KR102508521B1 - 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 - Google Patents

광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 의존성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것으로, 보다 자세하게는 희토류이온을 함유한 광학소재의 광흡수 파장 또는 희토류이온의 종류에 따른 서로 다른 온도의존 광흡수특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것이다.

Description

광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서{TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD BASED ON THE OPTICAL TRANSIMISSION CHARACTERISTIC OF OPTICAL MATERIAL AND TEMPERATURE SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 온도 의존성을 갖는 광학소재의 광투과특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것으로, 보다 자세하게는 희토류이온을 함유한 광학소재의 광흡수 파장 또는 희토류이온의 종류에 따른 서로 다른 온도의존 광흡수특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것이다.
여러 가지 측정용 센서 중에서 온도센서는 전력시스템, 건축, 화학산업, 항공우주, 국방, 의료 분야에서 주요 시설 및 장치의 상태분석 및 안전모니터링에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
전력의존도가 높은 현대 산업사회의 특성상 중요 전력시스템에서 발생하는 사고는 수만 가구 이상의 대규모의 정전사태 및 중요 산업시설의 중단 등과 같은 막대한 경제적 피해를 발생시키고 사회적으로 큰 혼란을 초래할 수 있다.
전력시스템의 고장원인은 다양하지만 최종적으로는 과열에 의한 화재 또는 폭발로 귀결되는 경우가 대부분이다. 따라서 실시간 온도모니터링을 통하여 과열상태를 감시하므로써 사고를 사전에 예방할 수 있는 기술의 확보가 매우 중요하다.
고전압 변압기에 적용되는 기존의 온도측정 기술의 경우전기식 방식, 바이메탈 방식, 그리고 부르돈(bourdon) 방식을 이용하고 있다. 이러한 기술의 경우 센서나 하우징 소재로 금속을 사용하기 때문에 절연문제로 인하여 고전압이 인가되는 발열부(권선, 부싱, 절연유 등)의 온도를 직접 측정할 수 없다는 문제를 가지고 있다.
예를 들어, 고전압 변압기의 경우 권선부의 온도를 절연유나 부싱에서 측정된 온도값으로부터 시뮬레이션 등을 통하여 간접적으로 산출하는 방식을 사용하고 있으며 그에 따라 측정의 정확도나 속도가 떨어지는 문제를 가지고 있다.
전기식 또는 기계식 (바이메탈, 부르돈) 온도센서의 문제점을 해결하기 위하여 광학식 온도 측정기술을 적용할 수 있다. 광학식 온도센서 기술의 경우 센서용 핵심소재가 내절연 특성을 가진 광학소재로 구성되기 때문에 전기식, 기계식 온도센서와 달리 고온 발열부에 온도센서 프로브를 설치하여 직접적인 온도측정이 가능하다.
또한, 광학식 온도센서 기술의 경우 온도 측정 수단으로 빛을 이용하므로 전자기파 간섭 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라 광섬유 가이드 기술을 적용하여 원격측정이 용이하다는 장점도 가지고 있다.
전기식 또는 기계식 온도센서가 가지는 문제점을 갖지 않는 광학식 온도측정 방법에 있어서 광섬유 브래그 격자를 이용하는 방식, 페브리 페롯 소자를 이용하는 방식, GaAs와 같이 온도의존 광투과 특성을 갖는 단결정 소재를 이용하는 방식을 이용할 수 있다.
광섬유 브래그 격자 방식과 페브리 페롯 소자를 이용한 방식의 경우 온도 변화에 따른 소자신호를 분석하는데 있어서 고가의 비용이 소요되는 단점을 가지고 있다. 또한 광섬유 브래그 격자 및 페브리 페롯 소자는 온도 뿐만 아니라 진동에도 매우 민감하므로 온도와 진동이 동시에 발생하는 분야의 경우 부가적인 보상책을 적용해야하는 문제점을 가지고 있다.
그리고 GaAs, InP 와 같은 온도의존 광투과특성을 갖는 반도체 단결정 소재를 이용한 방식의 경우 광섬유 프로브 단에 단결정을 가공하여 정밀하게 부착하는 미세공정 기술이 필요하므로 높은 숙련도와 공정비용이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한 이와 같은 미세공정을 이용한 센서 프로브 제조 방식의 경우 에폭시 소재를 사용하여 고정하게 되는데 소재 선정 및 패키징 과정이 불완전할 경우 외부로부터 절연유, 수분, 먼지 등 불순물의 침투에 의하여 센서프로브의 내구성이 떨어지는 문제가 발생하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0082182호
본 발명은 종래 기술이 가지는 여러 가지 문제를 해결하는 기술적 방법을 제공하기 위한 것으로, 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과를 이용한 온도측정 방법은 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성을 이용한 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것이다.
상기 한 쌍의 광투과 신호는 Er3+ 이온의 4I15/2→4I13/2 천이에 의해서 형성되며 1485 nm의 단파장 대역 및 1560 nm의 장파장 대역의 광투과 신호인 것일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호는 Tm3+ 이온의 3H6→3F4 천이에 의해서 형성되며 1560 nm의 단파장 대역 및 1720 nm의 장파장 대역의 광투과 신호인 것일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호는 서로 다른 두 종류의 희토류 이온에 의하여 형성되는 동일파장에서의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것일 수 있다.
상기 두 종류의 희토류 이온은 Er3+ 이온 및 Tm3+ 이온의 조합 또는 Er3+ 이온 및 Tb3+ 이온의 조합일 수 있다.
상기 동일파장은 1560 nm일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비(R)는 한쌍의 광세기(I a , I b )로부터
Figure 112021136637913-pat00001
의 로그 함수로 계산되는 것일 수 있다.
상기 광세기비의 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)한 곡선을 이용하는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시스템은 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성 및 이로부터 얻어진 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것일 수 있다.
상기 온도센서 시스템은 희토류 이온을 함유한 광학소재가 일단에 구비된 온도센서 프로브; 및 상기 온도센서 프로브의 타단에 결합되는 광섬유 가이드를 포함하며, 광투과 특성을 측정하기 위하여 소정의 광특성을 가진 빛을 발생시키는 광원소자; 상기 광섬유 가이드를 통하여 상기 광학소재의 상기 희토류 이온을 여기시키는 광(light)을 제공하는 광원소자; 상기 광학소재에서 발생하는 형광섬유를 상기 광섬유 가이드를 통하여 측정하는 광검출기; 및 상기 광검출기를 통하여 수신된 광신호를 분석하는 신호분석 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 온도측정 기술은 내절연 특성을 가진 광학소재를 이용하여 온도를 측정하기 때문에 전기식, 기계식 온도센서와 달리 고온 발열부에 온도센서 프로브를 설치하여 직접적인 온도측정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 온도측정 기술의 경우 온도 측정 수단으로 및을 이용하므로 전자기파 간섭 문제가 발생하지 않는다. 그리고 광섬유 가이드 기술을 적용하여 원격측정이 용이하다는 장점도 가지고 있다.
또한, 본 발명에 따른 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성을 이용한 온도측정 기술은 자체 광세기 보상기능을 이용하므로, 광학식 측정에 사용되는 광원 출력의 변동 그리고 광가이드 등에서 발생하는 광손실의 변화에 영향을 받지 않는 광세기 보상 특성을 갖기 때문에 정확한 온도 산출이 가능하다. 따라서 이로부터 산출된 온도신호의 정확도 또한 떨어지지 않게 된다.
또한, 본 발명에 따른 온도측정 기술은 온도센서의 소형화 및 저가화가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 광학식 온도센서는 전력시스템, 건축, 화학산업, 항공우주, 국방, 의료 분야에서 주요 시설 및 장치의 상태분석 및 안전모니터링에 적용할 수 있다. 특히 발열부(hot spot)의 온도의 직접적인 온도측정이 필요한 변압기, 개폐기 등과 같은 고전압 전력시스템에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 Er3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따른 광투과스펙트럼 특성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서용 Er3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따른 1485 nm 및 1560 nm에서의 광투과 세기 변화를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온이 함유된 광섬유의 1485 nm(I 2 ) 및 1560 nm(I 1 ) 에서 측정된 광세기로부터 계산된 온도에 따른 광세기비 (
Figure 112021136637913-pat00002
) 변화를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서용 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따른 1400~1900 nm 파장범위의 광투과 스펙트럼의 변화를 도시한 것이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서용 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따른 1540~1580 nm 파장범위의 광투과 스펙트럼의 변화를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서용 Er3+ 및 Tm3+ 이온이 각각 함유된 서로 다른 광섬유의 온도에 따른 1560 nm에서의 광투과 세기 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 및 Tm3+ 이온이 각각 함유된 두 종류의 광섬유의 1560 nm에 측정된 광세기로부터 계산된 온도에 따른 광세기비(
Figure 112021136637913-pat00003
) 변화를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법이 적용된 온도센서 프로브 끝단 부위에서 광신호가 발생하는 과정(도 7의 (a)) 및 온도센서 프로브 구조(도 7의 (b))를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성를 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 시스템 구조를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성를 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 시스템 구조를 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 시스템을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법은 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도 의존 광투과 특성을 이용한 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용한다.
상기 광학소재는 광섬유일 수 있으며, 상기 희토류 이온은 Er3+ 이온, Tm3+ 이온 또는 Tb3+ 이온일 수 있다.
상기 Er3+ 이온은 에너지 준위 4I13/2와 4I15/2를 가지고 있으며, 이들 에너지준위는 밴드폭이 매우 넓어서 4I15/2→4I13/2 천이에 의하여 발생하는 광흡수 대역이 1470 내지 1570 nm에 이를 정도로 매우 넓은 특징을 가지고 있다.
상기 Tm3+ 이온은 에너지 준위 3F4 와 3H6를 가지고 있으며, 이들 에너지준위는 밴드폭이 매우 넓어서 3H6 → 3F4 천이에 의하여 발생하는 광흡수 대역이 1500 내지 1800 nm에 이를 정도로 매우 넓은 특징을 가지고 있다.
상기 Tb3+ 이온은 에너지 준위 7F6 와 7F1+7F2를 가지고 있으며, 이들 에너지준위는 밴드폭이 매우 넓어서 7F6 → 7F1+7F2 천이에 의하여 발생하는 광흡수 대역이 1550 내지 2000 nm에 이를 정도로 매우 넓은 특징을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법은 희토류 이온이 함유된 광학소재로부터 발생되는 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호는 특정의 희토류 이온이 함유된 광학소재로부터 발생되는 상이한 파장에서의 광투과 신호일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 한 쌍의 광투과 신호는 Er3+ 이온의 4I15/2 → 4I13/2 천이에 의해서 형성되는 1485 nm 단파장 대역의 광투과 신호 및 1560 nm의 장파장 대역의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것일 수 있다. 또는, 상기 한 쌍의 광투과 신호는 Tm3+ 이온의 3H6 → 3F4 천이에 의해서 형성되는 1560 nm 단파장 대역의 광투과 신호 및 1720 nm 장파장 대역의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호는 서로 상이한 두 종류의 희토류 이온에 대하여 동일한 파장에서 발생하는 광투과 신호일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 상이한 두 종류의 희토류 이온은 Er3+ 이온 및 Tm3+ 이온의 조합이거나, Er3+ 이온 및 Tb3+ 이온의 조합일 수 있다. 상기 동일한 파장은 1560 nm 대역의 파장일 수 있다.
일례로서, 상기 한 쌍의 광투과 신호는 Er3+ 이온의 1560 nm 대역에서 발생하는 광투과 신호와 Tm3+ 이온의 1560 nm 대역에서 발생하는 광투과 신호일 수 있다. 다른 일례로서, 상기 한 쌍의 광투과 신호는 Er3+ 이온의 1560 nm 대역에서 발생하는 광투과 신호와 Tb3+ 이온의 1560 nm 대역에서 발생하는 광투과 신호일 수 있다.
상기 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비(R)는 각각의 광투과 신호의 광세기(I a , I b )로부터 하기 식 (1)와 같은 로그 함수형태로 계산되는 일 수 있다.
[식 1]
Figure 112021136637913-pat00004
이때, 식 (1)의 k는 로그 함수의 밑을 나타내는 상수이고 I a 및 I b 는 특정 한 쌍의 광투과 신호에서의 각각의 광투과 신호의 광세기이다. k는 온도에 따른 광세기 비(R)의 변화 범위에 따라 상수 중에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게 k는 e 또는 1 내지 10 사이의 선택되는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2 또는 10 일 수 있다.
상기 광세기비의 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)한 곡선을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명은 희토류 이온이 가지고 있는 온도의존 광투과 특성을 이용하는 것으로, 보다 상세하게 기술하면 Er3+ 이온, Tm3+ 이온 및 Tb3+ 이온의 온도의존 광투과 특성을 이용하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온이 함유된 광섬유(광학소재)의 온도에 따른 광투과 스펙트럼의 변화를를 도시한 것이며, 광투과 스펙트럼 측정용 광원으로는 멀티밴드 광대역 광원을 사용하였다.
도 1에서 온도에 따른 광투과 스펙트럼의 변화를 보면, 온도가 증가할수록 1485 nm에서는 광투과도가 증가하는 반면 1560 nm에서의 광투과도는 감소한다. 이는 Er3+ 이온이 가지는 4I13/2 에너지준위에 분포하는 전자들의 에너지 분포가 포논에너지에 의하여 영향을 받기 때문이다. 온도가 증가할 경우 포논에너지가 증가하고 그에 따라 4I13/2 에너지준위에 분포하는 전자들의 에너지 또한 증가하기 때문에, 에너지 밴드의 단파장 영역에서는 광투과도가 증가하고 장파장 영역에서는 광투과도가 감소하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온이 함유된 광섬유(광학소재)의 온도에 따른 1485 nm 및 1560 nm에서의 광투과 세기 변화를 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 1485 nm에서는 온도에 따라 광투과 세기가 단조적으로 증가하는 반면 1560 nm에서는 광투과 세기가 단조적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 두 파장(1458 nm, 1560 nm)에서의 광투과 세기를 측정하고 이로부터 하기 식 (2)와 같이 주어지는 광세기 비(R)를 구할 수 있다.
[식 (2)]
Figure 112021136637913-pat00005
식 (2)에서, I 1 및 I 2 는 각각 희토류 이온에 의하여 형성된 광흡수 대역의 장파장의 광(투과)세기(I 1 ) 및 단파장에서의 광(투과)세기(I 2 )를 나타낸다. 위와 같이 두 개의 파장에서 측정되는 광세기는 온도에 따라 각각 영향을 받으며 이로부터 계산되는 광세기비는 단조적인 변화 특성을 갖는 온도의 함수로 주어진다. 따라서 온도센서로서 희토류 이온를 이용하여 측정한 광세기 비로부터 온도를 산출할 수 있다.
식 (2)의 k는 로그 함수의 밑을 나타내는 상수이고, k는 온도에 따른 광세기 비(R)의 변화 범위에 따라 상수 중에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게 k는 e 또는 1 내지 10 사이의 선택되는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2 또는 10 일 수 있다.
상기 광세기비의 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)한 곡선을 이용하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온이 함유된 광섬유의 1485 nm(I 2 ) 및 1560 nm(I 1 )에서 측정된 광세기로부터 계산된 온도에 따른 광세기비(
Figure 112021136637913-pat00006
) 변화를 밑(k)이 2인 로그함수로 도시한 것이다. 도 3에서 볼 수 있듯이 계산된 광세기비가 온도에 따라 단조적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 이와 같은 희토류 이온에 의하여 파장별로 상이한 온도의존 광투과 특성을 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 온도측정 방법의 이점은 자체적으로 광세기 보상기능을 갖는 것이다. 본 발명에 따르면 두 파장에서 측정된 광세기의 비로부터 온도를 산출하기 때문에, 광학식 측정에 사용되는 광원 출력의 변동 그리고 광가이드 등에서 발생하는 광손실의 변화에 영향을 받지 않는 광세기 보상 특성을 갖기 때문에 정확한 온도 산출이 가능하다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따라 광투과 스펙트럼의 변화를 도시한 것이다. 광투과 스펙트럼의 변화를 보면 온도가 증가할 때 1560 nm에서는 광투과도가 증가하는 반면에 이보다 장파장에 위치하는 1720 nm에서는 광투과도가 감소한다. 따라서 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유의 1560 및 1720 nm의 파장에서 측정된 광세기 비로부터 식 1을 이용하여 온도를 산출할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유의 온도에 따른 광투과 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다. 광투과 스펙트럼 측정용 광원으로는 ASE(amplified spontaneous emission) 광원을 사용하였다.
도 4b에서 온도에 따른 광투과 스펙트럼의 변화를 보면 Er3+ 이온의 경우와 달리 1560 nm에서 광세기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 Tm3+ 의 경우 1560 nm가 광흡수 대역의 단파장 대역에 위치하기 때문이다. Tm3+ 이온이 가지는 3F4 에너지준위에 분포하는 전자들의 에너지 분포가 포논에너지에 의하여 영향을 받는다. 온도가 증가할 경우 포논에너지가 증가하고 그에 따라 3F4 에너지준위에 분포하는 전자들의 에너지 또한 증가한다. 따라서 에너지 밴드의 단파장 영역에 위치하는 1560 nm 근처의 광세기가 증가하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 이와 같이 동일한 파장에서 상이한 희토류 이온의 서로 다른 온도의존 광투과 특성을 이용하는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온 및 Tm3+ 이온이 각각 함유된 서로 다른 광섬유(광학소재)의 온도에 따른 1560 nm에서의 광세기 변화를 도시한 것이다. 도 5에서 볼 수 있듯이 Er3+ 이온이 함유된 광섬유에서는 온도가 증가함에 따라 광투과 세기가 단조적으로 감소하는 반면 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유에서는 광투과 세기가 단조적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 서로 다른 온도특성을 가진 두 종류의 희토류 이온 첨가 광섬유의 광투과 세기를 측정하고 이로부터 하기 식(3)와 같이 주어지는 광세기 비(R)를 구할 수 있다.
[식(3)]
Figure 112021136637913-pat00007
식 (3)에서, k는 로그함수의 밑을 나타내는 상수이고 I 3 및 I 4 는 각각 서로 다른 각각의 희토류 이온에 의하여 형성된 광흡수 대역의 동일한 파장에서의 광(투과)세기를 의미하며, 서로 다른 각각의 희토류 이온 중 특정의 일 희토류 이온의 의하여 형성되는 광세기를 I 3 이라고 하면, 나머지 다른 희토류 이온의 의하여 형성되는 광세기를 I 4 라고 할 수 있다. k는 온도에 따른 광세기 비(R)의 변화 범위에 따라 상수 중에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게 k는 e 또는 1 내지 10 사이의 선택되는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2 또는 10 일 수 있다.
상술한 바와 같이, 각각의 희토류 이온에 의한 광세기는 서로 다른 온도의존 특성을 보여주며 이로부터 계산되는 광세기 비는 단조적인 변화 특성을 갖는 온도의 함수로 주어진다. 따라서 온도센서를 이용하여 측정한 광세기 비로부터 온도를 산출할 수 있다.
본 발명에 따라 온도의존 광투과 특성을 가진 광학소재 및 식 (1) 과 식 (2)을 이용한 광세기 비 그래프를 이용하여 온도산출을 산출속도 및 정확도를 높이기 위하여 추가적으로 피팅함수를 사용한다. 상기 광세기비의 그래프로부터 신속하고 정확한 온도산출을 위하여 지수함수, 로그함수, 다항함수를 이용한 피팅 곡선을 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Er3+ 이온 및 Tm3+ 이온이 각각 함유된 두 종류의 광섬유(광학소재)의 1560 nm에 측정된 광세기로부터 계산된 온도에 따른 광세기비(
Figure 112021136637913-pat00008
) 변화를 밑(k)이 2인 로그함수로 도시한 것이다. 여기서 I 4 는 Er3+ 이온이 함유된 광섬유에서 측정된 광세기이고 I 3 는 Tm3+ 이온이 함유된 광섬유에서 측정된 광세기이다. 도 6에서 볼 수 있듯이 계산된 광세기비가 온도에 따라 단조적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 이와 같은 동일 파장에서 희토류 이온에 의하여 상이한 온도의존 광투과 특성을 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+ 이온 및 Tb3+ 이온이 각각 함유된 서로 다른 광섬유의 온도에 따른 1560 nm 중심으로 하는 파장대역에서 서로 다른 온도의존 광투과 특성을 이용하는 것이다. 또한, 1560 nm 중심으로 하는 파장대역에서 Er3+ 및 Tb3+ 이온에 의한 광투과 특성은 서로 다른 온도의존 특성을 가지고 있다. 따라서 Er3+ 및 Tb3+ 이온이 각각 함유된 두 종류의 광섬유의 1560 nm 파장 대역에 측정된 광세기로부터 광세기비를 계산하고 이로부터 온도를 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 동일한 파장에서 희토류이온의 서로 다른 온도의존 광투과 특성을 이용하는 방식의 경우, 두 개의 서로 다른 파장에서 구동하기 위하여 두 개의 레이저를 사용하거나 광대역 광원의 파장 분리를 위한 광필터를 사용할 필요가 없다. 또한 광학소재에서 발생한 서로 다른 파장의 광신호를 광검출기에 전달하기 위하여 WDM 커플러와 같이 파장분할 기능을 갖는 광분기 소자를 사용할 필요가 없다. 따라서 온도센서 시스템의 구성이 간단해지고 비용을 낮출 수 있다는 장점일 가지고 있다.
온도측정 방법의 장점은 광원출력 및 광도파로 손실 변동에 의한 광신호 노이즈에 대한 자기보상 기능을 갖는 것이다. 본 발명에 따르면 두 파장에서 측정된 광세기의 비로부터 온도를 산출하기 때문에, 광학식 측정에 사용되는 광원 출력의 변동 그리고 광가이드 등에서 발생하는 광손실의 변화에 영향을 받지 않는 광세기 보상 특성을 갖기 때문에 정확한 온도 산출이 가능하다.
본 발명에 따라 식 (1) 내지 식 (3)과 같은 함수를 이용하여 온도를 산출하는 것이 바람직하다. 식 (1) 내지 식 (3)과 같이 광세기 비를 사용하는 것이 아니라 단순히 광세기 차를 이용할 경우 이러한 자기보상 기능이 상실되는 문제가 발생하게 된다. 또한 식 (1) 내지 식 (3)와 같이 로그함수(log10, loge, log2 와 같이 로그함수의 밑은 광학소재의 특성에 맞게 정한다.)를 이용한 광세기 비를 산출하는 방식이 아닌 경우 온도 구간에 따라 온도산출 민감도의 차이가 크기 때문에 구간별 온도산출에 있어서 편차가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 광투과 특성을 이용한 온도센서 시스템(10)은 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성 및 이로부터 얻어진 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 온도센서 시스템(10)은 희토류 이온을 함유한 광학소재가 일단에 구비된 온도센서 프로브(100); 및 온도센서 프로브(100)의 타단에 결합되는 광섬유 가이드(200)를 포함하며, 온도센서 시스템(10)은 광섬유 가이드(200)를 통하여 광학소재의 상기 희토류 이온을 여기시키는 광(light)을 제공하는 광원소자(300); 상기 광학소재에서 발생하는 광신호를 광섬유 가이드(200)를 통하여 측정하는 광검출기(400); 및 광검출기(400)를 통하여 수신된 광신호를 분석하는 신호분석 모듈(500)을 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성을 이용한 온도측정 방법이 적용된 온도센서 시스템(10)의 온도센서 프로브 구조(도 7의 (a)) 및 온도센서 프로브(100) 일단(끝단) 부위에서 광신호가 발생하는 과정(도 7의 (b))을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 온도센서 프로브(100)는 굴절률이 높은 코어(111) 및 클래드(112) 구조를 갖는 광가이드용 광섬유(광도파로)(110) 일단에 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)가 구비된다. 광원소자(300)에서 출력된 광(빛)(Input light)이 광섬유(110) 코어(111)를 통하여 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에 입사하여 통과하고 이어서 단면부에 설치된 미러소자(114)에서 반사된다. 반사된 광(Reflected signal)은 광학소재(113)를 다시 지나 광섬유(110) 코어(112)로 다시 커플링되며 광흡수된 광이 입사 방향과 반대 방향으로 진행하게 되어 최종적으로 온도산출을 위한 광검출기(400)까지 전달된다. 온도센서 프로브(100)는 광섬유(110)를 외부 압력이나 오염으로부터 보호하기 위하여 보호자켓(120)을 이용하여 보호할 수 있다. 광섬유와 보호자켓 사이는 접착물질(130)을 이용하여 고정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성를 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 시스템 구조(10)를 보여주고 있다.
광원소자(300)에서 출사된 빛이 제1 광분기소자(600)를 통하여 광가이드용 광도파로인 광섬유 가이드(200)를 지나 온도센서 프로브(100)로 전달되고 최종적으로 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에 입사된다. 광원소자(300)는 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에서 형성된 광신호를 측정할 수 있도록 소정의 특성을 갖는 레이저다이오드, LED소자 등을 사용할 수 있으며 광원드라이브(310)를 사용하여 구동한다. 광학소재(113)에서 형성된 광신호(Reflected signal)는 광섬유 가이드(200) 및 제1 광분기소자(600)를 통과하여 제2 광분기소자(700)에 전달된다. 제1 광분기소자(600)는 이러한 광신호를 제2 광분기소자(700) 측으로 효율적으로 전송하기 위하여 소정의 광분기비를 갖는 광섬유 커플러와 같은 광소자를 사용할 수 있다. 제2 광분기소자(700)는 광학소재(130)에서 형성된 광신호를 두 개의 광검출기로 나누어 전달하는 기능을 갖는 광분기소자로 구성되며 WDM 광커플러와 같이 파장분할 기능을 갖는 광분기소자를 사용할 수 있다. 제2 광분기소자와 광검출기 사이에는 광학필터(800)를 구비하여 정해진 파장 대역의 광신호만을 통과시킬 수 있다. 따라서 두 쌍의 광학필터(800) 및 광검출기(400)를 사용하여 두 개의 파장대역에서 광신호를 동시에 검출하므로써 신호처리기(900) 및 신호분석 모듈(500)을 이용하여 온도센서 프로브(100)에 인가된 온도를 산출한다.
도 8에 도시된 온도센서 시스템의 경우 도 2 및 도 3의 경우와 같이 한 종류의 희토류 이온이 첨가된 광섬유(광학소재)를 이용한 온도센서 프로브를 사용하는 경우에 있어 용이하게 적용할 수 있는 구조이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도의존 광투과 특성을 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 시스템(10)의 구조를 도시한 것이다.
광원소자(300)에서 출사된 소정의 좁은 파장대역을 가진 빛이 제1 광분기소자(600) 및 한 쌍의 제2 광분기소자(700)를 통과하여 광섬유 가이드(200)로 전달된다. 이어서 광섬유 가이드(200)를 지나 온도센서 프로브(100)로 전달되고 최종적으로 온도센서 프로브에 설치되어 있는 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에 입사된다. 광원소자(300)는 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에서 만들어진 광신호를 측정할 수 있도록 소정의 특성을 갖는 레이저다이오드, LED소자, 광대역 광원 등을 사용할 수 있으며 광원 드라이브(310)를 사용하여 구동한다. 필요한 경우 단일파장만을 통과시키기 위하여 광원소자 출력단 및 제 1광분기소자(600) 사이에 특정 밴드의 광(light)만 투과시키는 특성을 갖는 광필터를 구비할 수 있다. 서로 다른 광흡수 특성을 갖는 희토류 이온이 함유된 광학소재에서 형성된 한 쌍의 광신호는 각각의 온도센서 프로브용 광섬유 가이드(200) 및 제2 광분기소자(700)를 통과하여 각각의 광검출기(400)로 전달된다. 따라서 한 쌍의 광검출기(400)를 사용하여 두 개의 광신호를 동시에 검출함으로써 신호처리기(900) 및 신호분석 모듈(500)을 이용하여 온도센서 프로브(100)에 인가된 온도를 산출한다.
도 9에 주어진 온도센서 시스템의 경우 도 5 및 도 6에 경우와 같이 서로 다른 희토류 이온이 첨가된 한 쌍의 광섬유(광학소재)를 이용한 온도센서 프로브를 사용하는 경우에 있어서 용이하게 적용할 수 있는 구조이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (11)

  1. 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성을 이용한 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것이며,
    상기 한 쌍의 광투과 신호는 서로 다른 두 종류의 희토류 이온에 의하여 형성되는 동일파장에서의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것인,
    광투과를 이용한 온도측정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 두 종류의 희토류 이온은 Er3+ 이온 및 Tm3+ 이온의 조합 또는 Er3+ 이온 및 Tb3+ 이온의 조합인 것인,
    광투과를 이용한 온도측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 동일파장은 1560 nm인 것인,
    광투과를 이용한 온도측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비(R)는 한쌍의 광세기(I a , I b )로부터
    Figure 112021136637913-pat00009
    의 로그 함수로 계산되는 것이며,
    상기 k는 로그 함수의 밑을 나타내는 상수이고 I a 및 I b 는 특정 한 쌍의 광투과 신호에서의 각각의 광투과 신호의 광세기인 것인,
    광투과를 이용한 온도측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 로그 함수를 이용하는 광세기비 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)한 곡선을 이용하는 것인,
    광투과를 이용한 온도측정 방법.
  9. 희토류 이온이 함유된 광학소재의 온도의존 광투과 특성 및 이로부터 얻어진 한 쌍의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것이며,
    상기 한 쌍의 광투과 신호는 서로 다른 두 종류의 희토류 이온에 의하여 형성되는 동일파장에서의 광투과 신호의 광세기비를 이용하는 것인,
    온도센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    희토류 이온을 함유한 광학소재가 일단에 구비된 온도센서 프로브; 및
    상기 온도센서 프로브의 타단에 결합되는 광섬유 가이드를 포함하는 온도센서 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광섬유 가이드를 통하여 상기 광학소재의 상기 희토류 이온을 여기시키는 광(light)을 제공하는 광원소자;
    상기 광학소재에서 발생하는 형광섬유를 상기 광섬유 가이드를 통하여 측정하는 광검출기; 및
    상기 광검출기를 통하여 수신된 광신호를 분석하는 신호분석 모듈을 더 포함하는,
    온도센서 시스템.
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