KR20110097108A - 광섬유형 온도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유형 온도센서에 관한 것으로서, 제1코어와 제1클래드로 된 메인부분 사이에 가열에 의해 제1코어보다 확장된 제2코어로 된 열확장부분을 갖는 열확장 코어광섬유와, 외부의 온도변화에 의해 구부려 지며 열확장부분이 구부림 방향을 따라 구속되게 안착되게 결합된 바이메탈 플레이트를 구비한다. 이러한 광섬유형 온도 센서에 의하면, 구조가 단순하고, 광의 세기 검출만으로 온도변화량을 감지할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광섬유형 온도센서{Fiber-optic temperature sensor}

본 발명은 광섬유형 온도 센서와 관한 것으로서, 상세하게는 열확장 코어광섬유의 구부림 손실을 이용한 광섬유형 온도센서와 관한 것이다.

광섬유는 신호를 전송하기 위한 통신용 이외에도 각종 센서용으로 이용되고 있다.

광섬유 센서는 높은 감도에 의한 정밀 측정, 원거리 측정, 다중분포 측정 및 전자파 무간섭 특성 등 많은 장점으로 인하여 그 응용이 매우 다양하다. 광섬유를 이용한 센서로 광섬유 고유의 특성을 이용하는 내부형 센서와 광섬유를 광전송 매체로서만 역할을 하고 외부의 센서소자가 광섬유와 결합된 외부형 센서가 있다.

한편, 고압의 전기설비나 기존의 전자 센서가 적용되기 힘든 조건의 환경에서 적용할 수 있도록 광섬유를 이용하여 온도를 측정하는 방식으로서, 광섬유 격자를 이용하는 방식이 알려져 있다.

광섬유 격자를 이용한 온도센서는 브래그 파장의 이동을 감시하는 방법으로 온도를 감지할 수 있기 때문에 다중화가 가능하다는 장점이 있지만 파장 이동을 검출하기 위해서는 고가의 장비가 요구되며 일반적으로 250 ^oC 이상의 고온에서는 동작하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 열확장 코어 광섬유를 이용하여 구조가 단순하면서도 고온에서도 동작할 수 있는 광섬유형 온도센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유형 온도센서는 제1코어와 제1클래드로 된 메인부분과, 상기 메인부분 사이에 가열에 의해 상기 제1코어보다 확장된 제2코어로 된 열확장부분을 갖는 열확장 코어광섬유와; 외부의 온도변화에 의해 구부려 지며 상기 열확장부분이 구부림 방향을 따라 구속되게 안착되게 결합된 바이메탈 플레이트;를 구비한다.

바람직하게는 상기 열확장 코어광섬유의 일측에서 상기 메인 부분을 통해 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되어 상기 열확장부분을 거쳐 전송된 광을 검출할 수 있도록 상기 열확장 코어광섬유의 타측에 설치된 광검출기;를 더 구비한다.

또한, 상기 열확장부분은 상기 바이메탈 플레이트에 접착제에 의해 접합된다.

더욱 바람직하게는 열확장부분의 제2클래드의 표면은 제1코어로부터 누설된 광의 흡수율을 높이기 위해 요철형태로 표면처리되거나, 광흡수물질로 코팅된 광흡수층을 더 구비한다.

본 발명에 따른 광섬유형 온도센서에 의하면, 구조가 단순하고, 광의 세기 검출만으로 온도변화량을 감지할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 온도센서를 나타내 보인 측면도이고,
도 2는 도 1의 열확장 코어광섬유의 제조과정 및 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 1의 열확장 코어광섬유의 상호 다른 코어 반경에 따른 구부림 손실을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 제작된 열확장 코어광섬유의 흡수 스펙트럼을 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 제작된 열확장 코어 광섬유의 열확장 부분을 절단하여 촬상한 사진이고,
도 6은 온도변화에 따른 구부림 손실을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유형 온도 센서를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 온도센서를 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 광섬유형 온도센서는 바이메탈 플레이트(10), 열확장코어 광섬유(20), 광원(40), 광검출기(50)를 구비한다.

열확장 코어 광섬유(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1코어(21)와, 제1클래드(22)로 된 메인부분(23)과, 메인부분(23) 사이에 가열에 의해 제1코어(21)보다 확장된 제2코어(25)로 된 열확장부분(27)을 갖는 구조로 되어 있다.

메인 부분(23)은 일반적인 단일모드 광섬유 구조로 된 부분을 말하는 것으로서, 제1코어(21)와 제1클래드(22)로 되어 있다.

열확장부분(27)은 메인부분(23) 사이에 제1코어(21)보다 외경이 확장되게 형성된 제2코어(25)로 된 부분이다. 참조부호 26은 열확장부분(27)을 이루고 있는 제2클래드이다.

이러한 열확장부분(27)은 통상 일반 단일모드 광섬유에 열을 인가함으로써 형성된다.

바이메탈 플레이트(10)는 열팽창계수가 상호 다른 두 금속판이 붙어 있는 구조로 되어 있다. 이러한 바이메탈 플레이트(10)는 주위 온도가 변하면 구부림 변형이 발생하며, 온도를 측정하고자 하는 위치에 설치하면 된다.

또한, 열확장코어 광섬유(20)는 바이메탈 플레이트(10)의 온도 변화에 따른 구부림 방향을 따라 열확장부분(27)이 연동되어 구부려질 수 있도록 설치되면 된다.

도시된 예에서는 열확장 코어 광섬유(20)의 열확장부분(27)이 바이메탈 플레이트(10)에 안착되게 한 상태에서 고정용 접착제(30)로 열확장코어 광섬유(20)를 바이메탈 플레이트(10)에 접합하였다.

접착제(30)는 에폭시 수지 등 적절하게 적용하면 된다.

이하에서는 이러한 광섬유형 온도센서의 특성을 살펴본다.

먼저, 일반 단일모드 광섬유의 일부분에 고열이 가해지면 코어에 도핑된 불순물의 확산으로 코어가 확장되는 열확장부분(27)을 갖게 되며, 이러한 열확장부분(27)은 구부림에 민감한 전송특성을 가진다. 열확장 코어 광섬유(20)의 열확장부분927)은 코어가 확장되는 반면 개구수(numerical aperture) 가 감소하여 작은 구부림에도 광에너지가 제2코어(25) 밖으로 누설되는 특성을 가진다.

따라서, 열팽창계수가 다른 두 금속판이 붙어 있어 주위 온도가 변하면 구부림 변형이 발생하는 바이메탈 플레이트(10)의 구부림에 의해 열확장 코어 광섬유(20)의 구부림 손실을 측정하면 바이메탈 플레이트(10)의 온도를 측정할 수 있다.

또한, 열확장 코어 광섬유(20)는 국부적으로 제한된 영역인 열확장부분(27)에만 제2코어(25)가 확장되어 있기 때문에 감지 영역이 되는 열확장부분(27) 이외의 메인부분(23)에서의 구부림에 의한 손실은 거의 발생되지 않는다.

한편, 주위 온도 변화에 따른 바이메탈 플레이트(10)의 구부림 반경(R)은 아래의 수학식 1과 같이 변하게 된다.

여기서 K는 바이메탈 플레이트(10)의 고유 상수, t는 바이메탈 플레이트(10)의 두께 그리고

는 주변 온도 변화를 의미한다. 열에 의한 변형률은 바이메탈 플레이트(10)의 두께(t)가 얇을수록 그리고 K값이 클수록 크다.

한편 단일모드 광섬유에 1300 ^oC 이상의 고열을 가하면 코어에 도핑된 불순물이 클래딩으로 확산되면서 코어가 확장되고 코어-클래딩간의 굴절률 차이가 감소하고, 코어와 클래딩의 굴절률 차이가 감소함에 따라 개구수(numerical aperture )가 감소한다. 하지만 모드의 진행 방향으로 정규화 주파수는 일정하다. 코어가 점차적으로 확장되며 모드 진화 현상에 의해 큰 손실 없이 모드가 확장된다. 계단형 단일모드 광섬유의 구부림 손실은 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서, a, R, K₁ 그리고

는 코어의 반경, 광섬유의 구부림 반경, 2종 수정 베셀(Bessel) 함수 그리고 광섬유의 비 굴절률차이를 의미한다. 그리고 U 와 W는 코어와 클래딩에서 횡방향 전파상수를 각각 의미하며 V는 정규화 주파수를 나타낸다.

위 수학식2를 이용하여 다양한 열확장 코어 광섬유의 구조에 대하여 구부림 손실을 계산한 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 각 그래프가 나타내는 코어의 크기와 비 굴절률차는 모두 다르지만 정규화 주파수(V)는 일정한 것으로 가정하였고, 일반 통신용 광섬유의 코어가 확장된 계단형 굴절률 분포를 가지는 것으로 가정하여 계산하였다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 곡률 반경이 감소함에 따라 구부림 손실량은 지수함수로 증가하고, 코어가 크게 확장 될수록 더 큰 구부림 손실을 가짐을 알 수 있다. 열확장이 안된 통신용 단일모드와 코어가 2배, 혹은 3배로 확장된 광섬유의 구부림을 비교해 보면 그 차이가 매우 크다는 사실을 알 수 있다.

이러한 열확장 코어 광섬유(20)가 구부림에 민감하게 손실이 변하는 성질을 이용 하면 원하는 측정위치에 열확장 코어 광섬유(20)를 바이메탈 플레이트(10)에 부착하여 온도를 측정할 수 있다.

또한, 측정 위치 밖에서는 메인부분(23)이 일반 단일 모드 광섬유 구조를 가지기 때문에 구부림 손실을 억제 할 수 있다.

< 제조예 >

먼저, 열확장 코어 광섬유(20)를 제작하기 위해 제1코어(21)의 지름은 8.2㎛, 제1클래드(22)의 지름이 125㎛ 그리고 비굴절률 차이가 3.4%인 광통신용 단일모드 광섬유가 이용되었다. 도 2에서와 같이 두 개의 작은 토치(100)에서 나오는 산소-LPG 혼합가스 불꽃을 왕복 주행하는 방식으로 광섬유에 열을 가하였다. 일반적인 융착 광섬유 커플러 제조 장치를 이용하여 열확장 코어 광섬유를 제작하였다. 도 2에서 코어가 확산된 부분 즉 열확장부분(27)의 길이는 10 mm 이다.

불꽃이 주행한 양쪽 끝단에서 코어의 크기가 연속적으로 천천히 변하며 따라서 모드의 크기가 서서히 진화하며 경계 영역에서 큰 결합손실은 발생하지 않는다. 제작 과정에서는 열을 가하는 시간으로 코어의 확산 정도를 제어하였다. 제작과정에서 광섬유가 열에 노출 후 15분과 30분 후 측정된 흡수 스펙트럼을 도 4에 도시하였다.

열확장 후 광섬유는 1390 nm 파장 부근에서 0.4 dB 정도의 추가 적인 흡수 손실을 보였다. 이는 열확장이 이루어지는 동안 O-H기의 추가적인 흡수에 의해 발생하는 것으로 사료 된다.

파장 1550 nm에서는 코어 확장으로 인하여 추가적으로 발생하는 손실은 0.2 dB 이하로 나타났다.

제작된 열확장 코어 광섬유의 확장된 코어 크기를 측정하기 위하여 광섬유를 절단하고 연마한 후 광섬유의 단면을 확대하여 촬영한 사진이 도 5에 도시되어 있다. 여기서 마이크로토치(100)의 불꽃에 각가 15분과 30분 노출하여 열처리하여 제작된 열확장 코어 광섬유를 각각 TEC fiber A 및 B로 표기하였다. 두 소자의 코어의 크기는 확장 전의 광섬유의 코어의 2배와 3 배 정도로 관측되었다.

제작된 열확장 코어 광섬유(20)는 에폭시에 의해서 바이메탈 플레이트(10)의 양 끝에 부착하였다. 실험에 사용된 바이메탈 플레이트(10)는 스미모토사의 BL-2 모델이다. 열확장계수가 높은 쪽의 금속은Ni-Mn-Fe 합금이며, 열확장 계수가 낮은 쪽 금속은 Ni-Fe 합금이다. 바이메탈 플레이트(10)의 두께는 0.2 mm이고 수학식1에 표시된 계수 K 는

이다. 수학식 1을 이용하여 곡률 반경을 계산해본 결과 100^oC, 200^oC, 300^oC에서 약 71mm, 29 mm, 18 mm 로 나타났다. 이 정도의 곡률 반경이면 일반 광섬유는 거의 구부림 손실을 가지지 않지만 열확장 코어 광섬유(20)는 충분한 구부림 손실을 가질 수 있다.

제작된 소자는 핫플레이트(hot plate) 위에 장착시켜 핫플레이트 표면 온도를 증가 시키면서 광 구부림 손실을 측정하였다.

측정에 사용한 광원(40)은 매우 안정적인 특성을 가지며 1550 nm 파장을 가지는 DFB(distributed feedback ) 레이저 다이오드를 사용하였다. 측정결과 열확장이 안 된 일반 광섬유는 온도 센서 기능을 전혀 나타내지 못하였다.

이에 반해 TEC fiber A와 B는 이론적 예측과 달리 구부림 반경의 감소에 따라 구부림 손실이 연속적으로 증가하는 경향을 보이지 않았다. 즉 높은 온도에서 구부림 손실이 다시 감소와 증가가 반복되는 현상이 관측되었다. 이러한 현상은 수학식2에서 고려하지 않은 사항이 있기 때문으로 분석되었다. 즉, 수학식2는 클래딩의 두께를 무한대로 가정한 계산식이지만 실제 실험에 사용한 광섬유는 유한한 클래딩 두께를 가지고 있다. 또한, 실험결과와 이론의 차이를 빔전파방법(beam propagation method)으로 분석한 결과, 확장된 제2코어(25)로부터 누설된 광이 공기와 제1 또는 제2클래드(22)(26) 경계에서 반사되어 일부 광이 코어(21)(25)로 재결합된 현상에 기인하는 것으로 나타났다.

따라서, 바람직하게는 열확산부분(27) 및 그 주변의 광섬유 클래드(22)(26)에 광을 완전히 흡수할 수 있는 광흡수물질을 코딩한 광흡수층(미도시)을 형성하고나, 클래드 표면을 누설과이 산란될 수 있도록 거칠한 요철 상태로 형성한다.

한편, 도 6에서 TEC fiber A는 170 ^oC 까지 바이메탈 플레이트(10)의 구부림에 대하여 구부림 손실이 천천히 증가하는 경향을 보였다. 반면 상대적으로 코어가 많이 확장된 TEC fiber B는 100 ^oC 까지 급속도로 구부림 손실이 증가하다 다시 감소하는 경향을 보였다. 측정 온도 범위는 첫 번째 변곡점을 보이는 온도가 되며 감도는 온도에 따른 구부림 손실의 변화로 정의 할 수 있다. 도 6을 통해 온도 센서로 사용하기 위해서는 코어가 충분히 확산되어야 함을 알 수 있다. 측정온도 범위에 따라 코어의 확산정도를 적절하게 제어하여 이용하면 된다.

한편, 도시되지는 않았지만 광원(40)의 출력 흔들림을 보상할 수 있도록 광원(40)에서 출사되는 광을 광커플러로 분기하고, 분기된 각각의 광중 하나는 열확산 코어 광섬유(20)에 나머지 하나는 기준포트용 광섬유에 전송시켜 각 광섬유의 출력단의 광출력의 세기를 광검출기로 비교하도록 구축될 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 제1코어와 제1클래드로 된 메인부분과, 상기 메인부분 사이에 가열에 의해 상기 제1코어보다 확장된 제2코어로 된 열확장부분을 갖는 열확장 코어광섬유와;
   외부의 온도변화에 의해 구부려 지며 상기 열확장부분이 구부림 방향을 따라 구속되게 안착되게 결합된 바이메탈 플레이트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 온도 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 열확장 코어광섬유의 일측에서 상기 메인 부분을 통해 광을 출사하는 광원과;
   상기 광원에서 출사되어 상기 열확장부분을 거쳐 전송된 광을 검출할 수 있도록 상기 열확장 코어광섬유의 타측에 설치된 광검출기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 온도센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 열확장부분은 상기 바이메탈 플레이트에 접착제에 의해 접합된 것을 특징으로 하는 광섬유형 온도센서.
4. 제3항에 있어서, 상기 열확장부분의 제2클래드의 표면은 상기 제1코어로부터 누설된 광의 흡수율을 높이기 위해 요철형태로 표면처리되거나, 광흡수물질로 코팅된 광흡수층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 온도센서.
   

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