KR19990014765A - 광섬유 세기-변조 센서의 보상 및 상태 모니터 장치 - Google Patents
광섬유 세기-변조 센서의 보상 및 상태 모니터 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 광섬유 세기 변조 센서용의 보상 모니터 기술 및 장치는 광세기의 자동조절을 제공하여 바람직하지 않은 환경 또는 처리 조건에 있는 광섬유 센서의 계속되는 측정을 유지시키도록 한다. 이들 바람직하지 않은 조건들은 섬유 구부림(밴딩), 광학적 코넥터의 열적, 기계적 불안정, 센서의 과도한 온도, 그리고 광원(10)(가령 발광다이오드(LED)), 탐지기(12)(가령, PIN 광다이오드) 및 광섬유 사이의 광학적 커플링 변화와 같은 인자들로 부터 일어난다.
광세기 정상화를 통해서, 계속되는 또는 간헐적인 LED 전류의 관찰에 의해 눈금이 정해진 센서 출력과 센서 모니터링을 가능하게 한다.
Description
마이크로밴드 센서에서, 측정된 파라미터는 광 섬유 섹션에서의 스트레스 또는 마이크로밴드 변형을 가하므로써 광선 세기를 변경시킨다. 이와같은 센서는 본원 출원인중 한 사람에게 특허된 미국특허 제 5,421,195 호에서 설명된다. 다이아프램 센서에서, 플렉싱 다이아프램에 의해 반사된 광선은 측정된 파라미터에 비례하여 변경된다. 이와같은 센서는 미국특허 제 5,390,546 호에서 공개된다.
세기가 변조된 센서들은 튼튼하고 가격이 저렴하지만 환경과 처리 인자들에 의해 영향을 받을 수 있고 이같은 영향은 다시 센서의 오류를 일으킬 것이다. 이들 바람직하지 않은 인자들은 섬유 밴딩(구부림), 광학적 연결자의 연적, 기계적 불안정, 고온에 광섬유가 노출됨으로 인한 광학적 변화, 광학적 소스(가령 발광 다이오드(LED)), 탐지기(가령 PIN 광다이오드) 및 광 섬유사이의 광 결합 효율 변화, LED 와 광다이오드에의 분리된 온도 영향 또는 이들 컴포넌트의 에이징 등을 포함한다.
환경 및 처리 오류에 대하여 세기-변조 센서의 민감성을 줄이기 위해 보상 기술 또는 장치가 과거에 보고되어 왔다. 종전의 보고서는 마이크로밴드와 다이아프램 타입 센서 모두를 위한 이중파장, 멀티-섬유 및 보상 기술 시간을 설명한다.
종전의 기술 및 장치는 값비싸고 복잡하며 따라서 산업적인 제어응용에 목적을 둔 저가 센서에 적합하지 않다.
본 발명은 광섬유 센서에 대한 것이며, 특히 마이크로밴드 및 다이아프램 식의 센서와 같은 세기가 변조된 광섬유 센서에 대한 것이다. 이를 장치들은 압력과 같은 측정된 파라미터의 변경에 대하여 광섬유에 의해 전송된 광 세기의 변경과 관련된 원리로 동작한다.
도 1 은 광 섬유 세기-변조 센서에 대한 적절한 보상 및 상태 모니터 장치의 개략적 블록 도표.
도 2 는 기준 광 탐지기가 추가된 모니터 장치의 개략적 블록 도표.
도 3 은 기준 LED 가 추가된 모니터 장치의 개략적 블록 도표.
* 부호설명
10 ... 광원(광 소스)(LED) 12 ... 탐지기
14 ... LED 구동회로(전자회로) 16, 18 ... 오프셋 필터링과 이득
20 ... 센서 출력신호 22 ... 최소값 탐지
26 ... 기준 탐지기(광 탐지기) 28 ... 측정 LED
30 ... 측정 광 다이오드 34 ... 기준(피이드백) 광 다이오드
본 발명은 광섬유 세기 변조 센서용의 보상 모니터 및 장치에 대한 것이다. 일반적으로 본 발명의 기술 및 장치는 광 세기의 자동조절을 제공하여 바람직하지 않은 환경 또는 처리 조건에 있는 광섬유 센서의 계속되는 측정을 유지시키도록 한다. 이들 바람직하지 않은 조건들은 섬유 구부림(밴딩), 광학적 코넥터의 열적, 기계적 불안정, 센서의 과도한 온도, 그리고 광학 소스(광원)(가령 발광다이오드(LED)), 탐지기(가령, PIN 광다이오드) 및 광 섬유사이의 광학적 커플링 변화와 같은 인자들로 부터 일어난다.
광세기 정상화를 통해서, 계속되는 또는 간헐적인 LED 전류의 관찰에 의해 눈금이 정해진 센서 출력과 센서 모니터링을 가능하게 한다. 새로운 기술 및 장치는 앞서 개발된 더욱더 비싸고 복잡한 기술에 대한 저가의 대안을 제공하며 산업적 제어응용에 특히 적합하다.
전형적인 세기가 변조된 광섬유 센서 시스템이 인터페이스/모니터 유닛으로 광 연결자를 통해 연결된 바의 센서를 포함한다. 이같은 센서는 하나나 둘이상의 광섬유로 구성될 수 있다. 상기 인터페이스/모니터 유닛은 하나 또는 둘이상의 다중 광 소스 및 광 탐지기로 구성되며, 선택에 따라 광학 연결자를 포함한다. 다음의 설명은 단일 광섬유 센서에 대한 것이며, 이같은 광섬유 센서는 센서 인터페이스 내에 광섬유 결합기를 사용한다.
보상을 받지 못한 세기 변조 광섬유 센서에서는 광 처리량 변화가 오프셋과 민감도 오류를 일으키게 된다. 압력의 정적인 측정의 경우에, 상기 센서 오류등은 중요하다. 동적인 측정의 경우, 오프셋 오류를 중요하지 않으나 센서에서의 이득 변화를 나타낸다.
하기에서 설명되는 본 발명의 첫 번째 두 실시예는 동적인 센서 시스템에 적용되며, 오프셋 오류는 제로로되어 센서 시스템에 일정한 이득 인자를 일으키도록 한다. 세 번째 실시예는 압력의 정적인 측정에 적용되며, 이때 두 센서 시스템 민감도와 오프셋은 중요할 수 있다.
광섬유 센서 시스템의 단일 광 소스와 단일 탐지기를 사용하는 기본적인 인터페이스/모니터 유닛에 대한 기능적 블록도가 도 1 에서 도시된다. 상기 유닛은 광 소스(광원)(10)(대개 LED), 탐지기(12)(대개 광다이오), 선택적 광학 결합기 그리고 관련 전자회로(14)로 이루어진다.
초기의 전원 공급시, LED(10)는 광 결합기내로 빛을 비춘다. 복귀선 광선은 탐지기(12)에서 측정되며 어떠한 오프셋(광학적이든 전기적이든)이 백그라운드 오프셋 회로(16)에 의해 제거되며, LED 세기가 변화함에 따라 오프셋의 양이 계속해서 교정된다.
오프셋은 센서가 진단 출력중 한 출력을 모니터하므로써 연결된다. 모든 패치 케이블은 전자장치에 부착되며, 제로 조절 플러그가 센서의 자리에 부착된다. 전자 보드에 설치된 전위차계는 복귀 전압이제로를 판독하도록 조절된다.
제로 조절 플러그는 센서 광 코넥터와 동일하지만 약 2 인치 길이의 광섬유가 부착된 한 광 코넥터를 포함한다. 코넥터 쇠고리 안쪽으로 연장된 광섬유 단부는 상기 센서 코넥터에서와 정확히 같은 방법으로 광택이 나게된다. 타측 광섬유 단부는 센서 광섬유를 종료시키는 상기 코넥터 쇠고리와 동일한 금속 쇠고리내측에 위치한다. 또한, 이같은 쇠고리는 센서 섬유 종류 쇠고리와 배치하도록 광택이 나게된다. 따라서 제로 조절 플러그는 말단 섬유센서 센서 광섬유로서 같은 반사 계수를 소유하도록 된다. 광택을 낸 플러그의 섬유 단부는 반사하지 않는 그리고 전송하지 않는 재료로 씌워진다. 플러그와 센서의 반사 계수가 동일한때, 센서를 각기다른 패치 케이블이 센서를 인터페이스 유닛에 연결하도록 사용되기 때문에 캘리브레이션(calibration)오류에 덜 민감할 것이다.
백그라운드가 제거된뒤에, 남아있는 신호는 제어 및 동적 출력과 같은 두 기능으로 사용된다. 회로(18)의 동적 출력 부분은 오프셋 제외, 이득 및 필터링과 같은 세가지 기능을 수행한다. 신호 컨디셔닝 이후에, 센서 출력신호(20)는 바람직한 대역폭을 가질 것이며 제로 이하로는 결코 떨어지지 않는 0-5.0볼트 동작 범위를 가질 것이다.
인터페이스/모니터 유닛의 제어부분(22)은 동적 파형의 최소 값을 측정하고 이를 유지시키며 그와같은 최소값은 공지의 기준 값(가령 500V)으로 강제된다. 이같은 실시는 LED(10)(DC 의 대역폭을 0.1Hz 로)로의 전류를 서서히 조절하므로써 달성된다. LED 구동 전류값 역시 센서의 건강 모니터와 오프셋 회로를 위해 사용된다.
센서 시스템이 도 1 의 인터페이스/모니터 유닛에 연결된때, 회로는 자동으로 LED 구동 전류를 조절하여 광 다이오드 출력 전압이 기준 전압과 동일하도록 할 것이다. 세기가 변조된 센서의 민감도는 기준 전압에 직접 비례하며 LED 전류의 조절에 의해 동작중에 계속해서 유지된다.
캘리브레이션은 광 섬유 연결이 변경되는 때에도 유지된다. 가령, 광섬유 연결자는 멀티플 재연결로 10% 또는 그 이상의 세기 전송 변화를 나타낼 것이며, 그리고 광섬유 케이블 전송은 구부림에 따라 변화할 것이다. 이같은 연결 변화가 있음에도 출력은 어떠한 사용자의 조절없이도 캘리브레이트된 채로 유지된다.
상기에서 지적한 바와같이, 센서의 건상 모니터는 LED(10)를 통해서 구동 전류를 모니터하므로써 제공된다. 정상적인 센서 동작 조건하에서 LED 전류는 대개 최대 정격의 50%이다. 센서와 광섬유 연결이 환경 및 처리 영향을 받게되는때, LED 전류는 변화된다. 가령 열이 유도된 센서가 고장을 일으키는데, 완전히 고장이 나기전에 섬유 전송 효율이 서서히 떨어진다. LED(10)를 통한 전류 변경 속도 또는 전류 크기를 모니터하므로써 전위 센서 고장이 실제 고장이 있기전에 식별될 수 있다. 인터페이스/모니터 장치의 이같은 능력은 제어장치에서 특히 중요하며 센서고장은 제어된 장치의 오기능 또는 고장을 일으킬 수 있다.
도 1 에서 도시된 인터페이스/모니터 유닛은 광섬유 커플러없이 두 개의 광섬유 센서와 함께 직접 사용될 수 있다. 한 섬유가 LED(10)로 연결되며 두 번째 섬유는 그와같은 센서 섬유에서 광 다이오드(12)로 연결된다.
보상 기술 및 장치의 두 번째 실시예에서, 두 개의 탐지기와 단일의 광원이 사용된다. 도 2 에서 도시된 바와같이, 2×2 광섬유 결합기(도시되지 않음)가 사용되며 네 번째 포트가 기준 광탐지기(26)에 연결된다. 이같은 두 번째 탐지기(26)의 추가는 광섬유 센서 시스템에 대한 향상된 세기에 대한 제어를 허용한다. 탐지기(12)(26) 모두는 뒤에 제어를 위해 사용된다. 첫 번째로 최소값(22)이 상기에서 설명한 바와같이 매우 낮은 대역폭(0.1Hz 까지의 DC)을 가지며 5.0V 의 센서 출력을 유지하도록 사용된다. 둘째로, 광탐지기(26) 출력은 더욱 넓은 대역폭 범위에 걸쳐(100Hz 또는 수 킬로(K) Hz까지의 DC) 세기 변화를 허용한다. 두 번째 광 탐지기(26)는 광섬유 론치(lannch) 연결로의 LED(10)에서 그리고 광섬유 결합기에서의 세기 파동을 정확하게 제거시킨다. 이들 세기 파동은 인터페이스/모니터 유닛에서의 빠른 온도 변화 LED(10)와 탐지기(10(26)에서의 에이징 그리고 진동에 의해 대개 발생된다.
보상기술 및 장치의 세 번째 실시예는 도 3에서 도시된 두 개의 소스와 두 개의 광탐지기를 사용한다. 탐지에서만의 동적 변화에 관련된 상기 두 기술에서와 달리, 세 번째 실시예는 측정시의 정적 변화에 관련한다. 이 세 번째 실시예는 센서가 광 경로내 어느곳에서 롱 패스(long pass) 필터와 같은 떨어져 있는 한 요소를 가진다.
상기 지적한 바와같이 미국특허 제 5,421,195 호에서는 그와같은 필터의 디자인이 소개된다. 이 필터는 필터 센서 접속용 구리줄을 패치 케이블로 연결시키는 광섬유 코넥터 표면에 배치된다. 이와같은 필터는 한 파장 Lm 광선을 전송하며 또다른 파장 Lr 광선을 반사시킨다.
3×2 광섬유 커플러가 두 Lm 과 Lr 의 LED(28) 및 (30)로 연결된 입력 포트들중 두 개와 함께 사용된다. 커플러의 세 번째 입력포트는 측정 광다이오드(32)에 연결된다. 커플러의 한 출력포트는 기준 광다이오드에 연결되며 두 번째 출력포트는 광섬유 코넥터와 함께 종료된다. 두 개의 LED(28) 및 (30)은 대부분의 시간동안 측정 LED(28)로 그리고 나머지 시간동안 LED(30)로 순서적으로 점등되므로써 시분할 멀티플렉스된다.
초기 점등(전원 공급)시, LED(28)(30) 세기는 LED 를 흐르는 전류의 크기를 조절하므로써 기준 광다이오드(34)에 의해 측정된 바대로 일정한 크기로 고정된다. 기준 광다이오드(34)로 부터의 기준 신호가 광섬유 구부림, 코넥터 안정도 또는 섬유에 대한 열영향과 같은 인수들 때문에 변경되는때, 기준 LED(30) 전류는 측정 광다이오드(32)에 의해 탐지된 상응하는 신호가 일정하게 유지되도록 조절된다. 측정 LED(28) 전류는 정확히 같은 부분으로 같은 순간에 조절된다. 이같은 조절의 영향이 보상되어질 수 파장에 대하여 공통된 광 전송 변화를 일으킬 것이다.
Claims (5)
- 광학적 광원과 광학적 광원을 위한 전자적 구동장치,광선 탐지기 및 광선 탐지기 증폭기,광선 탐지기 및 전자적 구동회로와 통시하는 백그라운드 오프셋 회로,전자적 증폭기와 백그라운드 오프셋 회로와 통하는 최소값 탐지기, 그리고전자적 구동회로 및 최소값 탐지기와 통하는 광원 크기 제어기를 포함하며,백그라운드 오프셋을 가만하여 교정된 전자적 증폭기로 부터의 동적 파형의 최소값이 공원으로의 전류를 조절하므로써 공지의 기준값으로 강제되고,백그라운드 오프셋을 가만하여 교정된 전자적 증폭기로 부터의 동적 파형이 특정 전압 범위내 동적 출력에 대하여 분리하여 조건들이 결정됨을 특징으로 하는 광섬유 센서 보상 및 모니터 장치.
- 제 1 항에 있어서, 백그라운드 오프셋 회로를 제로로 조절하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 광섬유 센서 보상 및 모니터 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제로로 조절하기 위한 수단이 광섬유 센서 대신 제로 조절 플러그를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 센서 보상 및 모니터 장치.
- 제 1 항에 있어서, 두 번째 광선 탐지기를 위한 두 번째 광선 탐지기 및 두 번째 전자적 증폭기,두 번째 전자적 증폭기, 전자적 구동회로 및 첫 번째 광원 크기 제어장치와 통하는 두 번째 광원 크기 제어장치를 포함하며,두 번째 광원 크기 제어장치가 첫 번째 광원 크기 제어장치에서 보다 넓은 대역폭에 걸쳐 세기 파동을 교정할 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서 보상 및 모니터 장치.
- 제 4 항에 있어서, 두 번째 광원 두 번째 광원을 위한 두 번째 전자적 구동회로,첫 번째와 두 번째 광원의 작동을 다중화하기 위해 각 전자적 구동회로와 통하는 한 스위치를 포함하며, 측정시 정적변화가 두 번째 광원 탐지기에 의한 탐지로 두 번째 광원의 작동에 의해 탐지될 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서 보상 및 모니터 장치.
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