KR19990014008A

KR19990014008A - 광학이고 비-음향 압력 센서의 시분할 다중화 어레이

Info

Publication number: KR19990014008A
Application number: KR1019980029187A
Authority: KR
Inventors: 도널드 에이. 프리데릭; 데이비드 비. 홀
Original assignee: 클라인 제랄드 엘.; 리톤 시스템스 인코포레이티드
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 1999-02-25
Also published as: CA2240550C; JPH11110673A; AU732668B2; EP0895075A2; BR9802830A; NO323869B1; EP0895075A3; CN1215158A; KR100639846B1; NO983282D0; AU7511698A; NO983282L; CA2240550A1

Abstract

광전송 케이블로 펄스-형 광 신호를 생성시키는 레이저 광원을 갖춘 광학(optical)이고 비(非)-음향(non-acoustic)인 압력 센서(pressure sensor)의 어레이(array)를 이용하는 압력 측정 장치(pressure measuring device)에 있어서, 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 어레이(array)를 통하여 광전송 케이블를 따라서 펄스-형 광 신호를 전파시키는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device). 각각의 위치에서 펄스-형 광(光)의 적어도 한 부분으로 갈라질 목적으로, 다수의 광결합기(optical coupler)는 서로에 대하여 멀리 일정하게 떨어진 다양한 위치에서 광전송 케이블에 붙어있다. 다수의 광결합기 등에서 각각은 광학 압력 센서(optical pressure sensor) 및 압력 무반응 반사기(pressure insensitive reflector) 등을 포함하며, 펄스-형 광 신호의 분기 부분(branched off portion)을 광학 압력 센서와 반사기 등에서 둘 다에 전송한다. 각각의 광학 압력 센서는 압력 표시 신호(pressure indicating signal)를 다시 광결합기로 반사하는가 하면, 압력 무반응 반사기는 기준 신호(reference signal)를 다시 광결합기로 반사한다. 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 쌍으로써, 압력 표시 신호와 기준 신호 등은 광전송 케이블로 광결합기를 통하여 반사되며, 그 다음에 신호 탐지기에 의하여 광전송 케이블에서 회복된다. 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정할 목적으로, 회복된 압력 표시 신호(retrieved pressure indicating signal)는 회복된 기준 신호(retrieved reference signal)와 비교된다.

Description

광학이고 비-음향 압력 센서의 시분할 다중화 어레이

일반적으로 본 발명은 음향이 아닌 광학 압력 센서(non-acoustic optical pressure sensor)에 관한 것으로써, 상세하게 어레이(array)의 경로를 따라서 다수의 위치에서 압력을 측정하기 위한 음향이 아닌 광학 압력 센서(non-acoustic optical pressure sensor)의 어레이(array)에 관한 것이다.

협의의 압력 센서(pressure sensor) 범위에서, 압력을 측정하는 피에조-저항(piezoresistive) 또는 전기 용량(capacitive) 등으로부터 읽기(readout)를 이용하는 것은 공지되어 있다. 피에조-저항 압력 센서(piezoresistive pressure sensor)의 경우에 다이어프램(diaphragm)은 가해지는 압력에 노출된다. 다이어프램에서 작동하는 압력의 양을 결정하기 위하여 다이어프램에서 기계적 변형률은 측정된다. 다이어프램에서 기계적 변형률의 상태를 감지하는 것은 많은 문제를 포함한다. 예를 들면, 이런 형(型)의 센서는 전체적인 응력(packing stress)에 대한 커다란 교차-감도(cross-sensitivity)를 가지며, 센서의 정확성을 제한한다. 더욱이, 또한 응용이 부정확할 정도의 높은 온도에서, 저항 소자는 온도에 민감한 경향이 있다.

전기 용량 압력 센서(capacitive pressure sensor)는 다이어프램과 제 2 플레이트 등의 사이에 배치된 다양한-간격 커패시터를 이용한다. 압력이 다이러프램에서 작용될 때, 다이러프램에 작용하는 압력을 결정하는 다양한-간격 커패시터의 커패시턴스(capacitance)를 이용하여 다이어프램의 편향의 양을 측정한다. 또한 상기 압력 센서는 많은 불리한 점이 있다. 먼저, 전기가 필요로 하는 측정을 얻기 위한 상기 센서를 작동할 필요가 있다. 긴 거리에서의 전송을 필요로 하는 먼 위치에서와 같은 상태에서, 전기를 압력 센서에 공급하는 것은 편리하거나 그럴듯하지는 않기 때문에, 항상 상기 형의 압력 센서를 쉽게 이용하지 않는다. 또한, 전체적인 응력(packing stress)에 민감한 것에 추가하여, 센서의 읽기 중에 온도의 효과 때문에, 높은-온도 응용에서 상기 형의 센서는 부정확하다. 센서에 붙어 있는 전도력이 있는 물질로 형성된 전지 접점을 전기 센서는 필요로 하며, 접점을 형성하는데 이용되는 물질의 형(型)에 대한 가능성은 제한된다. 그러므로, 대단한 부식 환경과 같이 극도의 환경에서, 요구되어지는 감도를 갖춘 전기 접점을 가지면서, 또한 부식 환경에 저항적인 압력 센서를 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다.

매우 정확하게 설계된 많은 전류 압력 센서(current pressure sensor)는 극단적으로 비싸다. 예를 들면, 공진 주파수(resonant frequency)는 센서에 작용하는 압력의 함수이며, 석영(quartz) 공진 주파수 장치를 이용하는 전류 압력 센서는 0.5 psi(pounds per square inch)에서 1 피트(푸트)의 깊이 정확성을 가진다. 상기 공진 주파수 압력 센서는 비싸고 크다. 이것은 제한된 공간을 가지는 응용에서 적합하지 않다.

전기 압력 센서와 관계 있는 유해한 효과를 줄일 목적으로, 심각한 환경이나 올라가는 온도에 의하여 압력 센서의 감도에서 영향을 최소화하기 위하여 접점이 없는 광학 압력 센서(contactless optical pressure sensor)를 이용해왔다. 상기 광학 압력 센서는 작동하는 압력을 결정할 목적으로 빛(光)의 파장에서 간섭 현상을 이용한다. 빛(光)의 파장이 광학 압력 센서로 전송되며, 압력에 민감한 거울은 간섭계 내(內)에서 배치된다. 거울의 위치는 작용하는 압력에 의해 변화되듯이, 간섭계 내(內)에서 빛의 파장의 간섭을 변화시키면서, 간섭계 내(內)에서 간격은 변화한다. 간섭되는 광 신호(interfered light signal)와 미리-결정된 값을 비교하는 것에 의하여 간섭의 함수로써 압력을 결정한다. 하지만, 빛의 파장이 긴 거리에서 전송될 때, 광 신호에서 잡음(noise)과 손실(loss)은 일어난다. 신호에서 일어나는 관계되는 손실과 잡음 때문에, 미리-결정된 값과 비교되는 간섭되는 광 신호(interfered light signal)는 센서에 의한 동일한 신호 출력이 아니다. 부정확한 압력 측정은 상기 형(型)의 압력 센서가 원인일 수 있다.

전기 연결을 필요로 하는 종래의 압력 센서와 관계 있는 유해한 효과를 받지 않는 비(非)-전기이고 접점이 없는 압력 센서에 대한 필요가 있다. 게다가, 광 신호를 전송하는 것과 관계 있는 손실에 의하여 영향을 미치지 않는, 매우 정확(accuracy)하고 컴팩트(compact)한 압력 센서에 대한 필요가 있다.

종래의 기술과 관계 있는 상기 언급된 결점을 극복하는 것은, 본 발명의 주(主) 목적이다.

압력 센서의 감도(sensitivity)에서 심각한 환경과 올라가는 온도의 효과를 최소화하는, 비(非)-전기 압력 센서를 공급하는 것이, 본 발명의 또 하나의 목적이다.

하지만, 컴팩트(compact)하고, 비용이 낮고, 그리고 정확한 광학 압력 센서(optical pressure sensor)를 공급하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.

긴 거리에서 광학 압력 신호를 전송하는 것과 관계 있는 잡음과 손실을 해결할 목적으로, 먼 위치에서 극도로 정확한 압력 측정을 얻게 하는 광학 압력 센서(optical pressure sensor)를 공급하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.

하지만, 신호가 전송되는 거리와 관계 있는 상기 잡음과 손실을 해결할 목적으로, 먼 위치에서 광학 압력 신호를 따라서 전송되는 기준 신호(reference signal)를 이용하는 광학 압력 센서(optical pressure sensor)를 공급하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.

다양한 먼 위치에서 정확한 압력 측정을 결정하게 하는 그리고 단 하나의 광 경로를 따라서 이 측정을 전송하게 하는 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 에레이(array)를 공급하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.

광전송 케이블(light transmitting cable)을 따라서 전송되는 펄스-형 광 신호(pulsed light signal)를 생성시키는 레이저 광원을 갖춘 광학(optical)이고 비(非)-음향(non-acoustic)인 압력 센서(pressure sensor)를 이용하는 압력 측정 장치(pressure measuring device)와 방법(method) 등을 공급하는 것에 의하여, 본 발명의 추가의 목적과 이점 뿐 아니라 상기를 달성할 수 있다. 광전송 케이블을 통하여 움직이는 펄스-형 광 신호의 적어도 하나의 부분으로 갈라지는 광전송 케이블(light transmitting cable)에 광결합기(optical coupler)를 연결한다. 광학 압력 센서는 광결합기에 연결되며, 펄스-형 광 신호의 분기 부분(branched off portion)은 광학 압력 센서에 전송된다. 광학 압력 센서는 펄스-형 광 신호의 분기 부분을 수신하고, 광학 압력 센서는 다시 광결합기에 압력 표시 신호(pressure indicating signal)를 반사한다. 압력 표시 신호는 광학 압력 센서에서 작동하는 압력의 함수이다. 또한 광결합기를 통하여 움직이는 펄스-형 광 신호의 분기 부분은, 광결합기에 연결된 압력 무반응 반사기에 공급된다. 압력 무반응 반사기는 펄스-형 광 신호의 분기 부분을 수신하고, 광결합기로 다시 돌아가는 펄스-형 광 신호의 분기 부분과 실질적으로 똑같은 기준 신호를 압력 무반응 반사기는 반사한다. 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 쌍으로써, 압력 표시 신호와 기준 신호 등은 광전송 케이블로 광결합기를 통하여 반사된다. 광전송 케이블을 통하여 움직이는 압력 표시 신호/기준 신호 등의 쌍을 회복하기 위하여, 신호 탐지기는 광전송 케이블에 붙어 있다. 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정하기 위하여, 회복된 압력 표시 신호(retrieved pressure indicating signal)는 회복된 기준 신호(retrieved reference signal)와 비교되며, 결정된 압력을 표시하는 신호는 출력이다. 실시예에서, 광전송 케이블을 따라서 다양한 위치에서 펄스-형 광 신호의 적어도 한 부분으로 갈라질 목적으로, 다수의 광결합기는 서로에 대하여 멀리 일정하게 떨어진 다양한 위치에서 광전송 케이블에 붙어있다. 다수의 광결합기 등에서 각각은 광학 압력 센서(optical pressure sensor) 및 압력 무반응 반사기(pressure insensitive reflector) 등을 포함함으로써, 포개어지지 않는 신호(non-overlapping signal)의 다수의 쌍은 광전송 케이블로 전송된다. 이것은 광케이블을 따라서 다수의 위치에서 압력을 측정하게 한다. 포개어지지 않는 신호의 다수의 쌍은 시분할 다중화됨으로써, 신호의 각각의 쌍은 서로에 대하여 간섭하는 신호의 쌍이 없이, 단 하나의 광전송 케이블에서 회복될 수 있다.

새롭다고 믿어질 수 있는 본 발명의 목적과 특징 등은 덧붙여진 청구항에서 상세하게 발표된다. 작동의 구성과 방식에 관하여, 더 나은 목적과 이점 등을 갖춘 본 발명은 다음의 기술(記述)에 의하여 잘 이해될 것이며, 수반되는 도면과 관련하여 본 발명을 다루며, 도면에서 참고 부호는 그 부호의 수자를 통하여 동일 부분을 표시한다.

도 1 은, 본 발명의 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 시분할 다중화(TDM) 어레이(array)의 선호되는 실시예의 도식적인 실례이다.

도 2 는, 도 1 에서 보여진 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 어레이(array)까지 광전송 케이블(light transmitting cable)을 통하여 펄스-형 광 신호(pulsed light signal)의 도식적인 실례이다.

도 3 은, 도 1 에서 보여진 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 어레이(array)에서 돌아오는 신호(return signal)의 도식적인 실례이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 ... 압력 측정 장치(pressure measuring device)

12 ... 레이저 광원(laser light source)

14 ... 펄스-형(型) 광 신호(pulsed light signal)

15 ... 펄스 섞기 장치(pulse scrambling device)

16 ... 광전송 케이블(light transmitting cable)

18, 31 ... 광결합기(optical coupler)

19 ... 광 스플리터(optical splitter)

20 ... 분기 부분(branched off portion)

21a, 21b ... 독립적인 섬유 채널(independent fiber channel)

분리된 출력(separate output)

출력 (광) 신호(output signal)

22 ... 광학 압력 센서(optical pressure sensor)

24 ... 간섭되는 부분(interfered portion)

압력 표시 신호(pressure indicating signal)

26 ... 압력 무반응 반사기(pressure insensitive reflector)

28 ... 기준 신호(reference signal)

30 ... 포개어지지 않는 펄스-형(型) 신호(non-overlapping pulsed signal)

30a, 30b, 30c 외(外) 기타 등등 ... 포개어지지 않는 신호

(non-overlapping signal)

32 ... 신호 탐지기(signal detector)

34 ... 처리 장치(processing device)

당해 기술(技術) 종사 업자가 본 발명을 만들고 이용하는 것이 가능하도록 하기(下記)의 기술(記述)을 제공하고, 하기(下記)의 기술(記述)은 발명을 실행하는 발명자에 의하여 관찰된 최상의 모드를 발표한다. 하지만, 광학 압력 센서(optical pressure sensor)의 정확하고 비용-효과적인 어레이(array)를 특별하게 제공하도록 본 발명의 일반적인 원리를 여기서 정의하기 때문에, 다양한 수정은 당해 기술(技術) 종사 업자에게는 쉽게 명백해질 것이다.

도 1 과 도 2 등에 관하여, 본 발명의 압력 측정 장치(10)(pressure meas- uring device)의 선호되는 실시예의 도식적인 설계(layout)를 설명한다. 펄스-형(型) 광 신호(14)를 생성시키고, 펄스-형 광 신호(14)를 광전송 케이블(16)(light transmitting cable)로 방출하는 레이저 광원(12)(laser light source)을 압력 측정 장치(10)는 포함한다. 레이저 광원(12)에 연결된 펄스-형(型) 광 신호(14) (pulsed light signal)를, 광섬유 케이블과 같은 광전송 케이블(16)을 따라서 전송한다. 본 발명의 선호되는 실시예에서, 광전송 케이블(16)은 단 하나의 광섬유로써 형성된다. 하지만, 광전송(optical transmission)의 당해 기술 종사 업자 다른 비슷하게 광학적으로 전송하는 케이블을 이용하는 것을 이해할 것이다. 레이저 광원(12)이 분포 귀환형(DFB, distributed feedback) 반도체 레이저 또는 비슷한 광원인 것을 선호한다. 펄스-형 광 신호(14)는 1.3 내지 1.55 마이크론 사이의 파장을 가지는 것을 선호하고, 상기 파장에서 펄스-형 광 신호(14)는 낮은 전송 손실(trans- mission loss)과 유연성(flexibility) 등을 가지기 때문이다. 하지만, 비슷한 특징을 가지는 다른 파장을 또한 이용할 수 있다.

광전송 케이블(16)을 통하여 움직이는 펄스-형 광 신호(14)의 적어도 하나의 부분(20)으로 갈라질 목적으로, 광결합기(18)(optical coupler)는 광전송 케이블(16)에 연결된다. 또 다른 섬유를 통하여 움직이는 광에서 광을 분기시키는, 어떤 형(型)의 퓨즈가 있는 섬유 결합기(fused fiber coupler)를 광결합기(18)는 포함한다. 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)(branched off portion)을 두 개의 독립적인 섬유 채널(21a, 21b)(independent fiber channel) 등으로 균일하게 나눌 목적으로, 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)(branched off portion)을 광 스플리터(19)(optical splitter)를 통하여 통과시킨다. 광 스플리터(19)는 두 방향으로 도통(導通) 가능한 3 데시벨 결합기를 포함하며, 광 스플리터(19)는 Y 결합기 또는 3 데시벨 스플리터 등으로 공지되어 있으며, 단 하나의 표준적인 섬유로 만들어진다. 광 스플리터(19)는 두 개의 분리된 출력(21a, 21b)(separate output)을 가지며, 각각은 광 스플리터(19)에 공급되는 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)의 반(半)을 수신한다. 광학 압력 센서(22)(op- tical pressure sensor)는 광 스플리터(19)와 그 출력(21a) 등을 통하여 광결합기(18)에 연결되며, 여기서 출력 신호(21a)는 광학 압력 센서(22)(optical pressure sensor)로 전송된다.

광학 압력 센서(22)는, 1991 년 트랜스듀서('91 transducer)(91 Int. Conf. Solid State Sens. Actuators, International Conference on Solid State Sensors and Actuators, 1991 년 1 월 24 - 28, 캘리포니아, 샌프랜시스코, IEEE cat. n. 91CH2817-5, 페이지 682-684)에서 출판된 B Halg 에 의한 간섭계 광학 읽기를 갖춘 실리콘 압력 센서(A Silicon Pressure Sensor With An interferometric Readout) 란 논문에서 발표된 형(型)의 컴팩트 파브리-페로 광학 압력(compact Fabry-Perot optical pressure)인 것을 선호한다. 압력에 민감한 반사하는 실리콘 마이크로-막(膜)(pressure-sensitive reflective silicon micromenbrane)과 고정된 부분적으로 투명한 거울(mirror) 등의 사이에서 다양한-간격을 가지는 파브리-페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)를, 광학 압력 센서(22)는 포함한다. 광학 압력 센서(22)로 전송되는 출력 신호(21a)는 고정된 거울을 통하여 간격(gap)으로 움직이며, 실리콘 마이크로-막(膜)의 뒤쪽에서 출력 신호(21a)는 간격(gap)으로 반사되며, 부분적으로 투명한 거울을 통하는 간섭계에서 출력 신호(21a)는 나간다. 출력 신호(21a)는 광학 압력 센서(22)에서 존재하는 간격(gap)에서 이 신호 자체에서 간섭하며, 여기서 간섭은 사인 곡선(sine curve)으로 일어나고, 간섭의 위상은 반사 표면 등의 사이에서 간격(gap)으로써 제어된다. 그러므로, 신호 간섭의 양은 반사 표면 등의 사이에서 간격(gap)의 너비에 의존한다. 간격(gap)의 너비는 실리콘 마이크로-막(膜)의 움직임으로써 다양하며, 이 막의 위치는 마이크로-막(膜)에서 작동하는 압력의 함수이다. 또한 출력 신호(21a)에서 일어나는 간섭의 위상은 광학 압력 센서(22)에서 작동하는 압력의 함수이다. 도 3 에서 보여지듯이 출력 신호(21a)의 간섭되는 부분(24)(interfered portion)은 광학 압력 센서(22)의 바깥쪽으로 광 스플리터(19)로 반사되며, 여기서 간섭되는 부분(24)은 압력 표시 신호(pressure indicating signal)이다. 경사형(graded index, GRIN) 로드(rod) 또는 다른 비슷한 렌즈(lens)는, 섬유에서 광학 압력 센서(22)로 또는 섬유에서 다시 섬유로 광의 효율적인 결합을 공급하는 광학 압력 센서(22)의 앞에 설치함으로써, 출력 신호(21a)와 그 간섭되는 부분(24) 등은, 각각이 광학 압력 센서(22)로 들어가고 나갈 때, 경사형(graded index, GRIN) 로드(rod)를 통과한다.

광 스플리터(19)에 의하여 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)(branched off portion)에서 분리되는 출력 신호(21b)는, 광 스플리터(19)에 연결된 압력 무반응 반사기(26)(pressure insensitive reflector)에 공급된다. 압력 무반응 반사기(26)는, 출력 신호(21b)와 실질적으로 같은 기준 신호(28)(reference signal)를, 그러므로 출력 신호(21a)를 다시 광 스플리터(19)로 반사시킨다. 압력 무반응 반사기(26)는 고정된 엔드 거울 또는 다른 비슷한 광 반사 장치 등을 포함한다. 압력 표시 신호(24)(pressure indicating signal)와 기준 신호(28)(reference signal) 등은 다시 광 스플리터(19)로 반사되며, 여기서 한 쌍의 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)(non-overlapping pulsed signal)로써 서로 결합된다. 출력 신호(21a)와 출력 신호(21b) 등의 움직이는 경로의 거리는 정합하지 않으며, 그래서 압력 표시 신호(24)보다 기준 신호(28)가 광 스플리터(19)로 다시 반사되는 것이 더 길다. 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)(non-overlapping pulsed signal)의 쌍은 광결합기(18)를 통하여 전파되며, 광전송 케이블(16)로 전파된다.

펄스-형 광 신호(14)의 쌍과는 달리, 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)의 쌍은 반대 방향으로 광전송 케이블(16)을 따라서 가로지를 것이며, 여기서 도 3 에서 보여지듯이, 레이저 광원(12)을 향하여 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)의 쌍은 움직일 것이다. 다양한 신호의 전파 방향은 도 2 와 도 3 등에서 보여지는 방향의 화살표에 의하여 가리켜진다. 광결합기(18)와 비슷하게 광결합기(31)( optical coupler)는 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)의 쌍으로 갈라지며, 수신하는 광 신호의 강도를 측정할 목적으로 포토다이오드나 다른 비슷한 장치 등과 같은 신호 탐지기(32)(signal detector)에 신호의 쌍(30)을 공급한다. 광전송 케이블(16)을 통하여 움직이는 신호/기준 신호 쌍(30)(signal/reference signal pair)을 가리키는 압력을 신호 탐지기(32)는 수신하며, 수신하는 신호의 강도를 결정하고, 신호 탐지기(32)에 붙어 있는 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치(CPU) 또는 비슷한 장치 등과 같은 처리 장치(34)(processing device)에, 일치하는 출력 신호를 공급한다. 광학 압력 센서(22)에서 작동하는 압력을 결정할 목적으로, 기준 신호(28)에 대하여 압력 표시 신호(24)의 비(比)를 생성시키는 것에 의하여, 수신하는 압력 표시 신호(24)(received pressure indicating signal)의 강도와 회복된 기준 신호(28)(retrieved reference signal)의 강도 등을 처리 장치(34)는 비교한다. 측정된 압력을 결정할 목적으로, 비(比)로써 결정된 신호는 처리 장치(34)에 기억된 미리-결정된 값과 비교할 수 있다. 처리 장치(34)는 포개어지지 않는 펄스-형 신호(30)의 다수의 쌍을 수신하고, 예를 들면 시간에 대하여 수신한 신호(30)를 합체하는 것에 의하여 측정된 압력에 대한 평균값을 얻는다. 평균값은 측정된 압력에서 적은 편차를 설명하기 때문에, 이것은 각각의 광학 압력 센서(22)에서 측정된 압력 값에 대하여 좀 더 정확한 값을 얻게 한다.

상기에서 기술(記述)되었듯이, 광학 압력 센서(22)에서 반사된 압력 표시 신호(24)는 광학 압력 센서(22)에서 작동하는 압력의 함수이며, 여기서 광학 압력 센서(22)에서 일어나는 분기 부분(20)의 출력 신호(21a)의 간섭 위상은, 광학 압력 센서(22)에서 반사 표면 등의 사이에서 간격(gap)의 다양성에 의존한다. 펄스-형 광 신호(14)는 광학 압력 센서(22)로 전파하고, 사인 곡선(sine curve)으로써 광학 압력 센서(22)의 밭쪽으로 반사되는 압력 표시 신호(24)의 강도는 간격에 있어서 다양하다. 간격(gap)의 너비 또는 출력 신호(21a)의 파장 등에 의존하면서, 광학 압력 센서(22) 내(內)에서 반사하는 출력 신호(21a)는 자체 내(內)에서 덧붙여지거나 또는 파괴되면서 간섭한다. 광학 압력 센서(22)의 밭쪽으로 반사되는 압력 표시 신호(24)의 강도를 측정하는 것에 의하여 출력 광 신호(21a)에서 간섭의 위상은 결정될 수 있으며, 이것은 간격(gap)의 너비 또는 교대로 광학 압력 센서(22)에서 작동하는 압력 등을 결정하게 한다.

광학 압력 센서(22)로 들어가는 분기 부분(20)의 강도를 비교하면서, 광학 압력 센서(22)에서 빠져나가는 압력 표시 신호(24)의 강도를 정확하게 결정할 목적으로, 압력 무반응 반사기(26)(pressure insensitive reflector)는 광학 압력 센서(22)에 의하여 수신되는 출력 신호(21a)와 실질적으로 같은 기준 신호(28)를 반사한다. 압력 표시 신호(24)와 기준 신호(28) 등을 비교하는 것에 의하여, 일반적으로 큰 거리에 대하여 전송되는 신호에 영향을 미치는 손실(loss)과 잡음(noise) 등은 벌충된다. 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)은 광학 압력 센서(22)와 반사기(26) 등에서 둘 다에 각각 전송되는 출력 신호(21a)와 출력 신호(21b) 등으로 동일하게 분리되기 때문에, 광전송 케이블(16)로 다시 반사되는 압력 표시 신호(24)와 기준 신호(28) 등은, 펄스-형 광 신호(14)의 분기 부분(20)에 의하여 입게 되는 같은 손실에 지배된다. 비슷하게 압력 표시 신호(24)와 기준 신호(28) 등은 신호 탐지기(32)로 다시 반사되는 것과 같은 손실과 잡음을 입게 된다. 그러므로, 압력 표시 신호(24)의 강도를 측정하기 위한 더 정확한 방법에 대하여 허용되며, 기준 신호(28)와 관계 있는 압력 표시 신호(24)를 따라서 전파되는 기준 신호(28)의 이용은, 전송 잡음과 손실 등을 설명하는 것에 의하여 펄스-형 광 신호(14)의 강도에서 적은 변화를 측정하는 기능을 제공한다.

도 1 내지 도 3 등에서 보여지듯이, 광전송 케이블(16)을 따라서 다수의 위치에서 다수의 압력을 측정할 목적으로, 광학 압력 센서(22)의 어레이를 이용할 수 있다. 본 발명의 상기 실시예에서, 다양한 위치에서 펄스-형 광 신호(14)의 적어도 한 부분으로 갈라질 목적으로, 다수의 광결합기(18)는 서로에 대하여 멀리 일정하게 떨어진 다양한 위치에서 광전송 케이블(16)에 붙어있다. 광전송 케이블(16)을 따라서 그리고 광학 압력 센서(22)의 어레이를 통하여 펄스-형 광 신호(14)의 전파는, 도 2 내지 도 3 등에서 설명되고 있다. 다수의 광결합기(18) 등에서 각각은 광 스플리터(19)(optical splitter), 광학 압력 센서(22)(optical pressure sensor) 및 압력 무반응 반사기(26)(pressure insensitive reflector) 등을 포함함으로써, 포개어지지 않는 신호(30a, 30b, 30c 외(外) 기타 등등)(non-overlapping signal)의 다수의 쌍은 광전송 케이블(16)로 다시 반사된다. 포개어지지 않는 신호(30a, 30b, 30c 외(外) 기타 등등)의 다수의 쌍은 처리 장치(34)로 전파되며, 여기서 비(比)로 만든 신호는 각각의 신호 쌍(30a, 30b, 30c 외(外) 기타 등등)에 대하여 결정된다. 기준 신호(28)의 이용은 전파 잡음과 손실을 설명하기 때문에, 상기에 의하여 압력 센서의 위치에 독립적으로 압력 측정을 얻게 한다.

포개어지지 않는 신호(30a, 30b, 30c 외(外) 기타 등등)의 다수의 쌍은 펄스-형(型) 리턴 신호(36)(pulsed return signal)로써 시분할 다중화(time-division multiplexed)됨으로써, 신호(30)의 각각의 쌍은 서로에 대하여 간섭하고 있는 신호(30a, 30b, 30c)의 쌍이 없이 단 하나의 광섬유에서 회복될 수 있다. 그러므로, 종래의 압력 센서 어레이에서 종종 필요하였듯이, 다양한 센서에서 각각의 압력 측정을 얻을 목적으로, 다양한 센서에서 출력은을 변조시킬 필요가 없다. 더욱이 본 발명에서 이용되는 신호의 시분할 다중화(time-division multiplexing)는, 단 하나의 펄스-형 광 신호(14)를 전송하게 하고, 단 하나의 섬유를 따라서 포개어지지 않는 신호(30)의 다수의 쌍을 돌려보내게 한다. 그러므로, 다수의 섬유는 필요하지 않고, 종래에는 분리된 섬유를 각각의 압력 센서에 연결할 필요가 있었다.

펄스-형 광 신호(14)는 2-3 ㎓ 의 선너비(linewidth)를 가지는 것이 최적이다. 너무 좁은 선너비는 편광(polarization)의 문제를 일으키지만, 너무 큰 선너비는 펄스-형 광 신호의 편광을 없앤다. 하지만, 너무 넓은 선너비는 잡음 때문에 바람직하지 않다. 펄스-형 광 신호(14)는 되도록 편광 무반응(polarization insensitive)이어야 하며, 펄스-형 광 신호(14)가 그 원(原)에서 나올 때, 광 신호의 편광을 뒤섞을 수 있는 펄스 섞기 장치(15)(pulse scrambling device)를 통하여 펄스-형 광 신호(14)를 통과시킨다. 편광 섞기 장치(15)에 의하여 광 신호(14)의 편광을 없애는 기술(技術)을 이용한다. 예를 들면, 편광 섞기 장치(15)(polari- zation scrambling device)는 광 신호(14)를 두 개의 대략적으로 동등한 진폭을 가지는 직각으로 선형으로 편광시킨 신호로 나누고, 상기 두 개의 신호 사이에서 부정합(mismatch)을 가지는 분리된 경로를 따라서 광 신호를 통과시킴으로써, 광 신호의 직각 성분은 서로에 대하여 지연된다. 두 개의 신호는 분리된 경로의 끝에서 결합되며, 이 두 신호는 서로에 대하여 비-간접성(incoherence)이고, 부정합으로 결합된 신호는 광 신호(14)의 편광을 뒤섞는다. 편광 섞기 장치(15)는 편광 유지(polarization maintaining, PM) 간섭계를 이용하며, 편광 섞기 장치(15)로 들어가는 광 신호(14)는 편광 유지 결합기(PM coupler)를 이용하면서 두 개의 신호로 나누어진다. 두 개의 부정합 편광 유지 다리(mismatched PM fiber legs)를 따라서 두 개의 신호는 각각 전송된다. 광 신호(14)는 예를 들면, 편광 유지 섬유의 빠른 축(fast axis)을 따라서 편광될 것이고, 부정합된 편광 유지 섬유 간섭계 다리(mismatched PM fiber interferometer leg)에서 입력 편광 유지 결합기(input PM coupler)는 각각 두 개의 분리된 신호로 광(光)을 편광시키는 상기 빠른 축의 동일 크기의 진폭을 전송한다. 입력 편광 유지 결합기와 출력 편광 유지 결합기 등의 사이에서, 부정합된 편광 유지 섬유 간섭계 다리의 하나는 꼬아 이음(splice)을 포함하며, 이 스플라이스 점에서 전송 축에 대하여 90 도로 섬유 방향은 회전한다. 상기 간섭계의 다리에서, 편광 유지 섬유의 느린 축(slow axis)을 따라서 편광시킨 출력 결합기에 광을 공급한다. 그 다음에 출력 결합기는 빠른 그리고 느린 축을 따라서 편광시킨 광의 동일 진폭을 결합한다. 서로에 대하여 직각으로 편광될 뿐 아니라 상기 두 개의 신호는 서로에 대하여 부정합일 것이며, 두 개이 섬유 사이에서 경로 부정합이 충분히 크다. 그 다음에 광은 편광이 없어진다.

두 개의 편광 유지 섬유 간섭계 다리 등의 사이에서 부정합은 신중하게 결정해야만 한다. 펄스-형 광 신호(14)의 길이와 빠르게 비교함으로써, 신호가 간섭계에서 나올 때, 신호는 전체적으로 거의 포개어진다. 레이저 광원의 선너비는 상기 부정합(mismatch)에서 간섭성(coherence)을 잃을 정도로 넓어야만 한다. 본 발명의 선호되는 실시예에서, 몇 ㎓ 의 선너비는 편광 제어의 방법과 양립하기 때문에, 레이저 광원에 대하여 펄스-형 분포 귀환형 레이저를 이용한다.

각각의 광결합기(18)에서 갈라지는 펄스-형 광 신호(14)의 양은, 어레이의 길이와 어레이를 포함하는 광학 압력 센서(22)의 숫자 등에 의존하면서 다양하게 제어될 수 있다. 이것은 각각의 광학 압력 센서에서 돌아오는 압력 표시 신호(24)를 등화(等化)하게 한다. 더욱이, 광학 압력 센서(22)가 교환할 수 있게 설치되게 하는 것이 바람직하다면, 각각의 광결합기에서 분기되는 펄스-형 광 신호의 부분(20)이 1/N 과 같으며, 여기서 N 은 이용되는 광학 압력 센서(22)의 숫자이다. 본 발명의 압력 측정 장치(10)(pressure measuring device)는 어떠한 숫자의 광학 압력 센서(22)를 다룰 수 있으며, 1 내지 100 의 어떠한 장소에서도 광학 압력 센서(22)를 광전송 케이블(16)과 같은 단 하나의 섬유로써 이용할 수 있다.

본 발명의 압력 측정 장치(10)(pressure measuring device)는 다양한 위치에서 압력을 측정하는 광학 특성을 이용한다. 그러므로, 각각의 광학 압력 센서(22)에 전기는 공급될 필요는 없기 때문에, 단지 하나의 광섬유는 광학 압력 센서(22)에 붙어 있을 필요가 있다. 또한 본 발명의 압력 측정 장치(10)(pressure mea- suring device)는 모든 비(非)-음향 성분(non-acoustic element)을 이용하며, 이것은, 압력 센서에서 작동하는 음향학(acoustics)에 독립적으로, 압력 측정에 대한 음향 장치에서 압력 측정 장치(10)(pressure measuring device)를 이용하게 한다.

상기에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따라서 형성된 비(非)-음향이고 광학인 압력 센서의 어레이는, 단 하나의 광섬유를 이용하면서 다수의 위치에서 압력을 측정할 수 있는 컴팩트하고, 비용 효과적이고, 비(非)-전기 압력 측정 장치를 만들 수 있다. 게다가, 본 발명에 따라서 비(非)-음향이고 광학인 압력 센서의 어레이를 형성하는 것에 의하여, 긴 거리에서 광 신호를 전송하는 것과 관계 있는 잡음과 손실을 설명하기 위하여, 압력 신호를 따라서 전송된 기준 신호를 이용하는 것에 의하여 압력에 있어서 적은 변화에 민감한 정확한 압력 측정은 만들어진다.

상기 실시예의 각각에 있어서, 본 발명에서 압력 측정 장치(10)의 다른 위치와 구조를 실시예의 각각에서 분리하여 기술(記述)하고 있다. 하지만, 여기에서 기술(記述)된 각각 실시예의 분리된 양상은, 여기에서 기술(記述)된 다른 실시예와 결합될 수 있다는 것이 본 발명 발명자의 완전한 의도이다. 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 방금-기술(記述)된 선호되는 실시예의 다양한 적용과 변경 등은 구성될 수 있음을, 당해 기술(技術) 종사 업자는 인정할 것이다. 그러므로, 덧붙여진 청구항의 범위 내(內)에서, 특별하게 여기에서 기술(記述)된 것 외(外)에 본 발명을 연습할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

광학(optical)이고 비(非)-음향(non-acoustic)인 압력 센서(pressure sensor )를 이용하는 압력 측정 장치(pressure measuring device)에 있어서,

펄스-형(型) 광 신호(pulsed optical signal)를 생성하기 위한, 레이저 광원(laser light source) ;

상기 펄스-형 광 신호를 전송하기 위한, 상기 레이저 광원에 연결된 광전송 케이블(light transmitting cable) ;

제 1 출력 신호와 제 2 출력 신호 등으로 상기 펄스-형 광 신호를 동등하게 나누기 위한, 상기 광전송 케이블에 연결된 광 스플리터(optical splitter) ;

상기 제 1 출력 신호를 수신하고, 상기 광 스플리터를 통하여 상기 광전송 케이블로 압력 표시 신호(pressure indicating signal)를 다시 반사하기 위한, 상기 광 스플리터에 연결된 광학 압력 센서(optical pressure sensor) ;

상기 제 2 출력 신호를 수신하고, 상기 광 스플리터를 통하여 상기 광전송 케이블로 기준 신호(reference signal)를 다시 반사하기 위한, 상기 광 스플리터에 연결된 압력 무반응 반사기(pressure insensitive reflector) ;

상기 광전송 케이블에서 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등을 수신하기 위한, 신호 수신 수단(signal receiving means) ;

상기 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정할 목적으로 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등을 비교하기 위한, 상기 신호 수신 수단에 연결된 압력 결정 수단(pressure determining means) 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 1 항에 있어서, 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 쌍으로써 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등을, 상기 광결합기를 통하여 상기 광전송 케이블로 반사하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원이 분포 귀환형(DFB, distributed feedback) 레이저이고, 상기 펄스-형 광 신호는 1.5 또는 1.3 마이크론(micron)의 파장에서 생성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 1 항에 있어서, 상기 광학 압력 센서는 파브리-페로(Fabry-Perot) 광학 압력 센서인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 4 항에 있어서, 상기 파브리-페로(Fabry-Perot) 광학 압력 센서는, 압력에 민감한 움직일 수 있는 실리콘 거울과, 상기 거울에서 반사된 신호 등의 사이에서 신호 간섭이 일어나게 되는 간격(gap)을 가지는 고정되고 부분적으로 투명한 거울 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 1 항에 있어서, 상기 압력 무반응 반사기는 고정된 엔드 거울(fixed end mirror)인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 1 항에 있어서, 상기 광전송 케이블은 단 하나의 광섬유(single mode optical fiber)인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
광학(optical)이고 비(非)-음향(non-acoustic)인 압력 센서(pressure sensor )의 어레이(array)를 가지는 압력 측정 장치(pressure measuring device)에 있어서,

펄스-형(型) 광 신호(pulsed optical signal)를 생성하기 위한, 레이저 광원(laser light source) ;

상기 펄스-형 광 신호를 전송하기 위한, 상기 레이저 광원에 연결된 광전송 케이블(light transmitting cable) ;

상기 광결합기의 각각에서 상기 광전송 케이블에서 상기 펄스-형 광 신호의 적어도 하나의 부분으로 갈라지기 위한, 상기 광전송 케이블에 연결된 다수의 광결합기(optical coupler) ;

상기 펄스-형 광 신호의 상기 분기 부분(branched off portion)을 수신하고, 다시 상기 광결합기로 압력 표시 신호(pressure indicating signal)를 반사하기 위한, 광결합기에 연결된 광학 압력 센서를 가지는 각각의 다수 상기 광결합기 ;

여기서, 상기 광전송 케이블을 따라서 다양한 위치에서 압력을 측정할 목적으로, 상기 광학 압력 센서는 서로에 대하여 멀리 떨어진 광학 압력 센서의 어레이를 형성하며 ;

여기서, 상기 광학 압력 센서의 각각에서 상기 압력 표시 신호는, 상기 광결합기를 통하여 상기 광전송 케이블로 움직이며 ;

상기 광전송 케이블에서 상기 압력 표시 신호를 수신하기 위한, 신호 수신 수단(signal receiving means) ; 그리고

상기 수신한 압력 표시 신호에서 상기 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정하기 위한, 상기 신호 수신 수단에 연결된 압력 결정 수단(pressure determining means) 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 8 항에 있어서,

상기 펄스-형 광 신호의 상기 분기 부분(branched off portion)을 반으로 동등하게 제 1 출력 신호와 제 2 출력 신호 등으로 나누기 위하여, 상기 다수의 광결합기의 각각에 연결된 광 스플리터(optical splitter) ;

상기 제 2 출력 신호를 수신하기 위하여, 그리고 상기 광 스플리터를 통하여 상기 광결합기를 통하여, 상기 광전송 케이블로 기준 신호를 다시 반사하기 위하여, 상기 광 스플리터의 각각에 연결된 압력 무반응 반사기 등을 포함하고,

상기 제 1 출력 신호를 수신하기 위하여, 그리고 상기 광 스플리터를 통하여 상기 광결합기를 통하여, 상기 광전송 케이블로 상기 압력 표시 신호를 다시 반사하기 위하여, 상기 각각의 광학 압력 센서는 상기 광 스플리터에서 하나의 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 9 항에 있어서, 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 쌍으로써 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등이 상기 광결합기를 통하여 상기 광전송 케이블로 움직이며 ; 상기 신호 수신 수단(signal receiving means)은 이와 관계 있는 압력 표시 신호를 따라서 상기 기준 신호의 각각을 수신하며 ; 그리고,

상기 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정하기 위하여, 상기 압력 결정 수단(pressure determining means)은 상기 압력 표시 신호와 이 수단과 관계 있는 기준 신호를 비교하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 10 항에 있어서, 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 상기 쌍은 시분할 다중화(time-division multiplex)함으로써, 포개어지지 않는 펄스-형 신호의 상기 쌍은 서로에 대한 간섭 없이 단 하나의 광섬유를 따라서 보내지는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 8 항에 있어서, 상기 레이저 광원이 분포 귀환형(DFB, distributed feedback) 레이저이고, 상기 펄스-형 광 신호는 1.5 또는 1.3 마이크론의 파장에서 생성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 8 항에 있어서, 상기 광학 압력 센서는 파브리-페로(Fabry-Perot) 광학 압력 센서인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 13 항에 있어서, 상기 파브리-페로(Fabry-Perot) 광학 압력 센서는, 압력에 민감한 움직일 수 있는 실리콘 거울과, 상기 거울에서 반사된 신호 등의 사이에서 신호 간섭이 일어나게 되는 간격(gap)을 가지는 고정되고 부분적으로 투명한 거울 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
제 8 항에 있어서, 경사형(graded index, GRIN) 로드(rod)는, 상기 광전송 케이블과 상기 광학 압력 센서 등의 사이에서 광의 효율적인 결합에 효과를 주는 각각의 광결합기에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치(pressure measuring device).
비(非)-전기 광학 압력 센서(non-electrical optical pressure sensor)를 이용하면서 먼 위치에서 압력을 측정하는 방법에 있어서,

레이저 광원(laser light source)에서 펄스-형(型) 광 신호(pulsed optical signal)를 생성하는 단계 ;

상기 레이저 광원에 연결된 광전송 케이블(light transmitting cable)을 통하여 상기 펄스-형 광 신호를 전송하는 단계 ;

상기 광전송 케이블에서 상기 펄스-형 광 신호의 적어도 하나의 부분으로 갈라지는 단계 ;

상기 펄스-형 광 신호의 상기 분기 부분(branched off portion)을 반으로 동등하게 제 1 신호와 제 2 신호 등으로 나누고, 상기 제 1 신호와 제 2 신호 등을 광학 압력 센서와 압력 무반응 반사기 등으로 각각 공급하는 단계 ;

여기서, 상기 광학 압력 센서는 압력 표시 신호를 다시 상기 광전송 케이블에 반사하고, 상기 압력 무반응 반사기는 기준 신호를 다시 상기 광전송 케이블로 다시 반사하며 ;

상기 광전송 케이블에서 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등을 수신하는 단계 ; 그리고

상기 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정할 목적으로 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호를 비교하는 단계 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력을 측정하는 방법.
제 16 항에 있어서, 포개어지지 않는 펄스-형 신호(non-overlapping pulsed signal)의 쌍으로써의 상기 압력 표시 신호와 상기 기준 신호 등을 상기 광전송 케이블로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 광전송 케이블을 따라서 다수의 위치에서 상기 광전송 케이블에서 상기 펄스-형 광 신호의 적어도 하나의 부분으로 갈라지는 단계 ;

각각의 광학 압력 센서에 그리고 각각의 압력 무반응 반사기에 상기 펄스-형 광 신호의 상기 분기 부분(branched off portion) 각각을 공급하는 단계 ; 여기서, 각각의 광학 압력 센서/압력 무반응 반사기 등의 쌍은, 포개어지지 않는 펄스-형 신호의 쌍으로써 압력 표시 신호와 기준 신호 등을 다시 상기 광전송 케이블로 반사하며 ;

상기 광전송 케이블에서 포개어지지 않는 펄스-형 신호 리턴(non- overlapping pulsed signal return)의 상기 쌍을 수신하는 단계 ;

상기 광학 압력 센서에서 작동하는 압력을 결정할 목적으로, 상기 압력 표시 신호와 상기 각각의 기준 신호를 비교하는 단계 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력을 측정하는 방법.
제 18 항에 있어서, 서로에 대하여 간섭 없이 상기 광전송 케이블을 따라서 펄스-형 신호 리턴의 상기 쌍을 전송할 목적으로, 포개어지지 않는 펄스-형 신호 리턴(non-overlapping pulsed signal return)의 상기 쌍을 시분할 다중화(time-division multiplex)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.