KR20000018166U - 광섬유를 이용한 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 광섬유를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 한번의 트리거로 앤티-스토크스(anti-stokes)광과 스토크스(stokes)광의 신호를 동시에 받도록 하여 측정시간을 줄이도록 하고, 수광소자에 바이어스 전압을 인가함과 동시에 데이터를 취득하도록 함으로써 안정된 데이터를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것이다.

Description

광섬유를 이용한 온도 측정 장치{Temperature measuring system using optic fiber}

본 고안은 광섬유를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 한번의 트리거로 앤티-스토크스(anti-stokes)광과 스토크스(stokes)광의 신호를 동시에 받도록 하여 측정시간을 줄이도록 하고, 수광소자에 바이어스 전압을 인가함과 동시에 데이터를 취득하도록 함으로써 안정된 데이터를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것이다.

일반적인 광섬유를 이용한 온도 측정 장치를 살펴보면, 트리거 신호를 발생하고 데이터를 처리하는 프로세서 유니트(20)와, 상기 프로세서 유니트(20)에서 받은 트리거 신호에 의해 광 펄스를 생성하는 레이저 유니트(10)와, 온도를 계측하기 위한 센서로 사용되는 광섬유(40)와, 상기 광섬유(40)에서 발생하는 반사광을 분리하고 프로세서 유니트(20)로 보내는 광분파기(30)와, 광분파기에서 분리된 두 개의 광신호를 받아 전기전 신호로 변환하는 수광소자(21a,21b)와, 상기 수광소자(21a, 21b)에서 받은 미약한 신호를 증폭하는 초단 증폭기(22a, 22b)와, 두 개의 신호를 선택하고 증폭하기 위한 증폭기(23)와, 노이즈를 제거하기 위한 필터(24)와, 노이즈가 제거된 신호를 증폭하기 위한 증폭기(15)와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기(26)와, 디지털화 된 신호를 가산하기 위한 평균화 보드(17)와, 평균화 신호를 받아 데이터를 표시하기 위한 컴퓨터(50)로 구성되어 있다.

시스템의 원리는 도 1에서와 같이 프로세서 유니트(20)에서 트리거를 레이저 유니트(10)로 전송하고 레이저 유니트(10)에서 트리거 신호에 의해 수 ns의 폭을 가진 광펄스를 생성하여 도 4와 같이 광섬유에 입사시킨다.

광섬유에 입사된 광은 광섬유를 따라 진행하는 신호와 광섬유에서 반사하여 도 1의 광선유(30)로 되돌아 오는 신호가 생긴다.

여기서 반사되는 신호에는 입력파장과 같은 파장을 가진 레이리그(Rayleig) 신호와 입력파장과 다른 파장을 가진 라만(Raman) 신호가 있으며 라만 신호에는 앤티 스토크스(Anti-Stokes) 신호와 스토크스(Stokes) 신호가 있다. 앤티 스토크스, 스토크스 신호는 주위 온도에 따라 민감하게 변한다는 원리를 이용하여 온도를 측정하는 시스템이다.

따라서 이러한 종래의 시스템은 두 개의 신호를 광분파기(30)에서 분리하고 프로세서 유니트(20)에서 분리된 신호를 처리함으로써 광섬유 전 구간에 따른 온도를 구할 수 있다.

즉, 종래의 기술은 광펄스를 광섬유로 입사하여 반사되는 앤티 스토크스, 스토크스를 분파기(30)에서 분리하여 도 2의 수광소자(21a, 21b)에서 받아 초단 증폭(22a, 22b)을 한 뒤 도 2의 증폭기(23)에서 두 개의 신호중 하나를 선택하여 데이터를 취득하고, 또 광펄스를 광섬유로 입사시켜 되돌아오는 두 개의 라만신호를 광분파기에서 분리, 소광소자에서 광신호를 전기적신호로 변환한 뒤 증폭기(23)에서 취득하지 못한 나머지 하나를 취득하고 컴퓨터에서 이 두 개의 데이터를 가지고 온도 연산식에 대입하여 온도를 구한 뒤 표시하게 된다.

그러나, 이러한 종래의 기술은 두번의 트리거 신호를 보낸 앤티 스토크스광과 스토크스광의 신호를 받도록 하여 측정시간이 늘어나고, 또한 두개의 수광소자에 여러번의 바이어스 전압을 인가하여 적정 바이어스 전압을 찾은뒤 앤티 스토크스값과 스토크스 값을 얻게 되므로 온도의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.

즉, 예를 들어 두 개의 신호에 대한 데이터를 얻는 데 소요되는 시간이 10초라고 할 경우 5초동안은 앤티 스토크스 신호를 받고 나머지 5초 동안은 스토크스 신호를 받는다.

이렇게 함으로써 먼저 신호를 처리하는 앤티 스토크스 신호는 바이어스 전압을 인가함과 동시에 데이터를 받을 수 있지만 나중에 받는 스토크스 신호는 5초 전에 인가한 바이어스 전압에 대한 신호를 취득함으로써 주위 온도의 변화난 레이저 유니트(10)에서 출력되는 광펄스의 변화가 있을 경우 온도의 정확도가 낮아지는 원인이 될 수 있는 것이다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로, 종래의 기술은 두 번의 트리거 신호를 보내 Anti-Stoker광과 Stokes광의 신호를 받을 수 있지만 본 개발과 같이 설계함으로써 한 번의 트리거 신호로 Anti-Stoker광과 Stokes광을 동시에 받으므로써 종래의 기술에 대비하여 측정시간이 반으로 줄일 수 있도록 하는데 특징이 있다.

또한, 본 고안은 두개의 수광소자에 인가되는 바이어스 전압을 인가함과 동시에 신호를 받도록 하여 광섬유를 이용한 온도측정의 오차 범위를 줄일 수 있도록 하는데 그 특징이 있다.

도 1은 일반적인 광섬유를 이용한 온도 측정장치 구성도.

도 2는 종래의 광섬유 온도측정장치 프로세스 유니트 구성도.

도 3은 본 고안의 광섬유 온도측정장치 프로세서 유니트 구성도.

도 4는 광섬유를 이용한 온도 측정장치의 기본 원리도.

도 5는 본 고안의 광섬유를 이용한 온도 측정장치 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 레이저 유니트 20: 프로세서 유니트

21a, 21b: 수광소자

22a, 22b, 23a, 23b, 25a, 25b: 증폭기

24a, 24b: 필터 26a, 26b: A/D 변환기

27a, 27b: 평균화 보드 30: 광분파기

40: 광섬유 50: PC

이하에서 본 고안을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

그리고, 종래와 동일한 기술 수단은 동일한 번호로써 기재하기로 한다.

도 3은 본 고안의 광섬유 온도측정장치 프로세서 유니트 구성도.

도 5는 본 고안의 광섬유를 이용한 온도 측정장치 구성도로써,

신호를 받아 처리하고 트리거 신호를 만드는 프로세서 유니트(20)와, 트리거 신호에 의하여 광펄스를 생성하는 레이저 유니트(10)와, 온도를 측정하기 위하여 사용하는 광섬유(40)와, 광섬유에서 발생하는 두 개의 신호를 분리하는 광분파기(30)와, 두 개의 광신호를 받아 전기적인 신호로 변환하는 수광소자(21a, 21b)와, 미약한 전기적인 신호를 증폭하기 위한 증폭기(22a, 22b, 23a, 23b, 25a, 25b)와, 노이즈를 제거하기 위한 필터(24a, 24b)와, 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 A/D변환기(26a, 26b)와, 디지털화된 신호를 받아 여러 번의 평균화 처리를 하는 평균화 보드(27a, 27b)와, 평균화 된 데이터를 받아 온도를 계산하고 표시하는 컴퓨터(50)로 구성한다.

상기와 같이 구성하는 본 고안은 도 5의 프로세서 유니트(20)에서 측정하고자 하는 대상의 길이에 맞는 일정 주기를 가진 트리거를 생성하여 레이저 유니트(10)로 보내면 이 트리거는 레이저 유니트(10)에서 수ns의 폭을 가진 광펄스가 생성되고 이 광펄스는 광분파기(3)를 통과하여 광섬유(4)로 입사한다.

광섬유에 입사된 광펄스는 도 4의 기본원리에서와 같이 광섬유를 따라 진행하는 진행파와 입사한 시작점으로 되돌아오는 반사파로 나누어지고 반사파에는 입력파장과 같은 파장인 레이리그(Rayleig) 산란광과 입력 파장과 다른 파장을 가진 라만(Raman) 산란광으로 나누어진다.

상기 라만(Raman) 산란광에는 앤티 스토크스광과 스토크스광이 있고 두 광은 온도에 따라 민감하게 광의 세기가 변한다.

이 원리를 이용하여 광섬유가 포설된 곳의 일정 구간의 온도를 측정할 수 있는 것이다. 반사된 앤티 스토크스광과 스토크스광을 분파기(3)에서 분리하여 프로세서 유니트(20)로 보낸다.

상기 프로세서 유니트(20)의 수광소자(21a, 21b)은 앤티 스토크스와 스토크스의 광신호를 전기적 신호로 변환하고 이 전기적 신호는 미약한 신호이기 때문에 여러 번의 증폭(22a, 22b, 23a, 23b, 25a, 25b)과 노이즈를 제거하기 위한 필터(24a, 24b)을 통과한 뒤 A/D변환기(26a, 26b)에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 뒤 평균화 보드(27a, 27b)에서 평균화 작업을 하고 컴퓨터(50)에서 최종평균화된 데이터를 읽어 온도를 전구간에 대하여 표시하게 된다.

위의 과정은 한 번의 광펄스로 앤티 스토크스광과 스토크스광을 수광 소자에서 전기적 신호로 변환하는 과정에서부터 평균화 작업을 과정이 두 개의 신호에 대하여 동시에 실행함으로써 종래의 기술에 비하여 시간이 반으로 줄일 수 있다.

또한 두 수광 소자에 바이어스 전압을 인가함과 동시에 데이터를 얻기 때문에 온도의 안정성을 높일 수가 있다.

상술한 바와같이 본 고안을 이용하게 되면, 광섬유를 이용한 온도 측정시스템에서 두 개의 수광 소자에서부터 수신 회로, 평균화 보드(연산보드)까지 분리 구성함으로써 속도 2배 향상과 온도 안정화를 가지고 오는 효과를 제공한다.

Claims (1)

1. 신호를 받아 처리하고 트리거 신호를 만드는 프로세서 유니트(20)와,

   트리거 신호에 의하여 광펄스를 생성하는 레이저 유니트(10)와,

   온도를 측정하기 위하여 사용하는 광섬유(40)와,

   광섬유에서 발생하는 두 개의 신호를 분리하는 광분파기(30)와,

   두 개의 광신호를 받아 전기적인 신호로 변환하는 수광소자(21a, 21b)와,

   미약한 전기적인 신호를 증폭하기 위한 증폭기(22a, 22b, 23a, 23b, 25a, 25b)와,

   노이즈를 제거하기 위한 필터(24a, 24b)와,

   아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 A/D변환기(26a, 26b)와,

   디지털화된 신호를 받아 여러 번의 평균화 처리를 하는 평균화 보드(27a, 27b)와,

   평균화 된 데이터를 받아 온도를 계산하고 표시하는 컴퓨터(50)로 구성함을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 온도 측정 장치.