KR102525096B1 - High sensitive Gas Sensor System - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고감도 가스 센서시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광원에서 발생된 적외선광이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하는 파장 스펙트럼을 갖도록 하여 검출 감도를 향상시키는, 고감도 가스 센서시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high-sensitivity gas sensor system, and more particularly, to a high-sensitivity gas sensor system in which infrared light generated from a light source has a wavelength spectrum corresponding to a specific absorption spectrum of a target gas to improve detection sensitivity.
환경 오염에 대한 관심이 지속적으로 이어짐에 따라, 환경 오염원을 포함하는 가스를 계측하기 위한 가스 센서기술이 활발하게 개발되고 있다. 특히 적외선 내지 중적외선 영역의 파장범위에서 작동하는 광원을 이용한 가스 센서기술은 타겟으로 하는 가스를 실시간 및 원격으로 탐지할 수 있고 정성 및 정량적인 측면에서 비교적 신뢰성이 높아 주목받고 있는 기술 중 하나이다.As interest in environmental pollution continues to continue, gas sensor technology for measuring gas containing environmental pollutants is being actively developed. In particular, gas sensor technology using a light source operating in the infrared to mid-infrared wavelength range is one of the technologies that is attracting attention because it can detect a target gas in real time and remotely and is relatively reliable in qualitative and quantitative terms.
특허문헌 1 및 2는 중적외선 영역의 파장값을 갖는 광원을 조사하여 가스에 의하여 흡수된 스펙트럼을 비교하여 가스를 검출하는 기술을 개시하고 있다. 이는 가장 보편적인 가스 센싱기술에 해당한다. 나아가, 특허문헌 3 및 4에 개시된 바와 같이 여러 개의 광원의 파장값을 서로 다르게 설정하여 한 번에 여러 개의 가스를 신속하게 검출하는 기술도 개발되고 있다. 최근에는 특허문헌 5 내지 8과 같이 가스 센싱기술에 액티브 이미징 기술이 적용되기도 하였다. 특허문헌 5 내지 8은 적외선 카메라 또는 중적외선 센서를 이용하여 특정 영역을 이미지화하고, 획득한 이미지를 기반으로 가스를 검출하는 기술을 개시하고 있다.
다만, 종래의 기술은 타겟으로 하는 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치되지 않는 파장 스펙트럼을 갖는 적외선광을 발생시키는 광원을 이용하고 있어, 검출 감도가 낮고, 정확성 및 신뢰성에 대한 이슈가 여전히 발생될 수 있는 문제가 있다.However, the conventional technology uses a light source that generates infrared light having a wavelength spectrum that does not exactly match the specific absorption spectrum of the target gas, so detection sensitivity is low and issues regarding accuracy and reliability may still occur. there is a problem with
본 발명은 광원에서 발생된 적외선광이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하는 파장 스펙트럼을 갖도록 하여 검출 감도를 향상시키는, 고감도 가스 센서시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a highly sensitive gas sensor system that improves detection sensitivity by allowing infrared light generated from a light source to have a wavelength spectrum corresponding to a specific absorption spectrum of a target gas.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 고감도 가스 센서시스템으로서, 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기; 상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기; 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버; 상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈; 및 상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈;을 포함하는, 고감도 가스 센서시스템을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention is a highly sensitive gas sensor system, comprising: a waveform generator for generating a waveform having periodicity; a power generator generating power having periodicity according to the output of the waveform generator; a light source generating infrared light having a variable wavelength by the power source; a measurement chamber into which the infrared light irradiated from the light source is introduced and a target gas to be measured is disposed therein; a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber; and a control module for determining the presence or absence of a specific gas in the gas to be measured based on the sensing result of the light receiving sensor module and the waveform having periodicity of the waveform generator.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 광원에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the wavelength of the infrared light generated from the light source may be changed while having periodicity by the power source having periodicity.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 고감도 가스 센서시스템은 복수의 광원을 포함하고, 각각의 상기 광원은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the high-sensitivity gas sensor system includes a plurality of light sources, and each of the light sources may emit infrared light having a different specific wavelength range for sensing the specific gas.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 광원은 상기 전원발생기에서 출력되는 주기성을 갖는 전원을 입력받아 적외선광을 발생시키는 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈;을 포함하고, 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the light source includes one or more DFB-QCL laser modules that generate infrared light by receiving power having periodicity output from the power generator, and in the one or more DFB-QCL laser modules The wavelength of the generated infrared light may be changed while having periodicity by the power supply having periodicity.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 광원은 상기 전원발생기에서 출력되는 주기성을 갖는 전원을 입력받아 적외선광을 발생시키는 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈;을 포함하고, 각각의 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the light source includes one or more DFB-QCL laser modules that generate infrared light by receiving power having periodicity output from the power generator, and each of the one or more DFB-QCL lasers The module may emit infrared light having different specific wavelength ranges for sensing the specific gas.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 고감도 가스 센서시스템은, 상기 광원과 상기 측정챔버 사이에 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버로 조사되기 위한 1 이상의 미러, 및 1 이상의 렌즈를 포함하는 광학모듈; 및 가시광선광을 발생시키는 가시광발생기;를 더 포함하고, 상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버로 인입될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the high-sensitivity gas sensor system includes at least one mirror and at least one lens for irradiating infrared light emitted from the light source to the measurement chamber between the light source and the measurement chamber. module; and a visible light generator generating visible light, wherein the visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source may be introduced into the measuring chamber through the optical module through the same path.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 측정챔버는, 상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광이 인입되는 광인입부; 및 상기 측정챔버를 지난 상기 광인입부로부터 인입된 상기 가시광선광 및 상기 적외선광이 배출되는 광배출부;를 포함하고, 상기 광학모듈에 의하여 상기 가시광선광과 상기 적외선광이 상기 광인입부를 통해 상기 측정챔버의 내부로 인입될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the measurement chamber may include: a light inlet unit into which the visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source are introduced; and a light output unit through which the visible light and the infrared light introduced from the light input unit passing through the measurement chamber are discharged, wherein the optical module transmits the visible light and the infrared light through the light input unit for the measurement. It can be drawn into the interior of the chamber.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제어모듈은 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 대하여 상기 수광센서모듈의 센싱결과를 스케일링한 후에, 상기 측정챔버 내부에 측정대상기체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광센서모듈을 통해 검출된 제1센싱결과와 상기 측정챔버 내부에 측정대상기체가 배치된 상태에서 상기 수광센서모듈을 통해 검출된 제2센싱결과 사이의 차이값을 산출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the control module scales the sensing result of the light receiving sensor module with respect to the waveform having periodicity of the waveform generator, and then receives the light in a state in which the measurement target gas is not disposed inside the measurement chamber. The concentration of the specific gas is calculated by calculating a difference between the first sensing result detected through the sensor module and the second sensing result detected through the light receiving sensor module in a state where the measurement target gas is disposed inside the measurement chamber. can do.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 특정 가스를 센싱하는 방법으로서, 상기 고감도 가스 센서시스템은 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기; 상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기; 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버; 상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈; 및 제어모듈;을 포함하고, 상기 제어모듈에 의하여, 상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 상기 특정 가스의 유무를 판단하는, 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 특정 가스를 센싱하는 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention is a method for sensing a specific gas using a high-sensitivity gas sensor system, wherein the high-sensitivity gas sensor system includes a waveform generator for generating a waveform having periodicity; a power generator generating power having periodicity according to the output of the waveform generator; a light source generating infrared light having a variable wavelength by the power source; a measurement chamber into which the infrared light irradiated from the light source is introduced and a target gas to be measured is disposed therein; a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber; and a control module, wherein the control module determines whether or not the specific gas is present in the gas to be measured, based on a sensing result of the light receiving sensor module and a waveform having periodicity of the waveform generator. A method of sensing a specific gas using a sensor system is provided.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 고감도 가스 센서시스템의 제조방법으로서, 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기를 배치하는 단계; 상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기를 배치하는 단계; 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원을 배치하는 단계; 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버를 배치하는 단계; 상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈을 배치하는 단계; 및 상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈을 배치하는 단계;를 포함하는, 고감도 가스 센서시스템의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a highly sensitive gas sensor system, comprising: arranging a waveform generator for generating a waveform having periodicity; arranging a power generator that generates power having periodicity according to an output of the waveform generator; arranging a light source that generates infrared light having a variable wavelength by the power source; arranging a measurement chamber into which infrared light irradiated from the light source is introduced and a gas to be measured is disposed therein; arranging a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber; And based on the sensing result of the light receiving sensor module and the waveform having periodicity of the waveform generator, arranging a control module for determining the presence or absence of a specific gas in the gas to be measured; manufacturing a highly sensitive gas sensor system including provides a way
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주기성을 갖는 전원에 의하여 전원이 인가되는 광원에서 발생되는 적외선광의 파장이 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 적외선광의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 일치될 수 있도록 하는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the wavelength of infrared light generated from a light source to which power is applied by a power source having periodicity changes while having periodicity, the wavelength spectrum of infrared light may match the specific absorption spectrum of the target gas. effect can be exerted.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하도록 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 검출 감도, 정확성, 및 신뢰성이 향상된 고감도 가스 센서시스템을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as the wavelength spectrum of a light source changes while having a periodicity to correspond to the specific absorption spectrum of a target gas, the effect of providing a highly sensitive gas sensor system with improved detection sensitivity, accuracy, and reliability can exert
본 발명의 일 실시예에 따르면, 중적외선광을 이용한 고감도 가스 센서시스템으로 특정 가스를 분석함으로써, 특정 가스를 장거리에서 정확하게 검출할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by analyzing a specific gas with a highly sensitive gas sensor system using mid-infrared light, an effect of accurately detecting a specific gas at a long distance can be exhibited.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원으로써 DFB-QCL이 사용됨에 따라, 광원으로부터 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 특정 가스의 고유흡수스펙트럼과 인접하도록 제어될 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the DFB-QCL is used as a light source, the wavelength spectrum of infrared light generated from the light source can be controlled to be adjacent to the specific absorption spectrum of a specific gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광선을 발생시키는 가시광발생기가 고감도 가스 센서시스템에 적용됨에 따라, 광학모듈을 통해 측정챔버로 인입되는 적외선광의 경로를 사전에 정렬하여 고감도 가스 센서시스템의 분석 정확성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the visible light generator for generating visible light is applied to the high-sensitivity gas sensor system, the path of the infrared light introduced into the measurement chamber through the optical module is aligned in advance to ensure the analysis accuracy of the high-sensitivity gas sensor system. can exert an effect that can improve.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어모듈에 의하여 상기 수광센서모듈의 센싱결과와 레퍼런스 값을 스케일링한 후에 특정 가스에 의하여 흡수된 그래프 영역을 적분함으로써, 고감도 가스 센서시스템의 정량분석값의 정확성을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, after scaling the sensing result of the light receiving sensor module and the reference value by the control module, the accuracy of the quantitative analysis value of the highly sensitive gas sensor system is increased by integrating the graph area absorbed by the specific gas. It can exert an effect that can be further improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원으로부터 발생된 적외선광의 경로를 개념적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광발생기로부터 발생된 가시광선광의 경로를 개념적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정챔버를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원으로부터 발생된 적외선광의 파장에 대한 사항을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 특정 가스의 농도를 산출하는 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 메탄 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 암모니아 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다.1 schematically shows a high-sensitivity gas sensor system according to an embodiment of the present invention.
2 conceptually illustrates a path of infrared light generated from a light source according to an embodiment of the present invention.
3 conceptually illustrates a path of visible light generated from a visible light generator according to an embodiment of the present invention.
4 schematically shows a measurement chamber according to an embodiment of the present invention.
5 schematically illustrates the wavelength of infrared light generated from a light source according to an embodiment of the present invention.
6 schematically illustrates an embodiment of calculating the concentration of a specific gas using a highly sensitive gas sensor system according to an embodiment of the present invention.
7 schematically illustrates the result of determining the presence or absence of methane gas using a highly sensitive gas sensor system according to an embodiment of the present invention.
8 schematically illustrates the result of determining the presence or absence of ammonia gas using a highly sensitive gas sensor system according to an embodiment of the present invention.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.In the following, various embodiments and/or aspects are disclosed with reference now to the drawings. In the following description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to facilitate a general understanding of one or more aspects. However, it will also be appreciated by those skilled in the art that such aspect(s) may be practiced without these specific details. The following description and accompanying drawings describe in detail certain illustrative aspects of one or more aspects. However, these aspects are exemplary and some of the various methods in principle of the various aspects may be used, and the described descriptions are intended to include all such aspects and their equivalents.
또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 디바이스들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.Moreover, various aspects and features will be presented by a system that may include a number of devices, components and/or modules, and the like. It should also be noted that various systems may include additional devices, components and/or modules, and/or may not include all of the devices, components, modules, etc. discussed in connection with the figures. It must be understood and recognized.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다. "Example", "example", "aspect", "exemplary", etc., used herein should not be construed as preferring or advantageous to any aspect or design being described over other aspects or designs. .
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the term “or” is intended to mean an inclusive “or” rather than an exclusive “or”. That is, unless otherwise specified or clear from the context, “X employs A or B” is intended to mean one of the natural inclusive substitutions. That is, X uses A; X uses B; Or, if X uses both A and B, "X uses either A or B" may apply to either of these cases. Also, the term "and/or" as used herein should be understood to refer to and include all possible combinations of one or more of the listed related items.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Also, the terms "comprises" and/or "comprising" mean that the feature and/or element is present, but excludes the presence or addition of one or more other features, elements and/or groups thereof. It should be understood that it does not.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.In addition, terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, in the embodiments of the present invention, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, are generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. has the same meaning as Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the embodiments of the present invention, an ideal or excessively formal meaning not be interpreted as
종래에는 적외선 영역의 파장 스펙트럼을 갖는 광원(300)을 이용하여 특정 가스의 존재유무를 탐지하거나 농도를 검출하였다. 다만, 이와 같은 방식은 상기 광원(300)의 파장 스펙트럼이 상기 특정 가스의 고유흡수스펙트럼에 일치되지 않은 상태에서 가스를 탐지하므로, 검출 감도가 낮고 신뢰성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.Conventionally, the presence or absence of a specific gas is detected or the concentration is detected using a
이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 특정 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 광원(300)을 이용하고, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 주기성을 가지면서 변화될 수 있도록 주기성을 갖는 전원을 인가하여, 상기 적외선광의 파장 스펙트럼이 상기 특정 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치하도록 하는 고감도 가스 센서시스템(1)을 구현하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선광은 2.5 내지 1000 um의 파장 범위를 포함할 수 있다.In order to solve this problem, the present invention uses a
이하에서는, 종래 대비 검출 감도가 향상된 상기 고감도 가스 센서시스템(1)에 대해서 자세하게 서술하기로 한다. Hereinafter, the high-sensitivity
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템(1)을 개략적으로 도시한다.1 schematically shows a high-sensitivity
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템(1)으로서, 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기(100); 상기 파형생성기(100)의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기(200); 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원(300); 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버(400); 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈(500); 및 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과 및 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈(600);을 포함할 수 있다.A high-sensitivity gas sensor system (1) according to an embodiment of the present invention, comprising: a waveform generator (100) for generating a waveform having periodicity; a
상기 파형생성기(100)는, 본 발명의 일 실시예에서, 주기성을 갖는 파형을 생성할 수 있다. The
상기 파형생성기(100)는 전자시험장비의 일종으로서, 전자 신호인 파형을 발생시키기 위한 장치에 해당할 수 있다. 상기 파형은 사인파, 방형파, 삼각파, 및 톱니파 중 하나의 파형을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 파형생성기(100)에 의하여 생성될 수 있는 상기 주기성을 갖는 파형은 사인파의 파형을 포함할 수 있다.The
상기 전원발생기(200)는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 파형생성기(100)의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성할 수 있다.The
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전원발생기(200)는 상기 파형생성기(100)의 일측에 배치되어 상기 파형생성기(100)와 연결될 수 있다. 상기 전원발생기(200)가 상기 파형생성기(100)에 연결된 상태에서 상기 파형생성기(100)가 상기 주기성을 갖는 파형을 생성하는 경우에, 상기 전원발생기(200)는 상기 파형생성기(100)에 의해 생성된 상기 주기성을 갖는 파형에 상응하는 전원을 생성할 수 있다. As shown in FIG. 1 , the
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전원발생기(200)에 의하여 생성되는 상기 주기성을 갖는 전원은 상기 파형생성기(100)의 출력에 따라 사인파의 파형을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 파형생성기(100)에 의하여 생성되는 상기 주기성을 갖는 파형은 사인파의 파형을 갖는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the power having periodicity generated by the
상기 광원(300)은, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광원(300)은 상기 전원발생기(200)의 일측에 배치되어 상기 전원발생기(200)와 연결될 수 있다. 상기 광원(300)이 상기 전원발생기(200)에 연결된 상태에서 상기 전원발생기(200)가 상기 주기성을 갖는 전원을 생성하는 경우에, 상기 광원(300)은 상기 전원발생기(200)에 의해 생성된 상기 주기성을 갖는 파형에 의하여 파장이 변화할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
보다 상세하게는, 상기 광원(300)과 상기 전원발생기(200)가 서로 연결된 상태에서 상기 전원발생기(200)가 상기 주기성을 갖는 전원을 생성하게 되면, 상기 광원(300)은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 온도가 변화할 수 있다. 상기 광원(300)으로부터 발생되는 적외선광은 변화되는 상기 광원(300)의 온도에 의하여 파장이 변화할 수 있다. 상기 적외선광의 파장이 변화한다는 것은 상기 적외선광의 파장 스펙트럼의 위치가 변화한다는 의미에 해당할 수 있다. More specifically, when the
바람직하게는, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있다. 또는, 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 상기 광원(300)의 온도가 변화함에 따라, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있다.Preferably, the wavelength of the infrared light generated from the
예를들어, 상기 전원발생기(200)가 사인파의 파형을 포함하는 주기성을 갖는 전원을 생성하는 경우 상기 광원(300)은 상기 사인파의 파형을 포함하는 주기성을 갖는 전원에 의하여 온도가 변화하여 파장 스펙트럼의 위치가 변화할 수 있는데, 상기 전원의 파형이 제1피크를 향해 상승하는 경우 상기 광원(300)의 온도가 상승하여 상기 광원(300)에 의하여 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼의 위치가 오른쪽으로 이동할 수 있고, 상기 전원의 파형이 제2피크를 향해 하강하는 경우 상기 광원(300)의 온도가 하강하여 상기 광원(300)에 의하여 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼의 위치가 왼쪽으로 이동할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 광원(300)의 온도가 1℃씩 변화하는 경우에 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장의 위치는 중심파장값을 기준으로 0.1 내지 1 nm 이동할 수 있고, 바람직하게는 0.5 nm 이동할 수 있다.For example, when the
또한, 전술한 바와 같이, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 특정 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 광원(300)을 이용할 수 있다.Also, as described above, the high-sensitivity
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 복수의 광원(300)을 포함하고, 각각의 상기 광원(300)은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사할 수 있다. 상기 복수의 광원(300)은 제1광원(310) 및 제2광원(320)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 특정 가스는 복수의 특정 가스이고, 상기 복수의 특정 가스의 수는 상기 복수의 광원(300)의 수에 상응하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 복수의 특정 가스 각각은 가스의 종류에 따라 고유흡수스펙트럼이 서로 상이하며, 상기 복수의 광원(300)은 상기 복수의 특정 가스 각각의 고유흡수스펙트럼에 상응하는 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 각각 조사할 수 있고, 상기 복수의 광원(300)은 상기 복수의 특정 가스 각각의 고유흡수스펙트럼에 따라 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사할 수 있다. 이때, 상기 복수의 광원(300) 각각은 상기 전원발생기(200)와 개별적으로 연결되는 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the high-sensitivity
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 광원(300)은 상기 전원발생기(200)에서 출력되는 주기성을 갖는 전원을 입력받아 적외선광을 발생시키는 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈;을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있고, 각각의 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사할 수 있다.In addition, the
상기 DFB-QCL레이저모듈은 분산피드백-양자폭포레이저(Distributed feedback- Quantum Cascade Laser; DFB-QCL)를 포함할 수 있다. 상기 DFB-QCL은 가스 분자의 흡수율이 가장 우수한 중적외선 파장 영역에서 작동하는 발광소자로서, 전자가 양자우물을 통과하며 광자를 배출함에 따라 중적외선광을 발생시킬 수 있으며, 레이저의 활성영역에 회절격자를 포함하는 회절요소가 배치되어 상기 광원(300)으로 전원이 인가되는 경우에 광을 선택적으로 방출시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 광원(300)으로써 DFB-QCL이 사용됨에 따라, 상기 광원(300)으로부터 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 특정 가스의 고유흡수스펙트럼과 인접하도록 제어될 수 있다.The DFB-QCL laser module may include a distributed feedback-quantum cascade laser (DFB-QCL). The DFB-QCL is a light emitting device that operates in the mid-infrared wavelength region with the best absorption of gas molecules, and can generate mid-infrared light as electrons pass through the quantum well and emit photons, and diffracts in the active region of the laser. A diffractive element including a grating is disposed to selectively emit light when power is applied to the
본 발명의 일 실시예에서, 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈은 메탄 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 제1DFB-QCL; 및 암모니아 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 제2DFB-QCL;을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1DFB-QCL은 메탄 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하는 파장 범위인 7.3 내지 8.3 um의 파장 범위를 갖고, 상기 제2DFB-QCL은 암모니아 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하는 파장 범위인 9.8 내지 10.8 um의 파장 범위를 갖을 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 제1DFB-QCL은 7.8 um의 파장 값을 포함하고, 상기 제2DFB-QCL은 10.3 um의 파장 값을 포함할 수 있다. 이와 같이, 중적외선광을 이용한 고감도 가스 센서시스템(1)으로 특정 가스를 분석함으로써, 특정 가스를 장거리에서 정확하게 검출할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the one or more DFB-QCL laser module is a first DFB-QCL for irradiating infrared light having a specific wavelength range for sensing methane gas; and a second DFB-QCL irradiating infrared light having a specific wavelength range for sensing ammonia gas. Preferably, the first DFB-QCL has a wavelength range of 7.3 to 8.3 um, which is a wavelength range corresponding to the intrinsic absorption spectrum of methane gas, and the second DFB-QCL is a wavelength range corresponding to the intrinsic absorption spectrum of ammonia gas It may have a wavelength range of 9.8 to 10.8 um. More preferably, the first DFB-QCL may include a wavelength value of 7.8 um, and the second DFB-QCL may include a wavelength value of 10.3 um. In this way, by analyzing a specific gas with the highly sensitive
상기 측정챔버(400)는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치될 수 있다.In the
상기 측정챔버(400)는 특정 가스를 포함하는 상기 측정대상기체를 내부에 수용하는 가스셀로서, 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 내부에서 다중으로 반사될 수 있도록 하는 장치에 해당할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정챔버(400)는 36m 헤리엇 가스 셀(36m herriott gas cell)을 포함할 수 있다.The
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 측정챔버(400)는 일측에 배치되어 상기 측정챔버(400)의 내부에 수용된 상기 측정대상기체의 압력을 제어하는 압력제어모듈(410);을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 압력제어모듈(410)은 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 1, the
또한, 상기 측정챔버(400)는 상기 특정 가스 및 불활성 기체를 혼합하여 상기 측정대상기체를 제조하고, 상기 측정대상기체를 상기 측정챔버(400)의 내부로 공급하는 가스공급모듈(420);을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 가스공급모듈(420)은 가스 믹서를 포함할 수 있고, 상기 불활성 기체는 질소 가스를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 가스공급모듈(420)은 상기 불활성 기체로서 질소 가스를 포함하고 상기 특정 가스로서 메탄가스 또는 암모니아가스를 포함하는 측정대상기체를 제조하고, 상기 측정대상기체를 상기 측정챔버(400)의 내부로 공급할 수 있다.In addition, the
상기 수광센서모듈(500)은, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광을 수광할 수 있다. The light
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광센서모듈(500)은 적외선 검출기를 포함할 수 있고, 바람직하게는 광전류 검출기(Mercury cadmium telluride detector; MCT detector)를 포함할 수 있다. 이로 인하여 상기 수광센서모듈(500)은 상기 측정챔버(400)로부터 상기 적외선광을 수광하여 상기 적외선광의 신호를 검출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the light receiving
또한, 상기 수광센서모듈(500)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 일측에 앰프모듈(510)이 배치되어 상기 앰프모듈(510)과 연결될 수 있다. 상기 앰프모듈(510)은 특정 신호를 감지하여 검출하거나 증폭시키는 장치에 해당할 수 있고, 상기 측정챔버(400)로부터 상기 수광센서모듈(500)로 수광된 상기 적외선광의 신호를 감지하여 필요에 따라 상기 적외선광의 신호를 증폭시킬 수 있다. 이 경우, 상기 수광센서모듈(500)은 상기 앰프모듈(510)을 통해 상기 측정챔버(400)로부터 수광된 상기 적외선광을 감지하거나 감지 및 증폭하여 제어모듈(600)로 전달할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 1 , the light receiving
상기 제어모듈(600)은, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과 및 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단할 수 있다.The
상기 제어모듈(600)이 상기 앰프모듈(510)과 연결되고 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하지 않는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에 수광되는 경우에 상기 제어모듈(600)은 레퍼런스 그래프를 생성할 수 있다. 상기 레퍼런스 그래프는 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하는 파형의 형태가 변형 없이 유지되는 그래프에 해당한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 레퍼런스 그래프는 사인파의 형상을 갖는 그래프일 수 있다.In a state in which the
또한, 상기 제어모듈(600)이 상기 앰프모듈(510)과 연결되고 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에 수광되는 경우에 상기 제어모듈(600)은 특정가스 그래프를 생성할 수 있다. 상기 특정가스 그래프는 상기 측정챔버(400)의 내부에 배치된 측정대상기체에 포함된 특정가스에 의하여 일부 흡수가 발생되어 파형의 형태가 일부 변형된 그래프에 해당한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 특정가스 그래프는 사인파의 일부에서 피크가 발생된 그래프일 수 있다.In addition, in a state where the
즉, 상기 측정챔버(400) 내부에서의 측정대상기체의 존재 유무에 따라 상기 수광센서모듈(500)을 통해 상기 레퍼런스 그래프와 상기 특정가스 그래프가 각각 검출될 수 있다. 상기 제어모듈(600)은 상기 레퍼런스 그래프와 상기 특정가스 그래프를 비교하여, 상기 측정챔버(400) 내부에 수용된 상기 측정대상기체에 측정하고자 하는 특정 가스가 존재하는 지를 판단할 수 있다. 부가적으로, 상기 제어모듈(600)은 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있으며, 이에 대한 내용은 후술하는 도면을 통해 상세하게 서술하기로 한다.That is, the reference graph and the specific gas graph may be respectively detected through the light receiving
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은, 상기 광원(300)과 상기 측정챔버(400) 사이에 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버(400)로 조사되기 위한 1 이상의 미러, 및 1 이상의 렌즈를 포함하는 광학모듈(800); 및 가시광선광(710)을 발생시키는 가시광발생기(700);를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the high-sensitivity
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광학모듈(800)은 상기 광원(300)과 상기 측정챔버(400) 사이에 배치될 수 있고, 상기 광원(300)에서 발생된 적외선광을 상기 측정챔버(400)로 조사하기 위하여 상기 적외선광의 경로를 가변시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 광학모듈(800)은 상기 광원(300)에서 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)로 조사되고 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광이 상기 수광센서모듈(500)로 조사될 수 있도록, 상기 적외선광의 경로를 조절할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광학모듈(800)은 6개의 미러 및 2개의 렌즈를 포함할 수 있으나, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)의 규모, 및 상기 고감도 가스 센서시스템(1)에 배치된 상기 광원(300)의 수 등을 포함하는 요인에 따라 상기 1 이상의 미러와 상기 1 이상의 렌즈를 이용하여 조합할 수 있는 복수의 조합으로 구성될 수 있다. 이와 같은 상기 광학모듈(800)에 의하여, 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버(400)로 인입될 수 있고, 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광이 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
상기 가시광발생기(700)는, 본 발명의 일 실시예에서, 가시광선광(710)을 발생시킬 수 있다. The
상기 광원(300)에서 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)로 조사되고, 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광이 상기 수광센서모듈(500)로 조사되기 위해서는 상기 적외선광의 경로를 정확하게 조절하여 정렬하는 것이 중요하다. 다만, 상기 적외선광은 사람의 눈에 의하여 볼 수 있는 가시광선 파장 영역에 포함되지 않는 파장 스펙트럼을 포함하고 있어, 작업자가 상기 적외선광의 경로를 정렬하는 데에 곤란할 수 있다. 그럼에도 작업자는 상기 광원(300)을 이용하여 상기 고감도 가스 센서시스템(1)을 작동시키기 전에, 상기 광원(300)에 의하여 발생되는 상기 적외선광의 경로를 사전에 정렬하는 것이 바람직하다. In order for the infrared light generated from the
본 발명에서는 가시광발생기(700)를 이용하여 가시광선광(710)을 발생시켜 상기 적외선광이 지날 경로에 상응하는 경로를 지나도록 상기 광학모듈(800)을 정렬하여, 상기 적외선광의 경로를 사전에 정렬할 수 있도록 하였다. 상기 가시광발생기(700)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광원(300)에 인접한 위치에 배치될 수 있다. 상기 가시광발생기(700)는, 상기 광학모듈(800)에 의하여, 상기 가시광발생기(700)에서 발생되는 가시광선광(710)을 상기 측정챔버(400)로 인입시킬 수 있고, 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 가시광선광(710)이 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다.In the present invention,
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가시광발생기(700)에서 발생하는 가시광선광(710)과 상기 광원(300)에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈(800)을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버(400)로 인입될 수 있다. 이와 같이, 가시광선을 발생시키는 상기 가시광발생기(700)가 상기 고감도 가스 센서시스템(1)에 적용됨에 따라, 상기 광학모듈(800)의 위치를 보다 정확하게 교정할 수 있고, 상기 광원(300)에서 발생하는 적외선광의 경로를 사전에 정렬하여 상기 고감도 가스 센서시스템(1)의 분석 정확성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.Preferably, the
한편, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 광원(300)의 온도를 측정하고, 상기 광원(300)의 온도가 기설정된 온도 범위 이상인 경우에 상기 광원(300)을 냉각시키는 냉각장치(900);를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the high-sensitivity
전술한 바와 같이, 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 상기 광원(300)의 온도가 변화함에 따라, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장이 주기성을 가지면서 변화할 수 있다.As described above, as the temperature of the
상기 주기성을 갖는 전원이 상기 광원(300)으로 기설정된 시간 이상으로 인가되는 경우에는 상기 광원(300)의 온도가 기설정된 온도 범위 이상으로 상승될 수 있다. 상기 광원(300)의 온도가 기설정된 온도 범위 이상으로 상승되게 되면, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광이 비교적 불안정하게 되어 상기 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용한 가스 탐지에 대한 재현성이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 냉각장치(900)를 상기 광원(300)과 연결시킴으로써, 상기 냉각장치(900)를 이용하여 상기 광원(300)의 온도를 측정하고 상기 광원(300)의 온도가 기설정된 온도 범위 이상으로 측정되는 경우에는 상기 광원(300)을 냉각시켜 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장 안정성을 확보할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 냉각장치(900)는 TEC컨트롤러(Thermo Electric Cooler Controller)를 포함할 수 있다.When the power having the periodicity is applied to the
즉, 이와 같은 구조에 의하여, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 특정 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 광원(300)을 이용하고, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 주기성을 가지면서 변화될 수 있도록 상기 광원(300)에 주기성을 갖는 전원을 인가함으로써, 상기 광원(300)에서 발생된 상기 적외선광의 파장 스펙트럼이 상기 특정 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치하도록 구현될 수 있다.That is, by such a structure, the high-sensitivity
이와 같이, 상기 광원(300)의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하도록 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 검출 감도, 정확성, 및 신뢰성이 향상된 고감도 가스 센서시스템(1)을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In this way, as the wavelength spectrum of the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원(300)으로부터 발생된 적외선광의 경로를 개념적으로 도시한다.2 conceptually illustrates a path of infrared light generated from a
전술한 바와 같이, 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광은 상기 광원(300)과 상기 측정챔버(400) 사이에 배치된 상기 광학모듈(800)을 통해 상기 측정챔버(400)로 조사되고, 상기 측정챔버(400)를 지난 후에 상기 수광센서모듈(500)로 조사될 수 있다.As described above, the infrared light emitted from the
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 복수의 광원(300)을 포함하는 실시예에 해당한다.The highly sensitive
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 광원(300) 중에서, 제1광원(310)에서 제1적외선광(311)이 발생되는 경우에, 상기 제1적외선광(311)은 제1미러(810)로 조사되고, 상기 제1미러(810)에 의하여 90도 회전하여 상기 제1미러(810)의 하측에 배치된 제2미러(820)로 조사되고, 상기 제2미러(820)에 의하여 90도 회전하여 상기 제2미러(820)의 일측에 연속적으로 배치된 제3미러(830) 및 제4미러(840)로 조사되고, 상기 제4미러(840)에 의하여 90도 회전하여 상기 제4미러(840)의 상측에 배치된 제5미러(860)로 조사되고, 상기 제4미러(840)와 상기 제5미러(860)의 사이에 배치된 제1렌즈(850)에 의하여 집광된 상태에서 상기 제5미러(860)에 의하여 90도 회전하여 상기 제5미러(860)의 일측에 배치된 상기 측정챔버(400)로 인입되고, 상기 측정챔버(400)를 지난 후에 상기 측정챔버(400)와 상기 수광센서모듈(500)의 사이에 배치된 제2렌즈(870)에 의하여 집광된 상태에서 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다.As shown in FIG. 2 , when the first
이와 동시에, 상기 복수의 광원(300) 중에서, 제2광원(320)에서 제2적외선광(321)이 발생되는 경우에, 상기 제2적외선광(321)은 제2미러(820)로 조사되어 상기 제1적외선광(311)의 경로에 상응하는 경로를 지나 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다. 이때, 상기 제2미러(820)는 상기 제1적외선광(311) 및 상기 제2적외선광(321)을 결합시키는 레이저 컴바이너(Laser combiner)의 역할을 할 수 있다.At the same time, when the second
즉, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)이 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 광원(300)을 배치하는 경우에는, 상기 복수의 광원(300) 각각이 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 복수의 적외선광을 발생시킬 수 있어 한 번에 여러 종류의 가스를 검출할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 하나의 광원(300)을 이용하여 하나의 특정 가스를 검출할 수도 있으며, 사용목적에 따라 상기 광원(300)의 개수 및 상기 광학모듈(800)에 포함되는 상기 미러 및 상기 렌즈의 개수가 가변적으로 설계될 수 있다.That is, when the high-sensitivity
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광발생기(700)로부터 발생된 가시광선광(710)의 경로를 개념적으로 도시한다.3 conceptually illustrates a path of
전술한 바와 같이, 상기 가시광발생기(700)에서 발생하는 가시광선광(710)과 상기 광원(300)에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈(800)을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버(400)로 인입될 수 있다.As described above, the
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가시광발생기(700)에서 가시광선광(710)이 발생되는 경우에, 상기 가시광선광(710)은 제6미러(880)로 조사되고, 상기 제6미러(880)에 의하여 90도 회전하여 상기 제6미러(880)의 하측에 배치된 상기 제3미러(830)로 조사되고, 상기 제3미러(830)의 일측에 배치된 상기 제4미러(840)로 조사되고, 상기 제4미러(840)에 의하여 90도 회전하여 상기 제4미러(840)의 상측에 배치된 제5미러(860)로 조사되고, 상기 제4미러(840)와 상기 제5미러(860)의 사이에 배치된 제1렌즈(850)에 의하여 집광된 상태에서 상기 제5미러(860)에 의하여 90도 회전하여 상기 제5미러(860)의 일측에 배치된 상기 측정챔버(400)로 인입되고, 상기 측정챔버(400)를 지난 후에 상기 측정챔버(400)와 상기 수광센서모듈(500)의 사이에 배치된 제2렌즈(870)에 의하여 집광된 상태에서 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다. 즉, 상기 가시광선광(710)은 상기 광학모듈(800)을 통하여 상기 광원(300)에 의하여 발생되는 적외선광과 동일한 경로로 상기 측정챔버(400)로 인입되어 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다.As shown in FIG. 3 , when visible
본 발명의 일 실시예에서, 상기 가시광발생기(700)와 상기 광원(300)이 동시에 작동할 수 있고, 상기 가시광발생기(700)에서 발생되는 가시광선광(710)과 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광이 동시에 상기 측정챔버(400)로 인입될 수 있다. 이때, 상기 제4미러(840)는 상기 가시광선광(710), 상기 제1적외선광(311), 및 상기 제2적외선광(321) 중 1 이상을 결합시키는 레이저 컴바이너(Laser combiner)의 역할을 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
즉, 가시광선을 발생시키는 가시광발생기(700)가 고감도 가스 센서시스템(1)에 적용됨에 따라, 상기 광학모듈(800)을 통해 상기 측정챔버(400)로 인입되는 적외선광의 경로를 사전에 정렬하여 고감도 가스 센서시스템(1)의 분석 정확성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.That is, as the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정챔버(400)를 개략적으로 도시한다.4 schematically shows a
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 측정챔버(400)는, 상기 가시광발생기(700)에서 발생하는 가시광선광(710)과 상기 광원(300)에서 발생하는 적외선광이 인입되는 광인입부(401); 및 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 광인입부(401)로부터 인입된 상기 가시광선광(710) 및 상기 적외선광이 배출되는 광배출부(402);를 포함하고, 상기 광학모듈(800)에 의하여 상기 가시광선광(710)과 상기 적외선광이 상기 광인입부(401)를 통해 상기 측정챔버(400)의 내부로 인입될 수 있다.The measuring
전술한 바와 같이, 상기 가시광발생기(700)에서 발생하는 가시광선광(710)과 상기 광원(300)에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈(800)을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버(400)로 인입될 수 있다.As described above, the
즉, 상기 적외선광 및 상기 가시광선광(710)은 상기 광학모듈(800)을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버(400)에 구비된 상기 광인입부(401)를 통해 상기 측정챔버(400)의 내부로 인입될 수 있고, 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광 및 상기 가시광선광(710)은 상기 측정챔버(400)에 구비된 상기 광배출부(402)를 통해 상기 측정챔버(400)의 외부로 배출되어 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정챔버(400)의 외부로 배출된 상기 적외선광 및 상기 가시광선광(710)은 상기 광학모듈(800)을 지나 상기 수광센서모듈(500)로 수광될 수 있다.That is, the infrared light and the
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 측정챔버(400)는 일측에 배치된 제1포트(403); 및 상기 제1포트(403)와 인접하게 배치된 제2포트(404);를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1포트(403)는 상기 측정챔버(400)가 상기 압력제어모듈(410)와 서로 연결될 수 있는 포트에 해당하고, 상기 제2포트(404)는 상기 측정챔버(400)가 상기 가스공급모듈(420)과 서로 연결될 수 있는 포트에 해당할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원(300)으로부터 발생된 적외선광의 파장에 대한 사항을 개략적으로 도시한다.5 schematically illustrates the wavelength of infrared light generated from the
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 특정 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 광원(300)을 이용하고, 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 주기성을 가지면서 변화될 수 있도록 상기 광원(300)에 주기성을 갖는 전원을 인가하여, 상기 광원(300)에서 발생되는 상기 적외선광의 파장 스펙트럼이 상기 특정 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치하도록 할 수 있다.As described above, the high-sensitivity
도 5(a)는 메탄 가스의 고유흡수스펙트럼과 메탄 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광의 스펙트럼을 개략적으로 도시한다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 메탄 가스는 약 1280 cm-1(파장 7.8125 um에 해당)의 파수에서 비교적 강하게 흡수되는 고유흡수스펙트럼을 가지고 있다. FIG. 5(a) schematically shows a specific absorption spectrum of methane gas and a spectrum of infrared light having a specific wavelength range for sensing methane gas. As shown in Figure 5 (a), methane gas has a relatively strong absorption spectrum at a wave number of about 1280 cm -1 (corresponding to a wavelength of 7.8125 um).
이때, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 메탄 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 광원(300)에 주기성을 갖는 전원을 인가하여, 상기 광원(300)에서 발생되는 상기 적외선광의 파장 스펙트럼을 상기 메탄 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 메탄 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 상기 광원(300)은 7.3 내지 8.3 um의 파장 범위를 갖는 제1DFB-QCL에 해당할 수 있다.At this time, the high-sensitivity
도 5(b)는 암모니아 가스의 고유흡수스펙트럼과 암모니아 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광의 스펙트럼을 개략적으로 도시한다. 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 암모니아 가스는 약 968 cm-1(파장 10.3306 um에 해당)의 파수에서 비교적 강하게 흡수되는 고유흡수스펙트럼을 가지고 있다. 5(b) schematically shows a specific absorption spectrum of ammonia gas and a spectrum of infrared light having a specific wavelength range for sensing ammonia gas. As shown in FIG. 5 (b), ammonia gas has a relatively strong absorption spectrum at a wave number of about 968 cm -1 (corresponding to a wavelength of 10.3306 um).
이때, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 암모니아 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 광원(300)에 주기성을 갖는 전원을 인가하여, 상기 광원(300)에서 발생되는 상기 적외선광의 파장 스펙트럼을 상기 암모니아 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 암모니아 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는 상기 광원(300)은 9.8 내지 10.8 um의 파장 범위를 갖는 제2DFB-QCL에 해당할 수 있다.At this time, the high-sensitivity
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 주기성을 갖는 전원에 의하여 상기 전원이 인가되는 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장이 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 상기 적외선광의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 일치될 수 있도록 하는 효과를 발휘할 수 있다.As such, in the high-sensitivity
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 특정 가스의 농도를 산출하는 실시예를 개략적으로 도시한다.6 schematically illustrates an embodiment in which the concentration of a specific gas is calculated using the high-sensitivity
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제어모듈(600)은 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 대하여 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과를 스케일링한 후에, 상기 측정챔버(400) 내부에 측정대상기체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광센서모듈(500)을 통해 검출된 제1센싱결과와 상기 측정챔버(400) 내부에 측정대상기체가 배치된 상태에서 상기 수광센서모듈(500)을 통해 검출된 제2센싱결과 사이의 차이값을 산출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있다.After the
도 6(a)는 상기 제어모듈(600)이 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과 및 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하여 도출한 시간에 따른 레이저세기 변화에 대한 그래프를 개략적으로 도시한다. 6(a) is a graph of the change in laser intensity with time derived by the
도 6(a)에 도시된 실선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하지 않는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에서 검출된 제1센싱결과, 즉 레퍼런스 그래프에 해당하고, 점선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에 검출된 제2센싱결과, 즉 특정가스 그래프에 해당할 수 있다. 상기 특정가스 그래프는 상기 측정챔버(400)의 내부에 배치된 측정대상기체에 포함된 특정가스에 의하여 일부 흡수가 발생되어 파형의 형태가 일부 변형된 그래프에 해당할 수 있다.The solid line shown in FIG. 6 (a) indicates that infrared light generated from the
상기 광원(300)은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 것이 바람직하다. 즉, 도 6(a)에 도시된 상기 특정가스 그래프와 같이 그래프의 일부에 피크가 발생하는 경우에, 상기 제어모듈(600)은 상기 측정대상기체에 상기 특정 가스가 포함되어 있다고 판단할 수 있다. The
바람직하게는, 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 특정 가스를 센싱하는 방법으로서, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기(100); 상기 파형생성기(100)의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기(200); 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원(300); 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버(400); 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈(500); 및 제어모듈(600);을 포함하고, 상기 제어모듈(600)에 의하여, 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과 및 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 상기 특정 가스의 유무를 판단할 수 있다. 이때, 상기 제어모듈(600)은 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 대하여 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과를 스케일링한 후에, 상기 측정챔버(400) 내부에 측정대상기체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광센서모듈(500)을 통해 검출된 제1센싱결과와 상기 측정챔버(400) 내부에 측정대상기체가 배치된 상태에서 상기 수광센서모듈(500)을 통해 검출된 제2센싱결과 사이의 차이값을 산출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있다.Preferably, a method of sensing a specific gas using a high-sensitivity gas sensor system (1), wherein the high-sensitivity gas sensor system (1) includes a waveform generator (100) for generating a waveform having periodicity; a
한편, 전술한 바와 같이, 상기 제어모듈(600)은, 부가적으로 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있다. Meanwhile, as described above, the
이 경우 상기 제어모듈(600)은, 상기 측정대상기체에 포함된 상기 특정 가스의 농도를 산출하기 위하여, 도 6(a)의 그래프를 도 6(b)와 같이 스케일링할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어모듈(600)은 상기 적외선광의 일부가 흡수되어 피크가 발생된 영역을 제외하고 상기 레퍼런스 그래프와 상기 특정가스 그래프가 서로 상응하는 값을 갖도록 스케일링할 수 있다.In this case, the
이후에, 상기 제어모듈(600)은 스케일링된 그래프에 기초하여 상기 레퍼런스 그래프와 상기 특정가스 그래프 사이의 차이값을 산출할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 제어모듈(600)은 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 상기 특정 가스에 의하여 상기 적외선광의 일부가 흡수되어 피크가 발생된 영역을 도출하고, 상기 영역을 적분하여 상기 특정 가스의 농도를 산출할 수 있다.Thereafter, the
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 제어모듈(600)에 의하여 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과와 레퍼런스 값을 스케일링한 후에 특정 가스에 의하여 흡수된 그래프 영역을 적분함으로써, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)의 정량분석값의 정확성을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.As such, in one embodiment of the present invention, the high-sensitivity
이때, 상기 레퍼런스 값은, 본 발명의 일 실시예에서, 주기성을 갖는 광원이 특정가스가 없는 측정챔버(400)를 지난 상태의 적외선광의 세기를 수광센서모듈(500)이 센싱한 결과, 특정가스가 없으므로 적외선광의 흡수가 없어 사인파의 형태가 그대로 유지된 그래프에 해당할 수 있다.At this time, the reference value is, in one embodiment of the present invention, as a result of the light receiving
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 메탄 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다.7 schematically illustrates the result of determining the presence or absence of methane gas using the highly sensitive
도 7(a)는 상기 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 메탄 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다. 도 7(a)에 도시된 검은색 선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하지 않는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에서 검출된 제1센싱결과, 즉 레퍼런스 그래프에 해당하고, 빨간색 선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 메탄 가스를 포함하는 측정대상기체가 존재하는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에 검출된 제2센싱결과, 즉 특정가스 그래프에 해당할 수 있다. 상기 특정가스 그래프는 상기 측정챔버(400)의 내부에 배치된 측정대상기체에 포함된 메탄 가스에 의하여 일부 흡수가 발생되어 파형의 형태가 일부 변형된 그래프에 해당할 수 있다. 상기 광원(300)은 상기 메탄 가스를 센싱하기 위하여 7.3 내지 8.3 um의 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 것이 바람직하다. Figure 7 (a) schematically shows the result of determining the presence or absence of methane gas using the high-sensitivity gas sensor system (1). The black line shown in FIG. 7 (a) indicates that the infrared light generated from the
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 제어모듈(600)에 의하여 도 7(a)와 같은 그래프를 도출함에 따라, 상기 측정챔버(400)의 내부에 수용된 측정대상기체에 포함된 상기 메탄 가스를 검출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as the high-sensitivity
도 7(b)는 상기 측정대상기체에 포함된 상기 메탄 가스에 의하여 일부가 흡수된 상기 타겟가스 그래프와 상기 레퍼런스 그래프의 차이값에 기초하여 산출된 상기 메탄 가스의 농도에 대한 사항을 개략적으로 도시한다. 도 7(c)는 도 7(b)에 기초하여 상기 메탄 가스 농도에 따른 레이저세기의 평균값을 개략적으로 도시한다.7(b) schematically shows the concentration of the methane gas calculated based on the difference between the reference graph and the target gas graph partially absorbed by the methane gas included in the measurement target gas; do. FIG. 7(c) schematically shows the average value of the laser intensity according to the methane gas concentration based on FIG. 7(b).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 타겟 가스의 유무를 판단할 뿐만 아니라 상기 타겟 가스의 농도를 다양한 방식으로 산출하여 제공할 수 있다.In this way, the highly sensitive
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 암모니아 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다.8 schematically illustrates the result of determining the presence or absence of ammonia gas using the highly sensitive
도 8(a)는 상기 고감도 가스 센서시스템(1)을 이용하여 암모니아 가스의 유무를 판단한 결과를 개략적으로 도시한다. 도 8(a)에 도시된 검은색 선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 측정대상기체가 존재하지 않는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에서 검출된 제1센싱결과, 즉 레퍼런스 그래프에 해당하고, 빨간색 선은 상기 측정챔버(400)의 내부에 암모니아 가스를 포함하는 측정대상기체가 존재하는 상태에서, 상기 광원(300)으로부터 발생된 적외선광이 상기 측정챔버(400)를 지나 상기 수광센서모듈(500)에 검출된 제2센싱결과, 즉 특정가스 그래프에 해당할 수 있다. 상기 특정가스 그래프는 상기 측정챔버(400)의 내부에 배치된 측정대상기체에 포함된 암모니아 가스에 의하여 일부 흡수가 발생되어 파형의 형태가 일부 변형된 그래프에 해당할 수 있다. 상기 광원(300)은 상기 암모니아 가스를 센싱하기 위하여 9.8 내지 10.8 um의 파장 범위를 갖는 적외선광을 발생시키는 것이 바람직하다. Figure 8 (a) schematically shows the result of determining the presence or absence of ammonia gas using the high-sensitivity gas sensor system (1). The black line shown in FIG. 8(a) indicates that the infrared light generated from the
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 상기 제어모듈(600)에 의하여 도 8(a)와 같은 그래프를 도출함에 따라, 상기 측정챔버(400)의 내부에 수용된 측정대상기체에 포함된 상기 암모니아 가스를 검출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as the high-sensitivity
도 8(b)는 상기 측정대상기체에 포함된 상기 암모니아 가스에 의하여 일부가 흡수된 상기 타겟가스 그래프와 상기 레퍼런스 그래프의 차이값에 기초하여 산출된 상기 암모니아 가스의 농도에 대한 사항을 개략적으로 도시한다. 도 8(c)는 도 8(b)에 기초하여 상기 암모니아 가스 농도에 따른 레이저세기의 평균값을 개략적으로 도시한다.8(b) schematically shows the concentration of the ammonia gas calculated based on the difference between the reference graph and the target gas graph partially absorbed by the ammonia gas included in the measurement target gas. do. FIG. 8(c) schematically shows an average value of laser intensity according to the ammonia gas concentration based on FIG. 8(b).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 타겟 가스의 유무를 판단할 뿐만 아니라 상기 타겟 가스의 농도를 다양한 방식으로 산출하여 제공할 수 있다.In this way, the highly sensitive
이와 같은 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 아래와 같은 단계에 의하여 제조될 수 있다.The high-sensitivity
1) 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기(100)를 배치하는 단계;1) arranging a
2) 상기 파형생성기(100)의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기(200)를 배치하는 단계;2) arranging a
3) 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원(300)을 배치하는 단계;3) arranging a
4) 상기 광원(300)에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버(400)를 배치하는 단계;4) arranging a
5) 상기 측정챔버(400)를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈(500)을 배치하는 단계; 및5) arranging a light receiving
6) 상기 수광센서모듈(500)의 센싱결과 및 상기 파형생성기(100)의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈(600)을 배치하는 단계;6) arranging a
상기 단계들에 의하여 구현된 상기 고감도 가스 센서시스템(1)은 주기성을 갖는 파형에 의하여 생성된 주기성을 갖는 전원을 광원(300)에 인가하여 상기 광원(300)에서 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼을 특정 가스의 고유흡수스펙트럼에 정확하게 일치시켜 측정대상기체 내의 상기 특정 가스의 존재유무를 판단하고, 상기 특정 가스가 존재하는 경우에 레퍼런스 값과 비교하여 상기 특정 가스의 농도를 산출함으로써, 종래 대비 검출 감도를 향상시킬 수 있다.The high-sensitivity
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주기성을 갖는 전원에 의하여 전원이 인가되는 광원에서 발생되는 적외선광의 파장이 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 적외선광의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 일치될 수 있도록 하는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the wavelength of infrared light generated from a light source to which power is applied by a power source having periodicity changes while having periodicity, the wavelength spectrum of infrared light may match the specific absorption spectrum of the target gas. effect can be exerted.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원의 파장 스펙트럼이 타겟 가스의 고유흡수스펙트럼에 상응하도록 주기성을 가지면서 변화함에 따라, 검출 감도, 정확성, 및 신뢰성이 향상된 고감도 가스 센서시스템을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as the wavelength spectrum of a light source changes while having a periodicity to correspond to the specific absorption spectrum of a target gas, the effect of providing a highly sensitive gas sensor system with improved detection sensitivity, accuracy, and reliability can exert
본 발명의 일 실시예에 따르면, 중적외선광을 이용한 고감도 가스 센서시스템으로 특정 가스를 분석함으로써, 특정 가스를 장거리에서 정확하게 검출할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by analyzing a specific gas with a highly sensitive gas sensor system using mid-infrared light, an effect of accurately detecting a specific gas at a long distance can be exhibited.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원으로써 DFB-QCL이 사용됨에 따라, 광원으로부터 발생되는 적외선광의 파장 스펙트럼이 특정 가스의 고유흡수스펙트럼과 인접하도록 제어될 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the DFB-QCL is used as a light source, the wavelength spectrum of infrared light generated from the light source can be controlled to be adjacent to the specific absorption spectrum of a specific gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광선을 발생시키는 가시광발생기가 고감도 가스 센서시스템에 적용됨에 따라, 광학모듈을 통해 측정챔버로 인입되는 적외선광의 경로를 사전에 정렬하여 고감도 가스 센서시스템의 분석 정확성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as the visible light generator for generating visible light is applied to the high-sensitivity gas sensor system, the path of the infrared light introduced into the measurement chamber through the optical module is aligned in advance to ensure the analysis accuracy of the high-sensitivity gas sensor system. can exert an effect that can improve.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어모듈에 의하여 상기 수광센서모듈의 센싱결과와 레퍼런스 값을 스케일링한 후에 특정 가스에 의하여 흡수된 그래프 영역을 적분함으로써, 고감도 가스 센서시스템의 정량분석값의 정확성을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, after scaling the sensing result of the light receiving sensor module and the reference value by the control module, the accuracy of the quantitative analysis value of the highly sensitive gas sensor system is increased by integrating the graph area absorbed by the specific gas. It can exert an effect that can be further improved.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등 물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by an equivalent, appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
1: 고감도 가스 센서시스템
100: 파형생성기 200: 전원발생기
300: 광원
310: 제1광원 311: 제1적외선광
320: 제2광원 321: 제2적외선광
400: 측정챔버
401: 광인입부 402: 광배출부
403: 제1포트 404: 제2포트
410: 압력제어모듈 420: 가스공급모듈
500: 수광센서모듈 510: 앰프모듈
600: 제어모듈
700: 가시광발생기 710: 가시광선광
800: 광학모듈
810: 제1미러 820: 제2미러
830: 제3미러 840: 제4미러
850: 제1렌즈 860: 제5미러
870: 제2렌즈 880: 제6미러
900: 냉각장치1: High-sensitivity gas sensor system
100: waveform generator 200: power generator
300: light source
310: first light source 311: first infrared light
320: second light source 321: second infrared light
400: measuring chamber
401: light inlet 402: light outlet
403: first port 404: second port
410: pressure control module 420: gas supply module
500: light receiving sensor module 510: amplifier module
600: control module
700: visible light generator 710: visible light
800: optical module
810: first mirror 820: second mirror
830: third mirror 840: fourth mirror
850: first lens 860: fifth mirror
870: second lens 880: sixth mirror
900: cooling device
Claims (10)
주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기;
상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기;
상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원;
상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버;
상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈;
상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈;
상기 광원과 상기 측정챔버 사이에 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버로 조사되기 위한 1 이상의 미러, 및 1 이상의 렌즈를 포함하는 광학모듈; 및
가시광선광을 발생시키는 가시광발생기;를 포함하고,
상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버로 인입되는, 고감도 가스 센서시스템.
As a highly sensitive gas sensor system,
a waveform generator for generating a waveform having periodicity;
a power generator generating power having periodicity according to the output of the waveform generator;
a light source generating infrared light having a variable wavelength by the power source;
a measurement chamber into which the infrared light irradiated from the light source is introduced and a target gas to be measured is disposed therein;
a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber;
a control module for determining the presence or absence of a specific gas in the gas to be measured, based on a sensing result of the light receiving sensor module and a waveform having periodicity of the waveform generator;
an optical module including one or more mirrors and one or more lenses between the light source and the measurement chamber for irradiating the infrared light emitted from the light source to the measurement chamber; and
Including; a visible light generator for generating visible light;
The visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source are introduced into the measurement chamber through the same path through the optical module.
상기 광원에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화하는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
The infrared light generated from the light source is a high-sensitivity gas sensor system in which the wavelength changes while having periodicity by the power source having periodicity.
상기 고감도 가스 센서시스템은 복수의 광원을 포함하고,
각각의 상기 광원은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
The high-sensitivity gas sensor system includes a plurality of light sources,
Each of the light sources irradiates infrared light having a different specific wavelength range for sensing the specific gas, a highly sensitive gas sensor system.
상기 광원은 상기 전원발생기에서 출력되는 주기성을 갖는 전원을 입력받아 적외선광을 발생시키는 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈;을 포함하고,
상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈에서 발생되는 적외선광은 상기 주기성을 갖는 전원에 의하여 파장이 주기성을 가지면서 변화하는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
The light source includes one or more DFB-QCL laser modules that generate infrared light by receiving power having periodicity output from the power generator,
The infrared light generated from the one or more DFB-QCL laser modules has a wavelength that is changed while having periodicity by the power supply having periodicity, a highly sensitive gas sensor system.
상기 광원은 상기 전원발생기에서 출력되는 주기성을 갖는 전원을 입력받아 적외선광을 발생시키는 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈;을 포함하고,
각각의 상기 1 이상의 DFB-QCL레이저모듈은 상기 특정 가스를 센싱하기 위한 서로 다른 특정 파장 범위를 갖는 적외선광을 조사하는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
The light source includes one or more DFB-QCL laser modules that generate infrared light by receiving power having periodicity output from the power generator,
Each of the at least one DFB-QCL laser module irradiates infrared light having a different specific wavelength range for sensing the specific gas, a highly sensitive gas sensor system.
상기 측정챔버는,
상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광이 인입되는 광인입부; 및
상기 측정챔버를 지난 상기 광인입부로부터 인입된 상기 가시광선광 및 상기 적외선광이 배출되는 광배출부;를 포함하고,
상기 광학모듈에 의하여 상기 가시광선광과 상기 적외선광이 상기 광인입부를 통해 상기 측정챔버의 내부로 인입되는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
The measuring chamber,
a light input unit through which the visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source are introduced; and
A light discharge unit through which the visible light and the infrared light introduced from the light input unit past the measurement chamber are discharged;
The high-sensitivity gas sensor system, wherein the visible light and the infrared light are introduced into the measurement chamber through the light inlet by the optical module.
상기 제어모듈은 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 대하여 상기 수광센서모듈의 센싱결과를 스케일링한 후에, 상기 측정챔버 내부에 측정대상기체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광센서모듈을 통해 검출된 제1센싱결과와 상기 측정챔버 내부에 측정대상기체가 배치된 상태에서 상기 수광센서모듈을 통해 검출된 제2센싱결과 사이의 차이값을 산출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출하는, 고감도 가스 센서시스템.
The method of claim 1,
After the control module scales the sensing result of the light receiving sensor module with respect to the waveform having the periodicity of the waveform generator, the first detected through the light receiving sensor module in a state in which the target gas to be measured is not disposed inside the measurement chamber. A high-sensitivity gas sensor system that calculates the concentration of the specific gas by calculating a difference between the sensing result and the second sensing result detected through the light receiving sensor module in a state in which the measurement target gas is disposed inside the measurement chamber.
상기 고감도 가스 센서시스템은 주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기; 상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기; 상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버; 상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈; 및 제어모듈;을 포함하고,
상기 제어모듈에 의하여, 상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 상기 특정 가스의 유무를 판단하고,
상기 고감도 가스 센서시스템은,
상기 광원과 상기 측정챔버 사이에 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버로 조사되기 위한 1 이상의 미러, 및 1 이상의 렌즈를 포함하는 광학모듈; 및
가시광선광을 발생시키는 가시광발생기;를 더 포함하고,
상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버로 인입되는, 고감도 가스 센서시스템을 이용하여 특정 가스를 센싱하는 방법.
As a method of sensing a specific gas using a high-sensitivity gas sensor system,
The high-sensitivity gas sensor system includes a waveform generator for generating a waveform having periodicity; a power generator generating power having periodicity according to the output of the waveform generator; a light source generating infrared light having a variable wavelength by the power source; a measurement chamber into which the infrared light irradiated from the light source is introduced and a target gas to be measured is disposed therein; a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber; and a control module;
By the control module, based on the sensing result of the light receiving sensor module and the waveform having periodicity of the waveform generator, it is determined whether or not the specific gas is present in the gas to be measured;
The high-sensitivity gas sensor system,
an optical module including one or more mirrors and one or more lenses between the light source and the measurement chamber for irradiating the infrared light emitted from the light source to the measurement chamber; and
A visible light generator for generating visible light; further comprising,
The method of sensing a specific gas using a highly sensitive gas sensor system, wherein the visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source are introduced into the measurement chamber through the same path through the optical module.
주기성을 갖는 파형을 생성하는 파형생성기를 배치하는 단계;
상기 파형생성기의 출력에 따라 주기성을 갖는 전원을 생성하는 전원발생기를 배치하는 단계;
상기 전원에 의하여 파장이 가변되는 적외선광을 발생시키는 광원을 배치하는 단계;
상기 광원에서 조사되는 적외선광이 인입되고, 측정대상기체가 내부에 배치되는 측정챔버를 배치하는 단계;
상기 측정챔버를 지난 상기 적외선광을 수광하는 수광센서모듈을 배치하는 단계;
상기 수광센서모듈의 센싱결과 및 상기 파형생성기의 주기성을 갖는 파형에 기초하여, 상기 측정대상기체에 특정 가스의 유무를 판단하는 제어모듈을 배치하는 단계;
상기 광원과 상기 측정챔버 사이에 상기 광원에서 조사되는 적외선광이 상기 측정챔버로 조사되기 위한 1 이상의 미러, 및 1 이상의 렌즈를 포함하는 광학모듈을 배치하는 단계; 및
가시광선광을 발생시키는 가시광발생기를 배치하는 단계;를 포함하고,
상기 가시광발생기에서 발생하는 가시광선광과 상기 광원에서 발생하는 적외선광은 상기 광학모듈을 통하여 동일한 경로로 상기 측정챔버로 인입되는, 고감도 가스 센서시스템의 제조방법.
As a method of manufacturing a high-sensitivity gas sensor system,
arranging a waveform generator that generates a waveform having periodicity;
arranging a power generator that generates power having periodicity according to an output of the waveform generator;
arranging a light source that generates infrared light having a variable wavelength by the power source;
arranging a measurement chamber into which infrared light irradiated from the light source is introduced and a gas to be measured is disposed therein;
arranging a light receiving sensor module for receiving the infrared light passing through the measuring chamber;
arranging a control module for determining whether or not a specific gas is present in the gas to be measured, based on a sensing result of the light receiving sensor module and a waveform having periodicity of the waveform generator;
disposing an optical module including one or more mirrors and one or more lenses for irradiating infrared light emitted from the light source to the measurement chamber between the light source and the measurement chamber; and
arranging a visible light generator that generates visible light;
The method of manufacturing a highly sensitive gas sensor system, wherein the visible light generated from the visible light generator and the infrared light generated from the light source are introduced into the measurement chamber through the same path through the optical module.
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KR1020210143820A KR102525096B1 (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | High sensitive Gas Sensor System |
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KR1020210143820A KR102525096B1 (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | High sensitive Gas Sensor System |
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ID=86141782
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KR1020210143820A KR102525096B1 (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | High sensitive Gas Sensor System |
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- 2021-10-26 KR KR1020210143820A patent/KR102525096B1/en active IP Right Grant
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