KR20090107729A - 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합가스 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다. 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 격자형 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서는 온도, 습도 변화와 같은 주변 환경의 변화와 무관하게 가스 농도의 측정이 가능하며 감지부의 간단한 변경을 통하여 다양한 용도로 응용이 가능하다.
가스, 센서, 주파수, 격자, 반사, 투과
Description
본 발명은 혼합 물질의 농도 측정을 위한 광센서 및 혼합 물질 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장주기 격자 및 단주기 격자를 이용하여 혼합 가스의 농도를 측정하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 관한 것이다.
종래의 가스 감지를 위한 가스센서는 크게 반도체식 가스센서 및 접촉 연소식 가스센서로 나뉜다. 반도체식 가스센서는 결함영역이 존재하는 특정 반도체 결정 소자의 표면에 가스가 접촉하는 경우 반도체의 전기전도도가 변하게 되는 원리를 이용한다. 즉, 가스의 접촉으로 반도체의 전기전도도가 변화하는 것을 전압, 전류 또는 저항값으로 변환하여 가스의 농도를 측정하는 것이다.
접촉연소식 가스센서는 주로 가연성 가스를 측정하기 위하여 사용된다. 가연성 가스는 산소와 반응하여 반응열을 발생시키는데, 접촉연소식 가스센서는 이러한 반응열을 전기신호로 변환하여 가스를 측정하게 된다. 이 때, 가연성 가스는 탄화수소계열이므로 완전히 산화되어 물(H2O)와 이산화탄소(CO2)로 될 때 발열량이 가장 크다. 그러나 가스의 완전 산화는 저온에서는 일어나기 어렵고, 일어나더라도 반응속도가 늦기 때문에 실시간 측정이 불가능하다. 따라서, 좀 더 빠른 측정을 위해 완전 산화를 촉진하는 촉매 및 충분한 산소가 필요하며 반응속도를 높이기 위해 센서반응부의 온도를 높여야 한다.
반도체식 가스센서의 경우 주변의 온도, 습도와 같은 환경적인 요인에 크게 영향을 받기 때문에 이를 보정할 수 있는 추가적인 센서를 장착하여야 하는 단점을 갖고 있다. 또한, 혼합 가스의 가스 별 농도를 측정하는 것이 어렵기 때문에 단일 가스 측정 시에만 유효하다.
또한, 접촉연소식 가스센서의 경우 주변의 환경에 큰 영향을 받지 않으며, 측정하고자 하는 가스가 혼합되어 있어도 비교적 정밀하게 원하는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 그러나, 측정을 위해서 반드시 연소라는 화학적 과정을 거쳐야 하므로 2차적인 부산물을 생성되며, 그 과정이 복잡하고 산소가 결핍된 환경에서는 정확한 측정이 어렵다는 단점을 지니고 있다.
이와 같이, 기존의 가스센서는 주변 환경에 대한 영향을 많이 받기 때문에 정확한 측정을 위해서는 추가적인 안정화 시스템을 구비하여야 한다. 즉, 다양한 종류의 가스를 감지하는 다중 센서, 원격 센서, 여러 곳에 감지부가 존재하는 분산 센서형태로 구현하기 위해서는 안정성 확보를 위한 추가 설비로 인하여 시스템 구 성비용이 증가되는 문제점이 있다. 또한, 기존의 가스센서는 전자회로 기반의 센서이므로 전자기파에 의한 영향을 받는다는 문제점이 있었다.
따라서, 원자력 발전소에서 사용되는 가스검출 센서와 같이, 높은 안정성이 요구되는 환경에서 가스센서를 활용하기 위해서는 주변 환경 변동에 영향이 적은 센서가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 농도를 분리하여 측정할 수 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 온도, 습도 변화와 같은 주변 환경의 변화와 무관하게 가스 농도의 측정이 가능한, 안정성 높은 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 먼 곳 또는 여러 곳의 가스를 쉽게 검출해 낼 수 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파 수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다.
이때, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있으며, 상기 감지부의 최소 개수는 측정하고자 하는 상기 혼합 가스의 종류 개수와 동일할 수 있다.
또한, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성될 수 있으며, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출할 수 있다. 그리고, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 광신호를 출력하는 단계; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계; 상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법이 제공된다.
이때, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스를 가스 별 농도를 산출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호가 출력되는 광원; 상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서가 제공된다.
이때, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있으며, 상기 감지부의 최소 개수는 측정하고자 하는 상기 혼합 물질의 종류 개수와 동일할 수 있다.
또한, 상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성될 수 있으 며, 상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출할 수 있다. 그리고, 상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 광신호를 출력하는 단계; 상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계; 상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법이 제공된다.
이때, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및 상기 분리된 전기적 신호를 통하여 물질의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질을 물질 별 농도를 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 의하면, 간단한 구성을 통하여 원거리에서, 그리고 분산된 장소에서 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서 및 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 의하면 온도, 습도 변화와 같은 주변환경의 변화 및 전자기파의 영향에도 불구하고 정확하게 각 가스의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것 으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성에 대하여 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성도이다.
본 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서는 광원(110), 감지부(120), 신호 처리부(130) 및 농도 계산부(140)를 포함한다.
본 실시예에 따른 광원(110)은 광대역 광원일 수 있으며, LED 또는 백색광원일 수 있다. 광원(110)은 LED 또는 백색광원 이외에도 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 광원이 사용될 수 있다. 광원(110)에서 광신호(112)가 출력되고, 이렇게 출력된 광신호(112)는 감지부(120)로 입력된다.
감지부(120)는, 감지부(120)로 입력된 광신호(112)가 측정하고자 하는 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호(114)로 출력되도 록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함한다. 이때, 장주기 격자를 통과한 광신호(112)는 일부 파장 영역이 외부로 전이되어 사라져, 광학적 특성이 변화하게 된다. 이하 본 명세서에서, 장주기 격자 투과 광신호(114)는, 감지부(120)에 입력된 광신호(112)가 장주기 격자를 통과하여 광학적 특성이 변화되어 출력되는 광신호를 의미함을 명확히 한다.
이때, 장주기 격자를 코팅하는 재질은, 에틸렌(C2H5OH)가스를 검출하기 위해서는 SnO2 를 코팅재질로 사용하는 것과 같이, 광센서에서 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라서 달라진다. 장주기 격자에 코팅된 재질은 외부의 혼합 가스와 반응하게 되며, 이러한 장주기 격자를 통과한 광신호(112)는 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호(114)로 출력된다. 본 실시예에 따르면, 외부의 물질 즉 혼합 가스의 농도에 따라, 장주기 격자를 통과하면서 일부 파장영역이 사라진 장주기 격자 투과 광신호(114)의 사라진 파장 영역이 변화하게 된다. 이러한 사라진 파장 영역의 변화량을 측정함으로써, 외부의 혼합 가스를 검출할 수 있게 된다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다.
이와 같이, 광신호가 혼합 가스와 반응하여 출력된 장주기 격자 투과 광신호(114)는 신호 처리부(130)로 입력되어, 주파수 변조된 광신호(116)로 출력된다. 본 실시예에 따른 신호 처리부(130)는 입력된 장주기 격자 투과 광신호(114)가 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(116)로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함한다. 이하, 주파수 변조된 광신호(116)는 장주기 격자 투과 광신호(114)가 신호 처리부(130)로 입력되어, 변주 주파수(f)의 속도로 한정된 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖도록 출력되는 신호를 의미함을 명확히 한다. 본 실시예에 따른 단주기 격자는 특정 파장의 광신호를 반사시키는 특성을 갖고 있으며, 단주기 격자에 가해지는 제어신호에 따라 단주기 격자의 주기 또는 굴절률이 변화되어 반사되는 파장값을 변화시킬 수 있다.
신호 처리부(130)에서 출력된 주파수 변조된 광신호(116)는 농도계산부(140)로 입력되어, 농도계산부(140)는 주파수 변조된 광신호(116)를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출해내게 된다. 본 실시예에 따른 신호 처리부는 주파수 변조된 광신호(116)를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부 및 변환된 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호(116)의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(110), 감지부(120), 신호 처리부(130) 및 농도 계산부(140)의 동작에 의하여, 혼합 가스의 가스 별 농도를 측정할 수 있다. 이때, 본 실시예에 따르면, 감지부(120) 및 신호 처리부(130)는 각각 광도파로 내에 제작될 수 있다. 광도파로는 광전력을 도파할 수 있는 구조의 것으로 광통신에서는 광신호를 전달하도록 설계된 광섬유를 의미한다. 본 실시예에 따른 광센서는 구성요소들을 광도파로 내에 형성할 수 있으므로, 원거리에서 측정할 수 있는 원격 센서 및 감지부를 여러 곳에 분산시켜 각 지점의 가스를 검출할 수 있는 분산 센서로 용이하게 구현할 수 있다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성 및 작동에 대하여 살펴보도록 한다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에서 출력된 제1 변조광신호의 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에서 전술한 바와 같이, 광원(110)에서 출력된 광신호(112)가 감지부(120)로 입력된다. 이때, 감지부는 도 2a에 도시된 바와 같이, 광도파로에 형성될 수 있다. 광도파로는 중심부인 코어(171)와 코어를 둘러싼 클래딩(172)을 포함한다. 광도파로로 입력된 광신호(112)는 전반사의 원리에 따라 코어(171)를 따라 진행하게 되는데, 감지부(120)에 포함된 장주기 격자(121)에 해당하는 부위에서 모드변환이 일어난다.
광도파로에 형성된 감지부(120)에 입력된 광신호는 코어(171)의 굴절률이 클래딩(172)의 굴절률 보다 큰 값을 가지므로, 전반사의 원리에 따라 코어(171) 내부로 진행하게 되는데, 장주기 격자(121)가 형성되어 있는 부분에서 코어(171)와 클레딩(172)의 굴절률의 변화로 입력된 광신호(112)가 코어(171) 내부로 진행하지 못하고, 외부로 진행하게 된다. 이와 같은, 장주기 격자(121)에 의한 코어(171)와 클래딩(172) 영역간의 굴절률 변화를 이하, 본 명세서에서는 코어모드(mode)와 클래딩 모드의 모드변환이라고 칭하도록 한다.
코어(171)모드와 클래딩(172)모드의 모드 변환은 장주기격자(121)의 주기 및 클래딩(172)영역 외부에 코팅된 재질(123) 종류나 굴절률에 따라서 일부 파장 영역에서만 나타난다. 이렇게 모드변환에 의하여, 입력된 광신호(112)는 일부 파장영역 에서 클래딩(172) 외부로 진행되어 사라진다. 이때, 클래딩(172) 외부로 진행되어 사리지게 되는 광신호의 일부 파장 영역을 장주기 격자(121)의 반응 파장 영역이라고 칭하며, 이하 본 명세서에서 반응 파장영역은 상기와 같은 의미로 사용됨을 명확히 한다. 장주기격자(121)를 통과한 광신호(112), 즉 장주기격자(121)를 통과하여 출력된 장주기 격자 투과 광신호(114)의 특성을 살펴보면 도 2b에 도시된 바와 같이, 반응 파장 영역에 해당하는 파장 값을 갖는 광신호가 모드변환으로 인하여 사라진 것을 알 수 있다.
클래딩(172)영역의 외부에 코팅된 재질(123)의 종류나 굴절률이 변할 경우 도2b에 도시된 장주기 격자 투과 광신호들(114(1), 114(2))과 같이, 반응 파장영역이 변하게 된다. 이렇게 변화된 반응 파장영역의 변화 값은 클래딩(172)영역의 외부에 코팅된 재질(123)의 굴절률 변화와 밀접한 관계가 있으므로 반응 파장 영역의 변화량을 측정함으로써 검출부(120)의 외부에 존재하는 혼합 가스의 변화량을 측정할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 광센서에서 기본적으로 가스를 검출하는 원리는 하기와 같다. 우선 장주기 격자(121)의 외부에 혼합 가스를 구성하는 가스와 반응하여 굴절률과 같은 광학적 특성이 변하는 재질(123)을 코팅시킨다. 이때 코팅하는 재질(123)은 전술한 바와 같이, 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라서 달라진다. 따라서, 검출하고자 하는 가스 종류의 개수에 따라, 감지부(120)의 개수가 달라진다. 예를 들어, 측정하고자 하는 가스의 종류가 세가지인 경우는 최소 3개의 감지부(120)가 필요하다. 감지부(120)에 포함되는 장주기 격자(121)에 코팅하는 재 질(123)은 가스의 종류에 따라 정해지므로, 측정하고자 하는 가스의 종류에 상응하여 감지부(120)의 최소 개수가 정해지게 되는 것이다.
또한, 한 종류의 가스에 대해서 반응하는 재질이 다양한 경우, 한 종류의 가스에 대해서 각각 다른 재질(123)로 코팅된 여러 개의 감지부(120)를 할당하게 되면, 특정 감지부(120)가 고장 나더라도 전체 시스템을 멈추지 않고 계속 동작시킬 수 있기 때문에 안정성 및 정밀도를 높일 수 있게 된다. 따라서, 이러한 경우 감지부(120)의 개수는 측정하고자 하는 가스의 종류보다 많을 수 있다.
이와 같이 가스와 반응하여 광학적 특성이 변하는 재질(123)을 장주기 격자가 위치한 부위에 코팅함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같은 가스농도 변화에 따른 장주기 격자 투과 광신호의 파장 변화를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 파장 변화량은 가스의 농도에 대한 정보를 포함하고 있다.
감지부(120)는 가스 이외의 다른 물질을 측정하는 곳에도 응용 가능하다. 장주기 격자(121)를 둘러싸고 있는 외부 환경의 광학적 변동이 발생하는 경우, 장주기 격자(121)에 의하여 사라지게 되는 파장 영역, 즉 반응 파장 영역이 변화하게 된다. 장주기 격자(121)의 외부에 특정 물질에 반응하는 재질을 코팅하고, 그 물질에 노출 시키게 되면 물질의 농도에 따라 광학적 변동량이 달라지고, 이러한 특성을 바탕으로 장주기 격자의 반응 파장영역의 변화 값이 결정된다.
즉, 본 실시예에 따른 감지부의 경우, 가스 이외에, 감지하고자 하는 물질에 반응하는 재질을 코팅시킴으로써 다양하게 응용이 가능하다. 또한 장주기 격자(121)의 외부에 액체를 기본으로 하는 물질이 위치할 경우, 특정 재질을 코팅 시 키지 않아도 액체 물질의 굴절률 변화에 따라 장주기 격자(121)의 반응 파장 영역이 변화하게 되어, 이를 기초로 액체물질의 농도를 측정할 수 있게 된다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성 및 작동에 대하여 살펴보도록 한다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부에서 출력된 제2 변조광신호의 파장에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 신호 처리부(130)는 광도파로 내부에 형성될 수 있다. 이하, 도 3a를 참조하여, 신호 처리부(130)가 광도파로 내부에 형성된 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
신호 처리부(130)는 광도파로 내부에 형성되어 있는 단주기 격자(131)를 포함한다. 단주기 격자(131)는 도3b에 도시된 바와 같이, 특정 파장 값을 갖는 광신호를 반사시키는 특성을 지니고 있다.
단주기 격자(131)에 제어 신호를 인가함으로써 단주기 격자의 주기 또는 굴절률을 변화시켜 반사되는 반사파장을 변화시킬 수 있다. 이때, 단주기 격자의 외부에 부착된 재질(133)에 제어 신호를 인가하는 방법을 통하여, 반사파장을 변화시킬 수도 있다.
단주기 격자(131)로 주파수가 f인 제어신호를 인가시켜 단주기 격자에서 반사되는 파장을 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수 f로 변조시킨다. 단주기 격 자(131)로 입력된 장주기 격자 투과 광신호(114(1)) 단주기 격자(131)를 지나면서, 파장(λ1)에서 반사되어 주파수 변조된 광신호(116(1))로 출력된다. 그리고, 단주기 격자(131)에 가해지는 제어신호에 의하여 단주기 격자의 주기 또는 굴절률이 변화함에 따라, 단주기 격자(131)에서 반사되는 반사 파장은 변화된다. 즉, 장주기 격자 투과 광신호는 변조 주파수(f)를 갖는 제어신호에 의하여 단주기 격자(131)에서 반사되어λ1 에서 λ2의 파장 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖는 주파수 변조된 광신호(116(2))로 출력되고, 이때 주파수 변조된 광신호가 λ1 에서 λ2의 한정된 파장 범위 내에서 변화되는 속도는 변조 주파수(f)와 같다.
도 2b를 참조하여 살펴보면, 단주기 격자(131)에서 반사되는 반사 파장은 가해지는 제어신호에 따라서, 한정된 파장 영역(λ1~λ2)의 범위 내에서 변화하는 파장 값을 갖는 주파수 변조된 광신호(116(1), 116(2))로 출력된다. 신호 처리부(130)는 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호를 입력 받아, 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력한다. 즉, 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)는 반사 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(116)를 출력하고, 이때 단주기 격자(131)에 가해지는 제어신호에 따라서 반사되는 파장 값은 변화하게 되고, 이때 주파수 변조된 광신호(116)의 파장 변화의 속도는 제어신호의 주파수와 같은 값을 갖는 변조 주파수(f)로 나타내어 질 수 있다.
이렇게 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호는 농도 계산부에 입력되며, 농도 계산부는 주파수 변조 된 광신호를 통하여, 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하게 된다. 이때 농도 계산부는 전술한 바와 같이, 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부 및 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있다. 이에 대하여, 도 4를 참조하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 농도 계산의 원리를 나타내는 그래프이다.
광원(110)에서 출력된 광신호(112)는 감지부(120)로 입력된다. 입력된 광신호(112)는 감지부(120)에 포함되는 장주기 격자(121)에 의해서, 도 4에 도시된 곡선 410 및 411과 같이, 반응 파장 영역의 광신호가 사라진 장주기 격자 투과 광신호로 출력된다
감지부(120)에서 출력된 장주기 격자 투과 광신호는 신호 처리부(130)로 입력된다. 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)에 제어신호를 인가시켜 전술한 바와 같이 λ1에서 λ2까지, 한정된 파장 범위의 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호(430)를 변조 주파수 f의 속도로 출력한다.
감지부(120)로부터 신호 처리부(130)에 입력된 장주기 격자 투과 광신호(410)가 신호 처리부(130)의 단주기 격자에서 λ1에서 λ2까지의 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력된다. 이때, 주파수 변조된 광신호는 420에 도시된 바와 같이, 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 401 사이의 빛의 세기를 갖 고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 따라서 가스가 존재하지 않을 경우, 농도 계산부로 입력되는 주파수 변조된 광신호는 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 401 사이의 빛의 세기를 갖고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 이때, 농도 계산부에 포함된 신호 변환부는 주파수 변조된 광신호의 세기에 비례하는 값을 갖는 전류 및 전압으로 변환하여 출력한다.
그리고, 감지부(120)의 외부에 검출하고자 하는 가스가 존재하는 경우, 전술한 바와 같이 감지부(120)에 포함된 장주기 격자(121)에 코팅된 재질(123)의 광학적 특성이 변하게 되며, 장주기 격자를 투과 광신호의 반응 파장이 도 4의 411과 같이, 변화하게 된다.
본 명세서에서는 가스의 농도가 증가하는 경우 장주기 격자의 반응 파장이 장파장 쪽으로 변화한다고 가정하였으나, 이에 제한되지 않으며 가스의 농도가 증가하는 경우 반응 파장이 단파장 쪽으로 변화하는 경우에도, 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 가스가 없다가 가스가 존재하는 경우, 가스의 농도가 증가한 경우와 동일하므로 감지부(120)의 반응 파장은 도 4에 도시된 411과 같이, 가스가 존재하지 않는 경우(410)에 비하여 장파장 쪽으로 변화한다.
이때, 신호 처리부(130)에 포함된 단주기 격자(131)에 의하여 장주기 격자 투과 광신호를 변조 주파수 f의 속도로 한정된 파장 범위, 즉λ1에서 λ2의 범위 내의 파장 값을 갖도록 변화시킨 주파수 변조된 광신호가 출력된다. 전술한 바와 같이, 가스의 농도의 증가에 따라 장주기 격자 투과 광신호의 반응 파장이 장파장 쪽으로 변화하게 됨으로써, 신호 처리부(130)에서 출력되는 주파수 변조된 광신호 는 파장 λ1의 투과율 403에서 파장 λ2의 투과율 402 사이의 빛의 세기를 갖고, 변조 주파수(f)를 갖는다. 즉, 도 4를 참조하여 살펴보면, 가스 농도가 증가하는 경우 출력된 주파수 변조된 광신호(421)는 가스가 존재하지 않는 경우의 주파수 변조된 광신호(420)에 비하여, 그 크기가 감소된 것을 알 수 있다.
이렇게 감소되어 출력된 신호 변환부에서 출력된 주파수 변조된 광신호는 농도 계산부로 입력되어 주파수 변조된 광신호의 크기에 비례하는 전기적 신호로 변환되고, 변환된 전기적 신호는 농도 계산부에 포함될 수 있는 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 통과하게 된다. 그리고 대역통과필터를 통과한 전기적 신호를 기초로 혼합 가스의 가스 별 농도를 보다 정확하게 산출하게 된다.
본 실시예에 따른 광 센서는 감지부(120)로 입력된 광신호가, 가스와 반응하여 가스 농도에 따라 반응 파장이 변화된 장주기 격자 광신호로 출력되고, 이를 신호 처리부(70)및 농도 계산부에서 처리하여, 가스 농도를 산출할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 경우, 특정 가스와 반응하는 재질을 코팅시킴으로써 가스를 감지하는 광센서로 사용할 수 있으며, 다른 물질과 반응하는 재질을 코팅할 경우 특정 물질의 농도 및 광학적 특성을 측정할 수 있는 센서로도 응용 가능하다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 응용예를 살펴보도록 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 다중센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도 이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 분산센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도 이다.
도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 다중 센서를 살펴보면, 장주기 격자의 반응 파장이 각각 상이한 감지부(120a, 120b, 120c…, 이하 120으로 칭함)와 장주기 격자의 반응 파장에 따른 반사 파장을 갖는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부(130a, 130b, 130c…, 이하 130으로 칭함)로 구성되어 있다. 농도 계산부(140)에 포함된 신호 변환부(141)에 의해서 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환시킨 후, 각각의 신호 처리부(130)의 변조 주파수와 조합을 이루는 대역투과 필터(143)들을 사용하면 각각의 감지부(120)에서 감지된 가스의 농도에 해당하는 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출해 낼 수 있다.
이때 각각의 감지부(120)에 포함된 장주기 격자에 코팅된 재질을 서로 다른 가스에 반응하는 재질로 변경하는 경우 혼합 가스를 측정하고자 하는 다중 센서로 구현할 수 있으며, 각각의 감지부(120)를 여러 곳에 분산 배치하는 분산 센서를 구현할 수 있다. 물론, 다중센서 및 분산센서 두 가지 모두로 함께 구현할 수 있음은 당업자에게 명확하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 기반으로 하는 분산센서 시스템의 응용예이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 광도파로에 여러 개의 감지부(120a, 120b, 120c…,이하 120로 칭함)를 제작하여 사 무실과 같은 공간의 여러 곳에 분산 배치 시켜 가스를 검출하는 원리이다. 기존의 센서와 달리 광섬유와 같은 광도파로를 기반으로 하는 가스센서이기 때문에 하나의 광섬유상에 여러 개의 감지부를 형성시킬 수 있으며, 감지부(120)의 개수가 증가하더라도 하나의 광원(110), 하나의 신호 처리부(130) 및 하나의 농도 계산부(140)를 사용하여 시스템을 구성할 수 있기 때문에 저렴하게 다중 분산 센서 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 광섬유를 기반으로 광센서를 구현할 수 있으며, 광섬유 자체의 광신호에 대한 삽입손실이 상당히 작기 때문에 광신호를 장거리 전송할 수 있다. 즉, 멀리 떨어진 곳의 가스농도를 검출할 수 있는 원격 가스 검출기에 응용이 가능하다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법에 대하여 살펴보도록 한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 제어흐름도 이다. 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 경우, 전술한 바 있는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서와 동일한 원리 및 동일한 동작과정을 가지므로 중복되는 설명은 생략하고 간략하게 살펴보도록 한다.
먼저, 광신호를 출력한다(S710). 이렇게 출력된 광신호를 입력 받아, 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력한다(S720). 그리고, 장주기 격자를 투과 광신호를 입력 받아, 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력한다(S730). 그리고, 주파수 변조된 광신호를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출한다(S740). 이 때, 주파수 변조된 광신호를 통하여 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계(S740)는 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여 가스 별 농도를 산출할 수 있으며, 크게 세가지 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하고(S741), 전기적 신호에서 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하여(S742), 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하게 된다(S743). 이러한 방법은 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법에 있어서도 동일하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 구성도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 구성을 나타낸 구성도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에서 출력된 장주기 격자 투과 광신호의 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부의 구성을 나타낸 구성도.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리부에서 출력된 주파수 변조된 광신호의 파장에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서의 농도 계산의 원리를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 다중센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서를 분산센서로 적용한 응용예를 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 기반의 격자 기반의 혼합 가스 측정방법의 제어흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 광원 140: 농도 계산부
120: 감지부
130: 신호 처리부
Claims (18)
- 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서,광신호가 출력되는 광원;상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부;상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제1항에 있어서,상기 농도 계산부는상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제1항에 있어서,상기 감지부의 최소 개수는측정하고자 하는 상기 혼합 가스의 종류 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제1항에 있어서,상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제1항에 있어서,상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제1항에 있어서,상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 혼합 가스 측정을 위한 격자형 광센서.
- 혼합 가스를 구성하는 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서,광신호를 출력하는 단계;상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 가스와 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계;상기 장주기 격자 투과한 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법.
- 제7항에 있어서,상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계;상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및상기 분리된 전기적 신호를 통하여 가스의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 가스 측정 방법.
- 제7항에 있어서,상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 가스의 가스 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 가스를 가스 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 가스 측정방법.
- 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서,광신호가 출력되는 광원;상기 광원으로부터 출력된 광신호가 입력되며, 상기 입력된 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력되도록 하는 재질로 코팅된 장주기 격자를 포함하는 감지부;상기 감지부로부터 출력된 장주기 격자 투과 광신호가 입력되어 변조 주파수(f)의 속도로 한정된 파장 범위 내에서 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력되게 하는 단주기 격자를 포함하는 신호 처리부; 및상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출 하는 농도 계산부를 포함하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제10항에 있어서,상기 농도 계산부는상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제10항에 있어서,상기 감지부의 최소 개수는측정하고자 하는 상기 혼합 물질의 종류 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제10항에 있어서,상기 감지부 및 상기 신호 처리부는 광도파로 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제10항에 있어서,상기 농도 계산부는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 제10항에 있어서,상기 장주기 격자를 코팅하는 재질은 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 혼합 물질 측정을 위한 격자형 광센서.
- 혼합 물질을 구성하는 물질의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서,광신호를 출력하는 단계;상기 광신호를 입력 받아, 상기 광신호가 상기 혼합 물질과 반응하여 광학적 특성이 변화된 장주기 격자 투과 광신호로 출력하는 단계;상기 장주기 격자 투과 광신호를 입력 받아, 한정된 파장 범위 내에서 변조 주파수(f)의 속도로 변화하는 파장을 갖는 주파수 변조된 광신호로 출력하는 단계; 및상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.
- 제16항에 있어서,상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는상기 주파수 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계;상기 전기적 신호에서 상기 주파수 변조된 광신호의 주파수 성분을 분리하는 단계; 및상기 분리된 전기적 신호를 통하여 물질의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.
- 제16항에 있어서,상기 주파수 변조된 광신호를 통하여 상기 혼합 물질의 물질 별 농도를 산출하는 단계는 상기 주파수 변조된 광신호의 크기를 통하여, 상기 혼합 물질을 물질 별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 격자 기반의 혼합 물질 측정 방법.
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