KR20020016728A - 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치 - Google Patents

광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭계형 온도센서의 정밀도를 그대로 유지하면서 측정범위를 제한된 범위로부터 벗어날 수 있도록 한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것으로, 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단; 상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및 상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하여, 측정대상물의 온도변화에 상응하는 광위상의 변화를 검출할 때 주 센서의 위상변화분이 소속하는 주기의 위치에 대한 정보를 상대적으로 주기가 수 십배 내지 수백배 느린 보조 센서로부터 받아들여 주 센서의 정밀도를 안정적으로 유지함으로서 주 센서용 고정도 광섬유 간섭계형 온도센서의 적용 영역을 확장시키게 된다.

Description

광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치{Fiber Fabry-Perot interferometric temperature measuring device}
본 발명은 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패브리페로 간섭계와 같은 고정도(high resolution) 광섬유 간섭계를 이용한 온도센서의 고정밀도를 저정도 광섬유 간섭계를 이용하여 넓은 온도 영역까지 그대로 유지할 수 있도록 한 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 관한 것이다.
온도를 간편하고 정확하게 측정해 보고자 하는 노력은 오랜 역사를 가지고 있다.
광섬유 센서를 이용하여 온도를 측정하고자 하는 시도 역시 수없이 많이 보고되고 있었으나, 제안된 광섬유 온도센서중에서 현재 상용화되어 시장을 형성하고 있는 방식은 그리 많지 않다.
형광물질의 온도에 따른 감소시간의 차이를 이용한 Luxtron의 제품과 가간섭성이 낮은 광원을 이용하여 저가의 다채널 센서를 구현한 OptoMet의 제품 등이 어느 정도의 시장을 가지고 있을 뿐, 그 이외에는 대부분 주문제작식이거나 Turn-Key 방식 또는 OEM 방식을 취한다.
국내의 경우 전기연구소, 표준연구소, 국방과학연구소, LG전선, KAIST 등에서 광섬유 분포형 온도센서를 다년간 연구해 오고 있다. 또한, 광주과기원, 서울대, KAIST, KIST 등에서 브래그 격자(Bragg grating)를 이용한 광섬유 온도센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 고정도 간섭계형 광섬유 온도센서와 관련된 연구는 KAIST의 김병윤 교수팀에서 소규모로 외장형 광섬유 패브리페로에 대한 연구활동 외에는 찾아보기 힘들다(제 1 참고문헌(한영근 외, "장주기 격자의 온도의존도 조절에 의한 온도 및 변형도 센서의 성능 개선", 제 6회 광전자공학 학술대회, p27-, 1999), 제 2 참고문헌(송민호 외, "마하젠더 간섭계를 이용한 광섬유 격자쌍 스트레인 센서의 신호처리", 한국광학회지 Vol.8 No.4,pp333-339, 1997)).
미국의 경우 'Smart Structure and Smart Skin'이라는 대형 국책 프로젝트의 일환으로 광섬유 스트레인센서와 더불어 광섬유 온도센서에 대한 연구가 많은 진전을 보이고 있으나, 이는 정밀도를 중시하는 단위제품보다는 다중화나 분포형에 적합한 네트워크형 광섬유센서의 개발이 주된 목적이다. 그래서, 광섬유 패브리페로 센서와 광섬유 브래그 격자 센서 중에서 동일한 성능을 갖는 센서의 대량생산 문제로 인해 광섬유 브래그 격자 센서가 주도권을 쥐고 있다.
그러나, 고정도 간섭계형 광섬유 센서는 미국 VPI의 Claus교수를 중심으로 외장형 광섬유 패브리페로 센서, Texas A&M 대학의 Taylor교수를 중심으로 내장형 광섬유 패브리페로 센서라는 양대 산맥을 이루면서 보안분야나 감시분야에 관련하여 상용화 연구중이며, 주기성에 대한 대비책을 통해 정밀도는 낮아지더라도 측정영역을 확정시킬 수 있는 방향, 제한된 측정영역에서 정밀도를 향상시키는 방향, 그리고 앞의 두가지를 결합하는 방향 등 다각도로 연구가 진행되고 있다(제 1 참고문헌(V.Arya et al., "Analysis of the effect of imperfect fiber endfaces onthe perfor mance....", Optical Eng. Vol.35 No.8, pp2262-2265, 1996), 제 2 참고문헌(C.E. Lee et al., "Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050", Optics Letters, Vol.13, p1038-1040, 1988)).
영국의 경우 Kent대학의 Jackson 교수 및 London College의 Meggitt 교수 연구실을 중심으로 다양한 모델의 간섭계형 광섬유 센서가 선을 보이고 있으나, 모두 주기성 극복을 위해 복잡한 광학부를 추가로 사용하고 있어서 상품화 단계에서 제품의 신뢰성 확보가 상당히 어려운 실정이다(제 1 참고문헌(Y. Rao et al., "Improved synthesized source for white-light interferometry", Electronics Letters, Vol.30, pp1440-1441, 1994), 제 2 참고문헌(D.J. Webb et al., "Extended range interferometry using coherence tuned synthesized...", Electronics Letters, Vol.24, pp1173-1175, 1988)).
상술한 바와 같이 현재 사용되는 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치는 대부분 가간섭성이 큰 광원을 이용한 간섭계형이다.
도 1은 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 특정 장치의 구성도로서, 가간섭성이 높으면서 직접변조가 가능한 광원인 레이저 다이오드(11); 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(12); 광도파로인 싱글모드 광섬유(14); 광신호의 결합 및 분배용 광섬유 커플러(13); 온도에 따른 위상변화의 속도가 빠른 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15); 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기(17);및 상기 광전변환기(17)에서 변조되어 입력된 아날로그 광신호를 신호처리하여 온도를 환산해 내는 신호처리부(18)를 구비한다.
상기 광섬유 커플러(13)는 상기 싱글모드 광섬유(14)를 통해 전달되는 광신호를 두 개의 싱글모드 광섬유(16, 19)로 나누고, 그 싱글모드 광섬유(16)에 설치된 상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)로부터의 광신호를 상기 광전변환기(17)로 전송한다. 이때, 상기 싱글모드 광섬유(19)로부터의 신호는, 광섬유(19)의 종단(end face)을 거친 단면으로 만들거나 굴절율 결합용 젤(index matching gel)에 담구어 광이 종단으로부터 반사되는 현상, 즉 프레즈넬 반사(Fresnel reflection)를 막아줌으로써 상기 광섬유 커플러(13)로 되돌아가지 않는다.
상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)는 도 2에 도시된 바와 같이, 싱글모드 광섬유(41)와 약 10%정도의 반사율을 갖는 두 개의 반투과경(44a, 44b)을 구비한다. 미설명 부호 42는 클래딩(cladding)이고, 43은 코아(core)이며, 46은 난반사 광섬유 종단이고, 47은 입사광이며, 48은 반사광이다.
도 2에서와 같이 구성된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)에 따르면, 상기 광섬유 커플러(13)를 통하여 분기 출력되는 단 파장의 레이저빔이 반투과경(44a)에 입사되면 상기 반투과경(44a)은 약 10%의 레이저빔을 반사시키고 나머지 90%의 레이저빔을 반투과경(44b)방향으로 투과시키는 한편, 상기 반투과경(44b)은 상기 투과된 90%의 레이저빔 중 약 10%의 레이저빔을 다시 상기반투과경(44a)방향으로 재 반사시키고 나머지 90%의 레이저빔을 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 바깥으로 투과시킨다.
그에 따라, 상기 반투과경(44a)과 상기 반투과경(44b) 사이를 왕복 반사하는 레이저빔이 존재하게 된다. 따라서, 상기 광섬유 커플러(13)로 다시 되돌아오는 레이저빔은 상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 내부를 왕복 반사하면서 생기는 광로차(optical path difference)를 가진 레이저빔의 결합에 의한 간섭현상이 생겨서 간섭계 특유의 위상에 따른 레이저빔의 강약이 발생한다.
상술한 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)의 전달함수를 유도하기 위해, 주어진 광섬유 패브리페로 간섭계를 손실이 없는 이상적인 패브리페로 공진기로 가정하고 반사 및 투과계수의 양방향 값이 같다면, 입사광에 대한 패브리페로 공진기의 다중 반사에 의한 반사광의 전계(electric field)는 다음의 식 (3-1)과 같이 주어진다.
(3-1)
여기에서,E r , E i 는 각각 반사광과 입사광에 대한 전계,r 1 과r 2 는 반사계수(Reflection coefficient),t 1 는 투과계수(Transmission coefficient), φ는 입사광이 공진기 내를 왕복할 때 발생하는 광로차(Optical path difference)에해당하는 위상차이다.
상기 식 (3-1)은 입사광에 대한 반사광의 비를 나타내며, 전계대신 광파워를 적용하고 반사계수대신 반사율(Reflectance)을 적용하여 정리하면, 입사광 쪽으로 되돌아가는 광파워는 다음의 식 (3-2)와 같이 정규화된 값인 반사율로 표현된다.
(3-2)
여기에서R 1 , R 2 는 공진기 양쪽 반사체의 반사율, 광이 공진기 내를 왕복할 때 발생하는 광로차는 위상차 φ로 표현되며, 그 위상차 φ는 다음의 식 (3-3)과 같이 주어진다.
(3-3)
여기에서n은 광섬유 코아의 유효 굴절율,L은 공진기 길이, λ는 레이저광의 중심파장이다.
상기 반사율 관계식이 결국 센서의 전달함수가 되므로, 광섬유 패브리페로 공진기를 센서로 동작시키기 위해서는 전 위상영역에서 감도의 최대최소값의 범위를 조절할 필요가 있다.
도 3은 상술한 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15) 내에 있는 반사체의 여러 가지 반사율에 대한 전달함수특성을 나타내고 있다.
도면에서처럼 반사율(R)이 80%정도로 크면 특정영역 즉, 매 2π근처에서는 감도가 대단히 뛰어나나 대부분이 null영역이므로 quadrature point 운전이 힘들어 일반적인 센서로서는 적당하지 않다.
그러나, 반사율(R)이 5%정도로 작으면 전체적인 감도는 떨어지나 상대적으로 거의 null영역이나 다름없는 부분이 매 π근처의 좁은 영역에서 발생하므로 일반 간섭계형 센서로서 적합하다.
전체적인 감도를 유지하면서 null영역의 폭을 줄여 한 주기 내의 동작범위를 늘이기 위해서는 양쪽 반사체의 반사율을 동일한 값으로 제작하고 10% 이내의 값을 취하도록 설계하여야 한다. 이 때 null영역을 제외하면 상기 식 (3-2)는 다음의 식 (3-4)와 같이 단순화된다.
(3-4)
여기서,R 0 는R 1 과R 2 가 동일한 반사율을 가졌을 때의 값이고, 위상차 φ는 상기 식 (3-3)과 동일하게 주어진다.
도 4는 상술한 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(15)의 특성곡선을나타낸 그래프이다.
광섬유내의 온도변화ΔT는 열수축팽창에 의한 길이변화ΔL/ΔT및 온도에 의한 굴절율의 변화Δn/ΔT와 같이 광섬유 고유의 물리적 성질을 변하게 하여 광섬유 내의 광도파 조건을 바꾼다.
이 도파 조건의 변화가 결과적으로 통과하는 광의 위상을 변조시키며, 축방향 변화라든가 다른 스트레인효과는 무시하고 이를 수식화하면 상기 식 (3-3)으로부터 다음의 식 (3-5)와 같은 변화치를 얻을 수 있다(참고문헌; E.Udd, Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, John Wiley & Sons, 1991).
(3-5)
용융실리카 광섬유의 경우dL/(LdT)는 5x10-7/℃,dn/dT는 10-5/℃로 주어지므로 광섬유의 굴절율을 고려했을 때 첫 번째 항은 두 번째 항의 약 7∼8% 정도이다. 따라서 첫째 항을 무시하면 상기 식 (3-5)는 다음의 식 (3-6)과 같이 표현된다.
(3-6)
여기에서,ΔΦ는 온도변화에 따른 위상변화,L은 공진기 길이,λ는 레이저광의 중심 파장,dn/dT는 실리카 광섬유에 대한 온도-굴절율 상수,ΔT는 온도의 변화분이다.
이와 같은 고정도 광섬유 온도센서는 광원의 긴 가간섭 길이 때문에 이론적으로는 대단히 복잡한 간섭식을 갖게 되지만, 동작범위 내에서 간섭계의 선명도(visibility)를 조정하고 센서의 정밀도를 유지할 수 있는 한계까지 간섭식을 단순화시키면 실제로 위상영역에서 관찰한 간섭계의 전달함수는 다음의 식 (4)와 같이 정현파의 식으로 주어진다.
(4)
여기서,I는 위상변화에 따른 광출력 변화,I 0 는 최고 광출력 강도, φ는 위상변화치이다.
특히, 광섬유 패브리페로 간섭계의 경우는 도 3와 같이 반사체의 반사율(R)에 따라 선명도의 분포는 다르지만 프린지(fringe)에 따른 주기성은 동일하게 나타난다.
여기에서 횡축의 위상은 도 4의 특성곡선(calibration curve)처럼 간섭계의 감도에 따라 다소 비선형성을 보이지만 피측정 물리량(즉 여기에서는 온도)과 일대 일 대응을 이루므로 위상 값만 정확하게 알 수 있으면 이에 따른 측정온도의 값은 쉽게 결정된다.
그러나, 도 1의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치에서 온도가 변할 때 광전변환기(17)를 통해 실시간으로 관측되는 값은 위상변화 값이 아니고 위상변화에 따라 출력강도가 변하는 간섭계의 광출력이므로, 광출력을 측정한 후 이에 해당하는 실제 위상값(53)을 도 3으로부터 구할 때 측정된 광출력(51)에 해당하는 다수의 후보 위상값(52)으로부터 실제 위상값(53)을 찾아내야 하는 문제가 발생한다.
상기 문제는 위상의 움직임을 계속해서 관찰하고 있는 경우에는 현재의 위상이 속하고 있는 프린지(주기)를 바로 알 수 있지만 그렇지 않은 경우에는 현재의 위상이 어느 프린지(fringe)에 속하고 있는지가 불분명해진다. 또한, 계속해서 위상의 움직임을 관찰하고 있는 경우라 하더라도 온도의 변화가 빠를 경우 즉, 위상영역에서 본 샘플링 속도가 상대적으로 느린 경우 프린지 이동에 대한 정보가 충분치 않아 전체적으로 몇 개의 프린지를 지나 갔는지 모호해지는 일이 많다.
그래서, 신호처리부(18)의 성능을 개선시켜 온도의 빠른 변화에도 대응할 수 있는 초고속 샘플링으로 이러한 문제를 해결했다 하더라도, 광섬유센서의 광원으로 사용하는 반도체 레이저의 특성상 어쩔 수 없이 발생하는 처핑(chirping: unstability in semiconductor laser frequency)현상으로 인한 위상영역에서의 버스트(burst)가 존재할 때 또는 전원을 다시 투입(power-on reset)해야 할 때 기준위상을 찾기 어렵다.
이와 같이 위상의 초기값에 대한 위상변화의 상대치는 정확하게 읽을 수 있으나, 그 초기 위상값을 설정하는 것이 어렵다. 즉, 싱글모드 광섬유와 가간섭성이 좋은 레이저광을 광원으로 사용하는 고정도 광섬유 패브리페로 온도센서는 상기 식 (4) 또는 도 3과 같은 전달함수 특성을 가지며, 이 때 전달함수의 짧은 주기성으로 인하여 측정된 광반사강도(reflective intensity)로부터 위상영역에서 위상값을 읽을 때 소속하고 있는 프린지를 잘못 판단하는 문제가 자주 발생한다.
이를 극복하기 위해 여러 가지 신호처리 기법이 제시되고 있다. 그 중 온도센서로서 상용화된 방법인 Yeh 등의 방법(참고문헌; Y. Yeh et al., "Fiber optic sensor for substrate temperature monitoring", J. Vac. Soc. Technol. A 8, pp3247-3250, 1990)은 비휘발성 메모리류의 도움을 받지 않는 한 전원 재투입(power-on reset)시 초기화 문제를 안정적으로 해결하기 어렵고, 압력센서로서 상용화된 방법인 Sadkowski 등의 방법(참고문헌; R. Sadkowski et al., "Multiplexed interferometric fiberoptic sensors with digital signal....", Applied Optics, Vol. 34, No.25, pp5861-5866, 1995)은 레이저성능에 대한 의존도가 지나치게 강해 채널당 가격이 높다는 약점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 간섭계형 온도센서의 정밀도를 그대로 유지하면서 측정범위를 제한된 범위로부터 벗어날 수 있도록 한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 고정도 광섬유 패브리페로 온도 측정 장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 상세도,
도 3은 도 2에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 전달함수를 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 구성도,
도 6은 도 5에 도시된 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 상세도,
도 7은 도 6에 도시된 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 전달함수를 나타낸 그래프,
도 8은 도 6에 도시된 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선을 나타낸 그래프,
도 9는 도 5에 도시된 광섬유 페브리페로 공진기(주 센서)와 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(보조 센서)의 전달함수를 비교한 그래프,
도 10은 도 5에 도시된 신호처리수단의 내부구성도,
도 11은 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 측정대상물에 적용시켰을 경우의 구성도,
도 12는 도 11에 도시된 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(주 센서)와 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(보조 센서)의 전달함수를 비교한 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 31, 101 : 레이저 다이오드
12, 32, 102 : 광 아이솔레이터
13, 33, 103 : 광섬유 커플러
14, 16, 19, 34, 104 : 싱글모드 광섬유
15 : 고정도 광섬유 패브리페로 공진기
17, 39, 109 : 광전변환기
18 : 신호처리부
35, 105 : 주 센서(고정도 광섬유 패브리페로 공진기)
37, 107 : 광신호 지연기
38, 108 : 보조 센서(저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기)
111 : 보호슬리브 112 : 광섬유 위상 제어기
113 : 전기 가열기 121 : 전처리부
122 : 펄스 발생기 123 : 전치가산 저장부
124 : 마이크로 콘트롤러 시스템 125 : 퍼스널 컴퓨터
130, 160 : 센싱수단 140, 170 : 광학수단
150, 180 : 신호처리수단
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치는, 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단; 상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및 상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하고,
상기 주 센서의 온도변화에 따른 광위상 변화 속도는 상기 보조 센서에 비해 빠르며, 상기 보조 센서의 출력신호는 상기 주 센서의 광위상이 속하는 주기의 위치를 알려주는 정보로 사용되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 구성도로서, 측정 대상물의 온도변화에 따라 광위상 변화를 일으키는 센싱수단(130); 상기 센싱수단(130)으로 입사광의 강도를 변조하여 제공하고 상기 센싱수단(130)에서의 반사광을 검출하는 광학수단(140); 및 상기 광학수단(140)에서 검출된 반사광에 대한 위상을 산출하고 산출된 위상을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단(150)을 구비한다.
상기 센싱수단(130)은 정밀도가 높은 주 센서(35)와 정밀도가 낮은 보조 센서(38)로 구성된다.
상기 주 센서(35)는 길이가 1∼5cm의 고정도 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되고 온도에 따른 위상변화의 속도가 상기 보조 센서(38)에 비해 빠르다. 상기 보조 센서(38)는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기로 구성된다.
상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 싱글모드 광섬유의 종단을 광섬유 클리버를 사용하여 깨끗하게 절단한 뒤, 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 유전체를 스퍼터링과 같은 방법으로 두께가 1㎛에서 50㎛사이에 오도록 코팅하고, 코팅이 안정되도록 400℃에서 750℃의 범위 내의 일정온도에서 3시간으로부터 24시간 정도 가열하여 제작한다. 그리고, 상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기의 프린지 해상도는 0.0005프린지로 높으나 온도에 대해서는 1℃에서 5℃ 범위의 낮은 해상도를 갖고 온도변화에 따른 위상의 변화가 상기 주 센서(35)에 비해 100배에서 2000배 느리다.
상기 주 센서(35)와 보조 센서(38)는 온도에 대한 영향을 동일하게 받도록 공간상 동일 위치에 설치된다.
상기 보조 센서(38)는 온도에 대해 둔감한 특성을 이용해 0℃에서 1000℃에 이르는 광범위 온도영역에서 상기 주 센서(35)의 위상이 소속하는 프린지의 위치를 알려 주고, 상기 주 센서(35)는 0.0005프린지 정도의 해상도를 가지도록 제작되어, 상기 보조 센서(38)로부터 그 현재 위치가 결정된 프린지 내에서 0.0005프린지의 해상도를 가지고 보다 정확한 위상을 구하게 된다. 그에 따라, 신호처리시 전체 시스템의 최종 정밀도가 상기 측정온도 범위 전체에서 상기 주 센서(35)의 정밀도를 그대로 따르도록 상호 보완관계를 갖는다.
상기 광학수단(140)은 광원으로서 가간섭성이 높으면서 직접변조가 가능한 레이저 다이오드(31); 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(32); 광도파로인 싱글모드 광섬유(34); 광신호의 결합 및 분배용 광섬유 커플러(33); 상기 주 센서(35)의 신호와 보조 센서(38)의 신호를 시간영역에서 분리하기 위한 광신호 지연기(37); 및 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기(39)를 구비한다.
상기 광섬유 커플러(33)는 상기 싱글모드 광섬유(34)를 통해 입사된 광신호를 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(35)와 보조 센서용 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(38)로 등분기하고, 상기 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(35)와 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(38)로부터의 반사광(광신호)을 상기 광전변환기(39)로 전송한다.
도 6은 도 5에 도시된 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기(38; 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기)의 상세도로서, 광학계에 사용되는 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 유전체 박막에 대한 공통사항이나 여기서는 다루기가 다소 용이하여 광학코팅물질로 가장 많이 사용되는 산화티타늄(TiO2)만을 예를 들어 설명한다.
상기 보조 센서(38)로 사용되는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 20㎛ 정도의 산화티타늄(TiO2)과 같은 유전체 필름을 공진기 자체로 대체한 것으로서, 상기 식 (3-6)으로부터 λ=1.3㎛,L=20㎛,dn/dT∼5.0x10-5/℃ 를 적용하면 온도변화 1000℃에 대한 위상변화는 약 0.6π(약 1/4프린지)라디안이고 최대감도점(quadrature point) 운전시 선명도(visibility)가 반주기 경우의 50%로 떨어지기 때문에 분해능은 약 2℃ 정도이나 대단히 넓은 동작범위를 갖게 된다.
도 6에서는 광학코팅에 대표적인 물질인 산화티타늄(TiO2)을 광섬유 종단에 박막처리하여 만들어진 초소형 광섬유 패브리페로 온도센서의 구조도를 나타내며 적용 매질로는 공기중으로만 고려하였다.
마이크론 단위의 단일층 박막 반사체에 의한 반사율은 패브리페로 공진기의 기본식인 상기 식 (3-1)로부터 도 6과 같은 구조에 대해 다음의 식 (4-1)과 같이 주어진다.
(4-1)
여기서, α=(n1 2+n2)(n2+n0 2)
β=4n1n2n0
γ=(n1 2-n2)(n2-n0 2)
이고, 굴절률n 1 , n, n 0 는 각각 광섬유 코아(73), 유전체 박막(74), 공기(75)에 대한 값이다.
이때 위상차 φ는 상기 식 (3-3)과 같이 주어지며, 식 (3-3)에서의 굴절율n과 공진기 길이L은 유전체 박막(74)에 대한 값이다. 미설명 부호 71은 싱글모드 광섬유, 72는 클래딩, 76은 입사광, 77은 반사광이다.
실질적으로, 유전체 박막 광섬유 패브리페로는 공진기 대용인 유전체 박막의 양단 반사율이 다르므로 간섭계로 사용하는데 있어서 어려움이 있지만, 광섬유 코팅의 반사율을 개략적으로 추정할 때 통상 사용하는 방식인 상기 식 (4-1)로부터 예측모델을 구하여 접근한 결과 보조 센서로서의 역할은 충분한 것으로 입증되었다.
도 7은 상기 식 (4-1)로 표현된 반사율의 식에서 온도변화 또는 다른 물리량의 변화가 유전체 박막부의 굴절율n이나 두께L의 미세한 변화를 가져온다고 가정했을 때 위상변화에 따른 반사율의 특성곡선을 나타낸다.
이 경우 전달함수 패턴은 상기 식 (4-1)에서 예측되는 바와 같이 식 (4-1)의정현파에 가까운 전형적인 광섬유 패브리페로형 전달함수가 아닌 다소 복잡한 형태의 함수임을 알 수 있다. 즉, 최대감도점(quadrature point)을 중심으로 비대칭 감도(sensitivity)를 가지기 때문에 재연성(reproducibility)이 좋지 않아 센서로서 적합하다고 볼 수 없다.
그러나, 상기 보조 센서(38) 즉, 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 목적은 특정 위상영역만 지정할 수 있으면 되기 때문에 제안된 센서 시스템의 보조 센서로서는 충분한 성능을 가지고 있다.
산화물 중에서 산화티타늄(TiO2)은 강도와 내화학성이 좋으며 가시광과 근적외광을 잘 투과시키므로 광섬유 코팅에 사용하기 위해 산화티타늄(TiO2)의 광학특성에 대한 많은 연구가 있었다. 상기 보조 센서(38)로 사용되는 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선은 산화티타늄(TiO2)을 코팅하는 방법에 따라 차이가 있으며, 특히 온도에 따른 굴절율 변화가 비선형이라는 것은 잘 알려진 사실이다. 광섬유 단면에 증착된 산화티타늄(TiO2)필름의 굴절률n은 온도변화만 고려했을 때 다음의 식 (4-2)와 같이 표현할 수 있다.
(4-2)
여기서,n s 는 상온에서의 산화티타늄(TiO2)의 기준굴절률을 0℃ 온도로 환산한 것이며,Δn(T)는 산화티타늄(TiO2)의 온도에 따른 굴절율 변화특성을 파장 1300nm에서 실험적으로 구한 것으로서 절대오차 0.0001내에서 다음의 식 (4-3)과 같이 표현된다.
(4-3)
도 8은 상술한 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기의 특성곡선을 그래프로 표시한 것이다.
도 9는 도 5에 도시된 주 센서(35)와 보조 센서(38)의 전달함수를 비교한 그래프로서, 주 센서(35)가 10개의 주기를 지나는 동안 보조 센서(38)는 반주기만을 지나므로 보조 센서(38)의 정보로부터 주 센서(35)의 위상이 속하는 프린지를 쉽게 인식할 수 있음을 보여 주고 있다.
도 10은 도 5에 도시된 신호처리수단의 내부구성도로서, 광전변환기(39)로부터 들어온 변조된 전기신호(주 센서용 및 보조 센서용 아날로그 광신호)를 디지털신호로 변환하고 필터링하는 전처리부(121); 기설정된 시??스에 따라 펄스로 변조된 전류를 상기 레이저 다이오드(31)에 주입하는 펄스 발생기(122); 상기 전처리부(121)에서 출력되는 주센서용 및 보조 센서용 디지털신호의 랜덤노이즈를줄이기 위해 각각 일정횟수 이상(적어도 64회 이상) 평준화하는 전치가산 저장부(123); 평준화된 두 개의 반사광 즉, 주 센서용 반사광 및 보조 센서용 반사광의 강도를 프로그램되어 있는 로직에 따라 위상으로 변환하고 상기 보조 센서(38)의 위상정보로부터 주 센서(35)의 프린지 위치를 추정하여 상기 주 센서(35)의 정확한 절대 위상값을 구하는 마이크로 콘트롤러 시스템(124); 및 상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)으로부터 상기 주 센서(35)의 정확한 절대 위상값이 전송됨에 따라 내장된 위상-온도의 특성곡선표를 참조하여 위상을 온도로 복원하고 이를 메모리에 저장하고 디스플레이시키는 퍼스널 컴퓨터(125)를 구비한다.
상기 레이저 다이오드(31)는 1.3㎛ 또는 1.55㎛ 근처 파장의 통신용 반도체 레이저인 멀티모드 레이저 또는 싱글모드 레이저이고, 상기 광전변환기(39)는 PIN타입을 사용한다.
상기 펄스 발생기(122)로부터 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류 변조 펄스폭은 주파수 처핑(frequency chirping)효과와 시스템 응답시간을 고려하여 200㎱-1500㎱로 하고, 상기 펄스 발생기(122)로부터 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류 변조 펄스의 주파수는 1kHz-200kHz로 한다. 그리고, 상기 펄스 발생기(122)에서 나오는 레이저 다이오드(31)의 주입전류는 초기 상승시 진동이 수 ㎱내에서 억제되는 안정된 구형파(square wave) 펄스를 사용한다.
상기 전치가산 저장부(123)는 최소 64회의 고속 이동평균(moving average)을 실현하기 위해 마이크로 콘트롤러 시스템(124)의 전단에 설치된다.
상기 펄스 발생기(122)로부터 출력되는 펄스의 주파수는 적용분야에 따라 온도변화를 충분히 추적할 수 있도록 설정하며, 측정채널의 수와 상기 광신호 지연기(37)를 고려하여 결정한다.
상기 광신호 지연기(37)는 싱글모드 광섬유를 직경 10cm이상으로 느슨하게 감아 편광의 변화(polarization change)와 굽힘에 의한 손실(bending loss)을 최소화하고, 주 센서(35)와 보조 센서(38)의 반사광신호의 시간차가 0.5㎲에서 10㎲정도 되도록 길이를 50m에서 1000m로 설정한다.
도 11은 본 발명에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치를 측정대상물에 적용시켰을 경우의 구성도로서, 측정 대상물의 온도변화에 따라 광위상 변화를 일으키는 센싱수단(160); 상기 센싱수단(160)으로 입사광의 강도를 변조하여 제공하고 상기 센싱수단(160)에서의 반사광을 검출하는 광학수단(170); 및 상기 광학수단(170)에서 검출된 반사광에 대한 위상을 산출하고 산출된 위상을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단(180)을 구비한다.
상기 센싱수단(160)은 도 5에서 설명한 센싱수단과 동일하게 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 유전체 박막 패브리페로 공진기(108)로 구성되고, 보호 슬리브(111)에 의해 보호받으면서 측정 대상인 전기 가열기(113)의 근처에 위치하게 된다.
상기 신호처리수단(18)은 도 10에서 설명한 내부구성(전처리부, 전치가산 저장부, 펄스 발생기, 마이크로 콘트롤러 시스템, 퍼스널 컴퓨터)을 갖춘다.
상기 광학수단(170)은 도 5에서 설명한 광학수단과 동일하게 레이저 다이오드(101), 광 아이솔레이터(102), 광섬유 커플러(103), 싱글모드 광섬유(104), 광신호 지연기(107), 및 광전변환기를 구비한다.
그리고, 상기 광학수단(170)에는 최대감도점 제어를 위해 스트레인 효과를 이용한 광섬유 위상 제어기(112)가 추가로 구비된다.
실제로, 상기 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 선명도(visibility)가 서로 다르므로 증폭부 설계시 어느 정도의 트레이드오프(trade-off)가 필요하고, 온도변화에 따라 잡음요인이 다르므로 온도환산용 특성곡선표(look-up table) 작성시 충분한 고려가 필요하다. 또한, 실제 주 사용영역을 보조 센서의 최대감도점(quadrature point) 근처로 설정하는 작업이 용이하지 않기 때문에 상기 스트레인 효과를 이용한 광섬유 위상 제어기(112)를 사용한다.
즉, 상기 광섬유 위상 제어기(112)는 상기 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 해상도를 부분적으로 보완하기 위해 초기 입사광의 위상을 이동시켜 그 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 최대감도점을 현재의 동작점으로 설정한다.
다시 말해서, 일정 길이의 광섬유를 원통형 압전변환기(Piezo-electric transducer)에 감고 그 원통형 압전변환기에 일정 전압을 인가하여 입사광의 위상을 상기 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 최대감도점 근처로 옮긴 후 그 전압을 그대로 유지하게 되면 상기 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 해상도를 국부적으로 높이게 된다.
상기 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)의 온도분해능을 구하기 위해 공진기 길이L=10㎜, 반도체 레이저의 중심파장 λ=1.3㎛, 상수dn/dT=10-5/℃를 적용하면 상기 식 (3-6)으로부터 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 위상변화(ΔΦ)는 약 300π라디안으로 주어지며, 위상영역에서의 반주기(half fringe)가 온도변화 3.3℃에 해당됨을 간단하게 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서의 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 온도분해능은 3.3℃보다 좋으면 된다. 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 보조 센서의 위상변화(ΔΦ)는 도 7에서처럼 감도가 낮은 상하부를 피해 최대감도점 주변에서 동작시키기 위해 π라디안 이하의 값(가능한 한 0.5π라디안 이하의 값)으로 주어져야 되므로, 이에 대한 상기 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 길이는 대략 30㎛이하이다.
도 11에서는 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 길이를 20㎛으로 하였으며, 이 때 상기 식 (3-6)으로부터 온도변화(ΔT) 1000℃에 대한 보조 센서(108)의 위상변화(ΔΦ)는 약 0.9π라디안이 되어 측정대상 온도범위 1000℃를 반주기 이내의 위상변화로 충분히 환산할 수 있다. 예를 들면, 도 11에서와 같이 주 센서 및 보조 센서용 광섬유 패브리페로 공진기의(105, 108) 길이를 각각 10㎜와 20㎛로 하고 보조 센서(108)를 최대감도점 근처에서 동작시켰을 때, 평균적으로 주 센서(105)의 반주기에 해당하는 온도변화 3.3℃는 보조 센서(108)의 위상을 0.002π라디안(또는 0.001프린지) 정도 변화시킨다. 이는 신호처리수단(110)에서 충분히 검출 가능한 위상치이므로 주 센서(105)의 출력신호로부터 현재 프린지의 절대위치가 간단하게 결정된다(참고문헌; 김광수 외, "보조반사체를 이용한 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도센서의 성능 향상", 대한전기학회 논문지 7월호, 2000).
도 12는 도 11에 도시된 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 전달함수를 비교한 그래프로서, 참조부호 200은 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)의 전달함수를 나타내고, 참조부호 210은 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)의 전달함수를 나타낸다.
이어, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치의 동작에 대해 도 11의 구성도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
광신호는 가간섭성이 큰 레이저 광을 캐리어로 사용하고, 광도파로인 싱글모드 광섬유(104)를 따라서만 진행하며, 공기 중에 노출되는 광은 광섬유 종단에서 산란되는 광뿐이다.
신호처리수단(180)내의 펄스 발생기(122)에서 기설정된 시퀀스를 따라 펄스로 변조된 전류를 레이저 다이오드(101)에 주입하면, 광신호의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터(102)를 거쳐 50대 50으로 균등 분배해주는 2x2 3dB 광섬유 커플러(103)로 전송된다.
상기 광섬유 커플러(103)는 입사된 광을 주 센서용 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)와 보조 센서용 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)로 등분기시킨다. 상기 두 개의 공진기(105, 108)는 공간적으로 동일한 위치에 설치되어 동일한 섭동(perturbation) 즉, 온도변화에 따른 공진기 내의 굴절율 변화를 동일하게 겪게 되나, 고정도 광섬유 패브리페로 공진기(105)에서는 상대적으로 빠른 위상변화를 보이고, 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108)에서는 상대적으로 느린 위상변화를 보이며, 이 위상변화 속도의 비는 식 (3-6)에 의해 공진기 길이의 비와 거의 비례한다.
상기 저정도 유전체 박막 광섬유 패브리페로 공진기(108) 전단에 설치된 일정 길이의 광섬유로 구성된 광신호 지연기(107)에서는 두 간섭계의 간섭신호를 신호처리수단(180)에서 요구하는 시간만큼 시간영역에서 분리한다. 이 때 지연시간, τ는 광신호의 왕복을 고려했을 때 다음의 식 (5)와 같이 주어진다.
(5)
여기에서,n은 광섬유 코아의 굴절율,c는 진공 중 빛의 속도,l은 지연회로용 광섬유의 길이이다. 예를 들면, 광섬유 길이 100m에 대한 광신호 지연시간은 실리카계 광섬유 코아의 굴절율 1.47로부터 약 1㎲ 정도이다.
측정 대상부인 전기 가열기(113)의 온도변화에 따른 공진기내의 굴절율 변화는 상기 식 (3-6)처럼 반사광의 위상을 변조시킨다.
이 변조된 위상을 가진 반사광은 주 센서(105)와 보조 센서(108)로부터 1㎲의 시간차를 두고 차례로 광섬유 커플러(103)를 입사광과 반대방향으로 통과하여 광전변환기(109)로 들어가 전기신호로 변환되고, 변환된 전기신호는 전처리부(121)에서 컨디션닝(conditioning)되고 디지털 데이터로 변환된다.
변환된 디지털 신호는 전치가산 저장부(124)에서 두 개(주 센서용 및 보조 센서용)로 분기되어 랜덤노이즈를 줄이기 위해 각각 일정횟수 이상(적어도 64회 이상) 평준화된 뒤 마이크로 콘트롤러 시스템(124)으로 들어간다.
상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)은 입력된 평준화된 두 개의 반사광의 강도를 프로그램되어 있는 로직에 따라 위상으로 변환시키고, 보조 센서(108)의 위상 정보로부터 주 센서(105)의 프린지 위치를 추정하여 주 센서(105)의 정확한 절대 위상값을 구한다. 예를 들어, 상기 펄스 형태의 전기신호로부터 펄스 폭 내에 위상차 약 π/2로는 최소 2개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하고, 위상차 약 π/3로는 최소 3개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하며, 위상차 약 π/4로는 최소 4개의 아날로그-디지털 변환용 샘플링을 수행하여, 상기 과정에 의해 변환된 디지털 데이터를 상기 샘플링 각각에 대해 그리고 상기 주 센서(105)와 보조 센서(108) 각각에 대해 전치가산 저장부(123)를 이용하여 최소 64회에 대한 이동평균(moving average)을 구하여 기 설정된 광출력-위상 변환표(룩업테이블화된 표)에 의거하여 상기 주 센서(105)의 절대 위상값을 산출한다.
상기 주 센서(105)의 정확한 절대 위상값이 주어지면 상기 마이크로 콘트롤러 시스템(124)는 내장된 위상-온도의 특성곡선표(룩업테이블화된 표)를 참조하여위상을 온도로 복원하고, 이를 디스플레이어에 표기하거나 퍼스널 컴퓨터(125)를 통해 메모리에 저장한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 측정대상물의 온도변화에 상응하는 광위상의 변화를 검출할 때 주 센서의 위상변화분이 소속하는 주기의 위치에 대한 정보를 상대적으로 주기가 수 십배 내지 수백배 느린 보조 센서로부터 받아들여 주 센서의 정밀도를 안정적으로 유지함으로서 주 센서용 고정도 광섬유 간섭계형 온도센서의 적용 영역을 확장시키게 된다. 즉, 간섭계형 온도센서의 고질적인 문제인 주기성에 의한 신호처리의 난점을 간단한 구조의 보조 센서 하나로 값싸게 구성하여 해결함으로서, 특정분야에 제한적으로 사용되던 광섬유 패브리페로 온도센서의 적용영역을 확장시킬 수 있다.
그리고, 시스템 전체가 광섬유로 구성되어 있기 때문에 광섬유 고유의 특성 즉, 소형·경량, 낮은 신호감쇄비 등과 같은 장점 이외에도 여러 가지 독특한 특성을 이용할 수 있기 때문에 다음과 같은 적용분야가 기대된다. 전자장 유도현상이 없기 때문에 전자장 유도가 심한 지역 특히 RF 스퍼터링 장비의 온도 측정 분야, 자성체의 큐리점 온도 측정 분야, 절연이 까다로운 전력용 변압기 코아의 온도 측정 분야, 가스절연 전력기기 내부의 특정부위(광센서 주변이나 코로나 잡음이 심한 지역) 온도측정 분야 등에 적용가능하다.
또한, 센서의 측정부가 인체에 무해한 재질로 구성되어 있으므로 식품 가공분야 특히 스낵류 생산시 온도제어용 및 하이퍼써미아와 같은 치료시 치료부위의 체온 측정 분야 등에 적용가능하다.
또, 상기 센서의 신호전달 수단이 광섬유이므로 센서의 다중화가 용이하여 광섬유 통신망을 통한 집중 감시 진단용으로도 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 국한되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형이 가능하고, 그러한 수정 및 변형된 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (14)

  1. 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주 센서 및 보조 센서를 갖춘 센싱수단;
    상기 주 센서 및 보조 센서로 변조된 광을 입사하고, 상기 주 센서 및 보조 센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단; 및
    상기 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고, 그 위상값을 근거로 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 구비하고,
    상기 주 센서의 온도변화에 따른 광위상 변화 속도는 상기 보조 센서에 비해 빠르며, 상기 보조 센서의 출력신호는 상기 주 센서의 광위상이 속하는 주기의 위치를 알려주는 정보로 사용되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주 센서는 고정도 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 보조 센서는 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기는 싱글모드 광섬유의 종단을 광섬유 클리버를 사용하여 절단하고, 유전체를 일정 두께범위내로 스퍼터링하여 코팅한 후 일정 온도범위내에서 일정시간범위동안 가열하여 제작하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유전체는 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화마그네슘(MgO) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 일정 두께범위는 1㎛∼50㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 일정 온도범위는 섭씨 400℃∼750℃인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 일정 시간범위는 3시간∼24시간인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 저정도 비대칭 광섬유 패브리페로 공진기의 프린지 해상도는 0.0005프린지이고, 온도변화에 따른 광위상의 변화가 상기 주 센서에 비해 100배에서 2000배 느린 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광학수단은
    광원;
    상기 광원에서 출력되는 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터;
    싱글모드 광섬유로 된 광도파로;
    상기 광도파로를 통해 입사되는 광신호의 분배 및 상기 주 센서와 보조 센서로부터의 광신호에 대한 결합을 수행하는 광섬유 커플러;
    상기 주 센서의 신호와 보조 센서의 신호를 시간영역에서 분리하기 위한 광신호 지연기; 및
    상기 광섬유 커플러로부터의 광신호를 전기신호로 변환시키는 광전변환기를 구비하고,
    상기 광섬유 커플러는 상기 광도파로를 통해 입사된 광신호를 상기 주 센서와 보조 센서로 등분기하고, 상기 주 센서와 보조 센서로부터의 반사광을 상기 광전변환기로 전송하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 신호처리수단은
    상기 광전변환기로부터 들어온 변조된 주 센서 및 보조 센서의 전기신호를 디지털신호로 각각 변환하고 필터링하는 전처리부;
    기설정된 시??스에 따라 펄스로 변조된 전류를 상기 광원에 제공하는 펄스 발생기;
    상기 전처리부에서 출력되는 주센서 및 보조 센서의 디지털신호를 각각 일정횟수 이상 평준화하는 전치가산 저장부;
    상기 평준화된 주 센서 및 보조 센서의 반사광의 강도를 위상으로 변환하고 상기 보조 센서의 위상정보로부터 상기 주 센서의 주기 위치를 추정하여 상기 주 센서의 위상값을 구하는 마이크로 콘트롤러 시스템; 및
    상기 마이크로 콘트롤러 시스템으로부터 상기 주 센서의 위상값이 전송됨에 따라 그 위상값을 온도로 복원하여 표시하는 단말기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 광원은 1.3㎛ 또는 1.55㎛ 파장의 통신용 반도체 레이저인 멀티모드 레이저 또는 싱글모드 레이저인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 펄스 발생기로부터 나오는 상기 광원의 주입전류 변조 펄스폭은 200㎱-1500㎱이고, 상기 펄스 발생기로부터 나오는 상기 광원의 주입전류 변조 펄스의 주파수는 1kHz-200kHz인 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 광학수단은 상기 보조 센서의 해상도를 부분적으로 보완하기 위해 초기 입사광의 위상을 이동시켜 상기 보조 센서의 최대감도점을 현재의 동작점으로 설정하도록 하는 광섬유 위상 제어기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치.
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