical sensor 400 of FIG. 4 .

또 다른 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440)에 걸쳐서 고정되도록 구성될 수도 있다. In yet other specific embodiments, the optical sensor 400 may be configured such that the sensing unit 410 is fixed across the first ferrule 430 and the second ferrule 440 .

도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다. 10 is a schematic structural diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.

도 10의 광학식 센서(400)의 구조는 도 4의 광학식 센서(400)의 구조와 유사하므로, 차이점을 위주로 서술한다. Since the structure of the optical sensor 400 of FIG. 10 is similar to that of the optical sensor 400 of FIG. 4, differences will be mainly described.

도 10을 참조하면, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440)에 걸쳐서 고정되도록, 상기 광학식 센서(400)에서 상기 제2 페룰(440)의 구멍을 관통한 센싱 유닛(410)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입될 수도 있다. 그러면, 상기 센싱 유닛(410)의 일 단은 내부 공동 대신에, 제1 페룰(430)의 구멍 내부에 배치된다. Referring to FIG. 10 , the optical sensor 400 passes through the hole of the second ferrule 440 so that the sensing unit 410 is fixed across the first ferrule 430 and the second ferrule 440 . The sensing unit 410 may be inserted into the hole of the first ferrule 430 . Then, one end of the sensing unit 410 is disposed inside the hole of the first ferrule 430 instead of the inner cavity.

또한, 상기 제1 페룰(430)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍 내부와 이 구멍에 삽입된 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 이를 위해, 상기 제1 페룰(430)의 구멍은 센싱 유닛(410)의 너비, 즉 최외곽의 수소 반응층(413)을 포함한 부분의 너비 보다 큰 직경을 가진다.In addition, the first ferrule 430 may be configured such that a gap is formed between the inside of the hole of the first ferrule 430 and the sensing unit 410 inserted into the hole. To this end, the hole of the first ferrule 430 has a larger diameter than the width of the sensing unit 410, that is, the width of the portion including the outermost hydrogen reaction layer 413.

일 실시예에서, 상기 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)의 구멍은 서로 대응할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이를 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되는 경우, 상기 제1 페룰(430)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍 내부와 이 구멍에 삽입된 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다.In one embodiment, the holes of the first ferrule 430 and the second ferrule 440 may correspond to each other. For example, when a gap is formed between the inside of the hole of the second ferrule 440 and the sensing unit 410 penetrating therethrough, the first ferrule 430 is formed between the inside of the hole of the first ferrule 430 and the second ferrule 430. A gap may be formed between the sensing units 410 inserted into the holes.

대안적인 실시예들에서, 도 10의 광학식 센서(400)는 고정체(451)를 포함하고, 고정체(453)를 포함하지 않도록 구성될 수도 있다. 즉, 도 8의 광학식 센서(400)의 센싱 유닛(410)의 일 단이 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입된 것으로 도 10의 광학식 센서(400)가 구현될 수도 있다. In alternative embodiments, the optical sensor 400 of FIG. 10 may be configured to include a stator 451 and not include a stator 453 . That is, the optical sensor 400 of FIG. 10 may be implemented by inserting one end of the sensing unit 410 of the optical sensor 400 of FIG. 8 into the hole of the first ferrule 430 .

이와 같이, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440) 모두에 걸쳐 고정되면, 상기 광학식 센서(400)는 보다 높은 데이터 신뢰성을 가진다. In this way, when the sensing unit 410 is fixed across both the first ferrule 430 and the second ferrule 440, the optical sensor 400 has higher data reliability.

또한, 상기 광학식 센서(400)는 유체에 용해된 수소를 감지할 수도 있다. Also, the optical sensor 400 may detect hydrogen dissolved in the fluid.

도 11은, 도 10의 광학식 센서를 유체 내에 위치 시켰을 때의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 11의 그래프는 디퓨저를 통해 질소에 4%로 희석된 수소 가스를 오일 속에 용해시킨 환경에서 도 10의 광학식 센서(400)를 사용하여 획득된다. FIG. 11 is a diagram for explaining changes when the optical sensor of FIG. 10 is placed in a fluid. The graph of FIG. 11 is obtained using the optical sensor 400 of FIG. 10 in an environment in which hydrogen gas diluted to 4% in nitrogen is dissolved in oil through a diffuser.

도 11을 참조하면, 도 10의 광학식 센서(400)를 전력 변압기에 사용되는 전기 절연유(즉, 유체) 중에서 사용한 결과의 FSR는 동일한 도 10의 광학식 센서(400)를 공기 중에서 사용한 결과의 FSR와 동일하다. 즉, 도 10의 광학식 센서(400)에서는 공기 중에 사용되는 경우와 동일하게 유체 내에서 사용되는 경우에도 패브리-패럿의 공진 특성이 유지된다. Referring to FIG. 11, the FSR of the result of using the optical sensor 400 of FIG. 10 in electrical insulating oil (ie, fluid) used in a power transformer is the FSR of the result of using the same optical sensor 400 of FIG. 10 in air. same. That is, in the optical sensor 400 of FIG. 10 , the Fabry-Parrot resonance characteristics are maintained even when used in a fluid as in the case of being used in air.

즉, 도 10의 광학식 센서(400)는 유체 또는 기체에 분포된 수소를 감지할 수 있다. That is, the optical sensor 400 of FIG. 10 may detect hydrogen distributed in a fluid or gas.

도 12a 도 12b는, 도 10의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 12A FIG. 12B is a diagram for explaining characteristics of the optical sensor of FIG. 10 .

도 12의 그래프는 전력 변압기에 사용되는 전기 절연유에 수소 가스를 주입하는 환경에서 획득된다. 도 12a는 도 10의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 수소의 주입과 주입 종료에 따라 각각 도시하고, 도 12b는 도 10의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다. The graph of FIG. 12 is obtained in an environment in which hydrogen gas is injected into electrical insulating oil used in a power transformer. 12a shows the intensity and wavelength of the interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. 10 according to the injection of hydrogen and the end of injection, respectively, and FIG. 12b shows the intensity and wavelength of the interference wave generated by the optical sensor 400 of FIG. The shift interval of the resonance peak point in the spectrum of the interference wave is shown according to the exposure time.

도 12a를 참조하면, 수소를 전기 절연유에 주입 시에 공진 파장이 왼쪽 그래프 상의 화살표와 같이 시프트한다. 그리고 수소 주입 중단 시, 오른쪽 그래프 상의 화살표와 같이 공진 파장이 원래 위치로 복원된다.Referring to FIG. 12A, when hydrogen is injected into electrical insulating oil, the resonant wavelength shifts as shown by the arrow on the left graph. And when hydrogen injection is stopped, the resonant wavelength is restored to the original position as indicated by the arrow on the right graph.

도 12b를 참조하면, 상기 광학식 센서(400)는 유체 조건 하에서도 패브리-패럿의 공진 특성이 유지된다. 이 패브리-패럿의 공진 특성은 수십분, 특히 10분 이상 안정적으로 유지된다. Referring to FIG. 12B , the optical sensor 400 maintains Fabry-Farat resonance characteristics even under fluid conditions. The resonance characteristics of this Fabry-Parrot are stably maintained for several tens of minutes, particularly for 10 minutes or more.

이와 같이, 상기 광학식 센서(400)는 공기 중의 수소뿐만이 아니라, 유체 속에 용해된 수소를 감지할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 주변의 기체 또는 액체 등과 같은, 주변 환경의 영향이 없이 수소 가스를 감지할 수도 있다. In this way, the optical sensor 400 may detect not only hydrogen in the air but also hydrogen dissolved in a fluid. The optical sensor may sense hydrogen gas without being affected by the surrounding environment, such as a surrounding gas or liquid.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

1: 수소 가스 검출 시스템
100: 광원
200: 광섬유
300: 서큘레이터
400: 광학식 센서
410: 센싱 유닛
411: 지지체
413: 수소 반응층
415: 반사층
420: 바디 케이스
421: 개구(aperture)
430, 440: 페룰
451, 453: 고정체
500: 광 스펙트럼 분석기
1: hydrogen gas detection system
100: light source
200: optical fiber
300: circulator
400: optical sensor
410: sensing unit
411: support
413: hydrogen reaction layer
415: reflective layer
420: body case
421: aperture
430, 440: ferrule
451, 453: fixture
500: optical spectrum analyzer

Claims (20)

광섬유를 통해 광원으로부터 빛을 입력 받아 수소를 감지하는 광학식 센서에 있어서,
수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛;
측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스;
상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및
상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함하고,
상기 광섬유에서 출력되어 상기 공동을 통해 진행한 빛에 대하여 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성하며,
상기 센싱 유닛은:
상기 제2 페룰의 구멍을 관통하고 상기 제1 페룰을 향해 연장된 지지체; 및 상기 지지체의 적어도 일부를 코팅하여 형성된 수소 반응층을 포함하여, 상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 공동에 노출된 상기 지지체의 제1 부분의 일부 또는 전부에 형성되고,
상기 제1 페룰에 대향하여 상기 센싱 유닛의 표면 상에 형성된, 상기 수소 반응층보다 더 높은 반사율을 갖는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
In an optical sensor for detecting hydrogen by receiving light from a light source through an optical fiber,
a sensing unit including a sensing material that expands or contracts in response to hydrogen gas;
a body case surrounding at least a portion of the sensing unit with a sidewall;
a first ferrule disposed at one end of the body case into which the optical fiber is inserted; and
A second ferrule disposed at the other end of the body case facing the first ferrule and forming a cavity between the first ferrule and the sensing unit passing through a hole of the second ferrule to detect the sensing unit. One end of the unit is disposed in a cavity between the first ferrule and the second ferrule,
Forming an interference wave according to a Fabry-Perot interferometer with respect to light output from the optical fiber and traveling through the cavity;
The sensing unit:
a support body passing through the hole of the second ferrule and extending toward the first ferrule; And a hydrogen reaction layer formed by coating at least a portion of the support, wherein the hydrogen reaction layer is formed on part or all of the first portion of the support exposed to the cavity through the hole of the second ferrule,
The optical sensor of claim 1, further comprising a reflective layer formed on a surface of the sensing unit facing the first ferrule and having a higher reflectance than the hydrogen reactive layer.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 개구는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
the sidewall includes at least one aperture;
The optical sensor according to claim 1 , wherein the at least one opening is formed in a portion of the sidewall corresponding to the cavity.
제3항에 있어서,
상기 간섭파는, 상기 센싱 유닛의 표면과 상기 광섬유에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 형성되며,
상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리가 변화함으로써 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 3,
The interference wave is formed due to repeated reflection of light between a surface of the sensing unit and a point where light is emitted from the optical fiber,
An optical sensor according to claim 1 , wherein the spectral periodicity of the interference wave is changed as a distance between the surface and a point changes according to a change in volume of the sensing material coated in the sensing unit.
제1항에 있어서,
상기 센싱 유닛을 고정하기 위해, 상기 제2 페룰의 구멍의 일 단에 형성된 제1 고정체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The optical sensor of claim 1, further comprising a first fixing body formed at one end of the hole of the second ferrule to fix the sensing unit.
제1항에 있어서,
상기 제2 페룰의 구멍 내부에서 상기 제2 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록 상기 제2 페룰의 구멍은 상기 센싱 유닛의 너비 보다 더 큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The hole of the second ferrule has a diameter larger than the width of the sensing unit so that a gap between the hole of the second ferrule and the sensing unit is formed inside the hole of the second ferrule Optical sensor, characterized in that .
제6항에 있어서,
상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍 내부에 삽입된 상기 센싱 유닛의 제2 부분의 일부 또는 전부 삽입 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 6,
The optical sensor according to claim 1 , wherein the hydrogen reaction layer is formed on a part or all of a part or all of the second part of the sensing unit inserted into the hole of the second ferrule.
제1항에 있어서,
상기 지지체는 광섬유인 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The optical sensor, characterized in that the support is an optical fiber.
제1항에 있어서,
상기 수소 반응층은 팔라듐을 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The hydrogen reaction layer is an optical sensor, characterized in that made of a material containing palladium.
제1항에 있어서,
상기 제2 페룰의 구멍에서 상기 제1 페룰에 대향하는 상기 구멍의 타 단에 배치되어 상기 센싱 유닛을 고정하는 제2 고정체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The optical sensor of claim 1, further comprising a second fixing body disposed at the other end of the hole opposite to the first ferrule in the hole of the second ferrule to fix the sensing unit.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 반사층은 Au을 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 1,
The reflective layer is an optical sensor, characterized in that made of a material containing Au.
제6항에 있어서,
상기 센싱 유닛이 제1 페룰 및 제2 페룰에 걸쳐서 고정되도록, 상기 제2 페룰의 구멍을 관통한 센싱 유닛은 상기 제1 페룰의 구멍에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 6,
The optical sensor according to claim 1 , wherein the sensing unit passing through the hole of the second ferrule is inserted into the hole of the first ferrule so that the sensing unit is fixed across the first ferrule and the second ferrule.
제13항에 있어서,
상기 제1 페룰의 구멍 내부에서 상기 제1 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록, 상기 제1 페룰의 구멍은 센싱 유닛의 너비 보다 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 13,
The optical sensor of claim 1 , wherein the hole of the first ferrule has a larger diameter than the width of the sensing unit so that a gap is formed between the hole of the first ferrule and the sensing unit inside the hole of the first ferrule.
제13항에 있어서,
상기 광학식 센서는 기체 또는 유체 중에 분포하는 수소를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
According to claim 13,
The optical sensor is an optical sensor, characterized in that for detecting hydrogen distributed in the gas or fluid.
제1항, 제3항 내지 제10항, 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 광학식 센서;
상기 광원을 포함한 광원부;
광 써큘레이터; 및
상기 광학식 센서에서 형성된 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화에 기초하여 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하는 광 스펙트럼 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
An optical sensor according to any one of claims 1, 3 to 10, and 12 to 15;
a light source unit including the light source;
optical circulator; and
and an optical spectrum analyzer for detecting the presence or absence of hydrogen gas or measuring the concentration of hydrogen gas based on a change in the spectral periodicity of the interference wave formed by the optical sensor.
제16항에 있어서,
상기 광원부는: 상기 광원의 빛을 수신하여 증폭하는 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
According to claim 16,
The light source unit: Hydrogen gas detection system, characterized in that further comprising an EDFA (Er-doped fiber amplifier) for receiving and amplifying the light of the light source.
제16항에 있어서,
상기 광원은 단일 파장 광원인 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
According to claim 16,
The light source is a hydrogen gas detection system, characterized in that the single wavelength light source.
제16항에 있어서,
상기 광 써큘레이터는 제 1, 제2, 및 제 3 포트를 가지고,
상기 광원부에서 출력된 빛을 상기 제2 포트에 연결된 상기 광학식 센서로 출력하고, 상기 광학식 센서에서 형성되어 상기 제2 포트로 입력되는 상기 간섭파를 상기 제3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
According to claim 16,
The optical circulator has first, second, and third ports,
Outputting the light output from the light source unit to the optical sensor connected to the second port, and outputting the interference wave formed by the optical sensor and input to the second port to the optical spectrum analyzer connected to the third port A hydrogen gas detection system, characterized in that.
제16항에 있어서,
상기 광원은 제1 시간 동안 빛을 방출하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하며,
상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 센싱 유닛의 표면에서 반사되어 상기 광 스펙트럼 분석기로 진행하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
According to claim 16,
the light source emits light for a first time and does not emit light for a second time;
The hydrogen gas detection system of claim 1 , wherein the second time period includes a time period in which light emitted during the first time period is reflected from a surface of the sensing unit and travels to the optical spectrum analyzer.
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