KR102581771B1 - 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서 - Google Patents

편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서에 관한 것으로서, 광원과, 일단이 광원에서 출사되는 광을 수신하도록 배치되어 입사된 광을 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제1편광유지광섬유와, 제1편광유지광섬유의 타단이 삽입되어 수용될 수 있게 수평상으로 관통되게 연장된 제1삽입홀과, 제1삽입홀과 대향되게 이격되어 수평상으로 관통되게 형성된 제2삽입홀과 제1삽입홀과 제2삽입홀 사이에 제1삽입홀 및 제2삽입홀의 연장방향과 교차하는 수직방향으로 연장되어 제1삽입홀과 제2삽입홀과 연통되게 형성된 슬롯을 갖는 얼라인 가이드체와, 얼라인 가이드체의 슬롯에 삽입되게 장착되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와, 얼라인 가이드체의 제2삽입홀에 일단이 수용되게 설치되어 제1편광유지광섬유로부터 자기광학소자를 거쳐 진행되는 광을 수신하여 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제2편광유지광섬유와, 제2편광유지광섬유와 접속되어 입사된 광에 대해 상호 직교되는 편광성분으로 분리하여 제1 및 제2출력단으로 출력하는 편광빔스플리터와, 제1출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제1광검출기와, 제2출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제2광검출기와, 제1광검출기에서 출력되는 제1신호와 제2광검출기에서 출력되는 제2신호의 비로부터 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 측정부를 구비한다.

Description

편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서{current sensor integrated polarization maintaining optical fiber and magneto-optical device}
본 발명은 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서에 관한 것으로서, 상세하게는 광학적 정렬이 용이한 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서에 관한 것이다.
최근 산업의 고도성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하면서 전력 설비가 초 고압화 및 대용량화가 되고 있고, 이에 따른 전력의 안정적인 공급 및 효율적인 이용을 위한 관리가 매우 중요해지고 있다.
따라서, 송전 및 배전 계통 또는 전력공급장치에서 공급되는 전력에 대한 고장위치를 자동적으로 검출하기 위하여 전류 검출센서가 널리 이용되고 있다.
종래의 전류 검출센서는 코일을 이용하여 유기된 전력에 의해 전류를 측정하는 방식이 이용되었으나, 고전압이나 대전력 환경하에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기상 현상에 기인한 뇌서지 등이 직접 전류공급경로를 통해서 또는 간접적인 정전유도나 전자 유도에 의해서 영향을 주기 때문에 최근에는 절연성이 양호하며 전자유도에 의한 노이즈를 받지 않는 특징을 갖는 광을 이용한 광자계센서를 이용한 방식이 이용되고 있다.
이러한 광자계센서는 통상 페러데이소자라 불리우는 자기광학소자를 이용하여 전류를 측정하는 방식을 적용하고 있고, 국내 공개 특허 제10-2006-0005200호 등 다양하게 개시되어 있다. 그런데, 종래의 자기광학소자를 적용한 전류센서는 편광기들을 광축에 맞게 얼라인시키는 광학적 정렬작업에 많은 시간이 소요되고, 정열이 어긋나면 광손실이 커져 정렬작업에 대한 부담이 큰 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상세하게는 광학적 정렬이 용이하면서 광손실을 억제할 수 있는 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서는 광원과; 일단이 상기 광원에서 출사되는 광을 수신하도록 배치되어 입사된 광을 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제1편광유지광섬유와; 상기 제1편광유지광섬유의 타단이 삽입되어 수용될 수 있게 수평상으로 관통되게 연장된 제1삽입홀과, 상기 제1삽입홀과 대향되게 이격되어 수평상으로 관통되게 형성된 제2삽입홀과 상기 제1삽입홀과 상기 제2삽입홀 사이에 상기 제1삽입홀 및 상기 제2삽입홀의 연장방향과 교차하는 수직방향으로 연장되어 상기 제1삽입홀과 상기 제2삽입홀과 연통되게 형성된 슬롯을 갖는 얼라인 가이드체와; 상기 얼라인 가이드체의 상기 슬롯에 삽입되게 장착되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와; 상기 얼라인 가이드체의 상기 제2삽입홀에 일단이 수용되게 설치되어 상기 제1편광유지광섬유로부터 상기 자기광학소자를 거쳐 진행되는 광을 수신하여 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제2편광유지광섬유와; 상기 제2편광유지광섬유와 접속되어 입사된 광에 대해 상호 직교되는 편광성분으로 분리하여 제1 및 제2출력단으로 출력하는 편광빔스플리터와; 상기 제1출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제1광검출기와; 상기 제2출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제2광검출기와; 상기 제1광검출기에서 출력되는 제1신호와 상기 제2광검출기에서 출력되는 제2신호의 비로부터 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 측정부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 얼라인 가이드체에 수용되는 상기 제1편광유지광섬유의 타단과 상기 제2편광유지광섬유의 일단은 외부로부터 인가된 열에 의해 코어영역이 확장된 열확산코어부분을 갖게 형성된 것을 적용한다.
또한, 상기 열확산코어부분은 직경이 10 내지 20㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서에 의하면, 광학적 정렬이 용이하며 광손실을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 얼라인 가이드체를 상세하게 도시한 사시도이고,
도 3은 도 1의 얼라인 가이드체상에서의 광전송 효율을 향상시키기 위한 제1 및 제2편광유지광섬유의 구조를 설명하기 위한 부분 발췌 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 얼라인 가이드체를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전류센서(100)는 광원(110), 제1편광유지광섬유(120), 얼라인 가이드체(130), 자기광학소자(135), 제2편광유지광섬유(140), 편광빔스플리터(150), 제1광검출기(PD1)(161), 제2광검출기(PD2)(162), 측정부(170) 및 표시부(180)를 구비한다.
광원(110)는 제1편광유지광섬유(120)의 일단으로 광을 출사한다.
제1편광유지광섬유(120)는 일단이 광원(110)에서 출사되는 광을 수신하도록 배치되어 입사된 광을 전송하며 입사된 광의 편광을 유지한다. 제1편광유지광섬유(120)의 타단은 후술되는 얼라인 가이드체(130)에 접속된다.
제1편광유지광섬유(120)는 입사된 광의 편광상태를 유지시킬 수 있도록 되어 있고, 국내 공개특허 제10-2019-0117110호에 개시된 바와 같이 코어를 중심으로 대칭되는 이격거리에 응력잉여부가 형성된 구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.
얼라인 가이드체(130)는 제1 및 제2편광유지광섬유(120)(140)와 자기광학소자(135)의 얼라인을 지원한다.
얼라인 가이드체(130)는 대략 사각형태로 형성되어 상면 중앙에서 하방으로 인입되어 자기광학소자(135)를 수용되게 지지하는 슬릿(134)이 형성되어 있고, 슬릿(134)과 연통되게 수평상으로 제1 및 제2삽입홀(131)(132)이 관통되게 형성된 구조로 되어 있다. 즉, 얼라인 가이드체(130)는 제1편광유지광섬유(120)의 타단이 삽입되어 수용될 수 있게 수평상으로 관통되게 연장된 제1삽입홀(131)과, 제1삽입홀(131)과 대향되게 이격되어 수평상으로 관통되게 형성된 제2삽입홀(132)과, 제1삽입홀(131)과 제2삽입홀(132) 사이에 제1삽입홀(131) 및 제2삽입홀(132)의 연장방향과 교차하는 수직방향으로 연장되어 제1삽입홀(131)과 제2삽입홀(132)과 연통되게 형성된 슬롯(134)을 갖는 구조로 되어 있다. 여기서, 슬롯(134)의 폭은 자기광학소자(135)를 설치할 수 있게 적용하면 된다.
자기광학소자(135)는 얼라인 가이드체(130)의 슬롯(134)에 삽입되게 장착되며 측정대상체(10)에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시킨다.
자기광학소자(135)는 접합재로 얼라인 가이드체(130)에 접합시키면 된다.
제2편광유지광섬유(140)는 얼라인 가이드체(130)의 제2삽입홀(132)에 일단이 수용되게 설치되어 제1편광유지광섬유(120)로부터 자기광학소자(135)를 거쳐 진행되는 광을 수신하여 전송하며 입사된 광의 편광을 유지한다.
이러한 구조에서 제1편광유지광섬유(120)의 타단과 제2편광유지광섬유(140)의 일단은 페룰(136)에 삽입된 상태로 제1 및 제2삽입홀(131)(132)에 고정되게 장착될 수 있다.
또한, 제1편광유지광섬유(120)의 타단에서의 빔확산을 억제하여 가능한한 평행광 상태로 출사되게 하고, 제2편광유지광섬유(140)의 일단에서의 빔수용영역을 제1편광유지광섬유(120) 타단의 광출사영역에 대응되게 확장할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 제1편광유지광섬유(120)의 타단과 제2편광유지광섬유(140)의 일단은 외부로부터 인가된 열에 의해 코어(121)(141)의 영역이 확장된 열확산코어부분(120b)(140b)을 갖게 형성된 것을 적용한다.
즉, 제1편광유지광섬유(120)에서 코어(121)와 코어(121)를 감싸는 클래드(122) 중 코어(121)의 직경이 8㎛이며 클래드의 직경이 125㎛인 단일모드부분(120a)과, 토치와 같이 열을 인가하는 방식으로 코어(121)의 직경이 확장된 열확산코어부분(120b)을 갖는 구조로 되어 있다.
마찬가지로 제2편광유지광섬유(140)에서 코어(141)와 코어(141)를 감싸는 클래드(142) 중 코어(141)의 직경이 8㎛이며 클래드의 직경이 125㎛인 단일모드부분(140a)과, 토치와 같이 열을 인가하는 방식으로 코어(141)의 직경이 확장된 열확산코어부분(140b)을 갖는 구조로 되어 있다. 여기서 열확산코어부분(120b)(140b)은 단일모드로부터 점진적으로 직경이 확장되면서 8㎛를 초과하게 형성되며 종단의 직경은 10 내지 20㎛ 바람직하게는 20㎛가 되게 형성된 것을 적용한다.
이러한 열확산코어부분(120b)(140b)에 의해 광전송 손실을 줄일 수 있다.
편광빔스플리터(150)는 제2편광유지광섬유(140)와 접속되어 입사된 광에 대해 상호 직교되는 편광성분으로 분리하여 제1 및 제2출력단(151)(152)으로 출력한다.
일 예로서, 제1출력단(151)은 수직방향의 편광성분을 출력하고, 제2출력단(152)은 수평방향의 편광성분을 출력하도록 구축될 수 있다.
편광빔스플리터(150)의 구조는 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
제1광검출기(PD1)(161)는 편광빔스플리터(150)의 제1출력단(151)을 통해 전송되는 광을 검출하고, 검출된 광량에 대응되는 제1신호를 출력한다.
제2광검출기(PD2)(162)는 편광빔스플리터(150)의 제2출력단(152)을 통해 전송되는 광을 검출하고, 검출된 광량에 대응되는 제2신호를 출력한다.
여기서, 제1출력단(151)과 제1광검출기(161) 사이 및 제2출력단(151)과 제2광검출기(162) 사이는 광을 전송하는 광섬유가 적용될 수 있다.
측정부(170)는 제1광검출기(161)에서 출력되는 제1신호와 제2광검출기(162)에서 출력되는 제2신호의 비(ratio)로부터 측정대상체(10)에 흐르는 전류를 측정하고, 출력부로 적용된 표시부(180)에 측정된 전류값이 표시되게 처리한다. 여기서, 제1신호에 대한 제2신호의 비(ratio)는 일 예로서, 제1신호를 제2신호로 나눈값 또는 제2신호를 제1신호로 나눈값으로 설정될 수 있다.
측정부(170)에는 제1신호와 제2신호의 비(ratio)에 대응되는 전류값이 미리 산출되어 기록된 룩업테이블이 마련될 수 있다. 이 경우 측정부(170)는 제1광검출기(161)에서 출력되는 제1신호와 제2광검출기(162)에서 출력되는 제2신호의 비(ratio)에 대응되는 전류값을 룩업테이블로부터 찾아 전류를 산출하면된다.
이상에서 설명된 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서에 의하면, 광학적 정렬이 용이하며 광손실을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 제1편광유지광섬유
130: 얼라인 가이드체 135: 자기광학소자
140: 제2편광유지광섬유 150: 편광빔스플리터
161: 제1광검출기(PD1) 162: 제2광검출기(PD2)
170: 측정부 180: 표시부

Claims (3)

  1. 광원과;
    일단이 상기 광원에서 출사되는 광을 수신하도록 배치되어 입사된 광을 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제1편광유지광섬유와;
    상기 제1편광유지광섬유의 타단이 삽입되어 수용될 수 있게 수평상으로 관통되게 연장된 제1삽입홀과, 상기 제1삽입홀과 대향되게 이격되어 수평상으로 관통되게 형성된 제2삽입홀과 상기 제1삽입홀과 상기 제2삽입홀 사이에 상기 제1삽입홀 및 상기 제2삽입홀의 연장방향과 교차하는 수직방향으로 연장되어 상기 제1삽입홀과 상기 제2삽입홀과 연통되게 형성된 슬롯을 갖는 얼라인 가이드체와;
    상기 얼라인 가이드체의 상기 슬롯에 삽입되게 장착되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와;
    상기 얼라인 가이드체의 상기 제2삽입홀에 일단이 수용되게 설치되어 상기 제1편광유지광섬유로부터 상기 자기광학소자를 거쳐 진행되는 광을 수신하여 전송하며 입사된 광의 편광을 유지하는 제2편광유지광섬유와;
    상기 제2편광유지광섬유와 접속되어 입사된 광에 대해 상호 직교되는 편광성분으로 분리하여 제1 및 제2출력단으로 출력하는 편광빔스플리터와;
    상기 제1출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제1광검출기와;
    상기 제2출력단을 통해 전송되는 광을 검출하는 제2광검출기와;
    상기 제1광검출기에서 출력되는 제1신호와 상기 제2광검출기에서 출력되는 제2신호의 비로부터 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 측정부;를 구비하고,
    상기 얼라인 가이드체에 수용되는 상기 제1편광유지광섬유의 타단과 상기 제2편광유지광섬유의 일단은 외부로부터 인가된 열에 의해 코어영역이 확장된 열확산코어부분을 갖게 형성되어 있고,
    상기 열확산코어부분은 직경이 20㎛인 것을 특징으로 하는 편광유지광섬유와 자기광학소자 일체형 전류센서.
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