KR20120122612A - 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템 - Google Patents

분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20120122612A
KR20120122612A KR1020110040874A KR20110040874A KR20120122612A KR 20120122612 A KR20120122612 A KR 20120122612A KR 1020110040874 A KR1020110040874 A KR 1020110040874A KR 20110040874 A KR20110040874 A KR 20110040874A KR 20120122612 A KR20120122612 A KR 20120122612A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical
optical fiber
light
spectrometer
filter
Prior art date
Application number
KR1020110040874A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101209627B1 (ko
Inventor
조창민
박찬익
이봉완
서민성
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020110040874A priority Critical patent/KR101209627B1/ko
Publication of KR20120122612A publication Critical patent/KR20120122612A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101209627B1 publication Critical patent/KR101209627B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0213—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using attenuators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
    • G01K15/005—Calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02052—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising optical elements other than gratings, e.g. filters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

본 발명은 분광기(광스펙트로미터)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템에 관한 것으로, 구조물의 정확한 물리량 측정을 위해 광스펙트로미터의 실시간 파장교정 기능을 포함하며, 광원, 광 Isolator, 광커플러, 반사형 광필터, 광필터의 항온 유지를 위한 온도 조절장치, 광스펙트로미터, 광신호 처리부 그리고 물리량 측정을 위해 직렬로 연결되어 있는 단일모드 광섬유 케이블에 복수개의 파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하여 구성된다.
광스펙트로미터는 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사되는 빛과 광필에 의해 광주파수 격자 정보를 포함하고 있는 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하며, 반사형 광필터에 의해 발생되는 잡음크기의 광주파수 격자정보를 포함하는 광스펙트럼을 이용하여 광스펙트로미터에 대해 실시간적 파장보정을 실시한다. 파장 보정을 위해 사용되는 저반사율의 반사형 광필터는 광필터에 의해 형성되는 광주파수 격자 가 위치하는 광주파수를 알 수 있으며 광섬유 페룰을 이용하기 때문에 제작이 용이하고 제작 비용이 저렴한 장점을 지닌다.

Description

분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템{Optical fiber sensor system using an optical spectrometer}
본 발명은 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하고 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 이용하여 온도, 스트레인(strain) 변화 등의 물리량을 측정하는 시스템의 정확도 향상을 위해 저반사율의 반사형 광필터를 이용하여 실시간으로 광스펙트로미터에 대한 파장 보정을 실시하여 물리량 측정 시스템의 정확도를 향상시키는, 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템에 관한 것이다.
광섬유센서 시스템은 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)의 파장 보정을 위해 광스위치와 광필터를 사용하며, 광스위치에 광필터를 연결하는 구조로 되어 있다. 따라서, 광스펙트로미터(분광기)는 파장 측정을 위한 빛(광신호)과 파장보정에 사용되는 빛(광주파수 격자 신호)이 광스펙트로미터에 동시에 입사되지 않고, 시간적 차이를 두고 광스펙트로미터에 입사되기 때문에 광스펙트로미터에 대한 파장보정이 실시간으로 이루어지지 않는다.
기존 시스템에 사용되는 광필터는 고가이며 광필터에 의해 형성되는 광주파수 격자의 간격은 알 수 있으나 각 격자에 대한 광주파수는 알 수 없기 때문에 광주파수 인식을 위한 별도의 신호처리를 포함해야 한다.
광섬유센서 시스템은 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)의 파장 보정을 위한 다른 방법으로는 온도에 민감하지 않도록 제작된 특정 파장의 빛을 반사시키는 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 사용하여 이를 기준으로 외부 온도변화에 대한 광스펙트로미터의 파장을 보정하여 광스펙트럼 측정에 대한 정확도를 유지한다. 그러나, 광스펙트로미터의 측정 가능한 모든 파장 범위에 대한 파장 보정은 실시할 수 없는 문제점이 있었다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하며 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 이용하여 구조물의 물리량을 측정하는 시스템의 정확도 향상을 위해 광주파수 격자에 대한 각각의 광주파수를 인식할 수 있는 저반사율의 광필터를 사용함으로써 1550nm 파장의 단일모드 광섬유 케이블(single mode optical fiber cable)에 존재하는 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사되는 광신호와 광필터에 의해 생성되는 광주파수 격자 신호를 광스펙트로미터로 동시에 입사되도록 하여 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 중심 파장측정과 동시에 광스펙트로미터의 파장 보정을 실시하는, 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광감쇄기가 추가된 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템은, 단일모드 광섬유 케이블로 넓은 파장영역을 가지는 빛을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 빛이 상기 단일모드 광섬유 케이블을 통해 한 방향으로 전송하고, 그 반대 방향으로 빛의 전송을 차단하는 광 Isolator; 상기 광섬유 케이블로 전파되는 입력 빛을 2개 이상의 출력광으로 분기하거나 또는 2개 이상의 빛을 하나의 출력 광으로 출력 광신호로 결합하는 광커플러; 상기 광커플러로부터 출력되는 빛을 광신호를 입력받고, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하며, WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화 방식)으로 특정 파장의 빛을 통과(Transmit)시키고 그 외 다른 파장의 빛을 반사(Reflect)시키는 광필터; 상기 단일모드 광섬유 케이블에 존재하는 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 특정 파장(λ1,λ2)의 광신호 및 상기 광필터로부터 반사되는 광주파수 격자 신호를 입력받아 두 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 실시간으로 파장교정 기능을 제공하는 광 스펙트로미터; 상기 광 스펙트로미터에 의해 측정된 광 스펙트럼 신호를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)의 반사 파장을 검출하는 광신호 처리부; 및 상기 광섬유 케이블 내에 직렬로 연결된 복수개의 파장(λ:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함한다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템은, 단일모드 광섬유 케이블로 넓은 파장영역을 가지는 빛을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 빛이 상기 단일모드 광섬유 케이블을 통해 한 방향으로 전송하고, 그 반대 방향으로 빛의 전송을 차단하는 광 Isolator; 상기 광섬유 케이블로 전파되는 입력 빛을 2개 이상의 출력광으로 분기하거나 또는 2개 이상의 입력 빛을 하나의 출력 광으로 결합하는 광커플러; 상기 광커플러로부터 출력되는 빛을 입력받고, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하며, WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화 방식)으로 특정 파장의 빛을 통과(Transmit)시키고 그 외 다른 파장의 빛을 반사(Reflect)시키는 광필터; 광스펙트로미터의 파장 보정에 대한 온도 안정성 확보를 위해 외부 환경의 온도 변화에 대하여 상기 광필터에서 형성되는 상기 광주파수 격자 신호의 안정성을 확보하도록 상기 광필터의 항온 유지(25℃±1℃)를 위한 온도조절장치; 상기 광필터의 앞부분에 설치되고, 저 반사율 반사형 광필터에 의해 광주파수 격자 신호(광주파수 격자가 형성된 빛)가 반사되어 상기 광커플러를 통해 상기 광 스펙트로미터로 입사되는 광주파수 격자 신호를 가지는 빛 세기를 조절하는 광감쇄기; 상기 단일모드 광섬유 케이블에 존재하는 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 특정 파장(λ1,λ2)을 가지는 빛과 상기 광필터로부터 반사되는 광주파수 격자 신호를 입력받아 두 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 실시간으로 파장교정 기능을 제공하는 광 스펙트로미터; 상기 광 스펙트로미터에 의해 측정된 광 스펙트럼 신호를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG)의 반사 파장을 검출하는 광신호 처리부; 및 상기 광섬유 케이블 내에 직렬로 연결된 복수개의 파장(λ:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하여, 상기 광스펙트로미터의 파장 보정과 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 빛의 광스펙트럼의 동시 측정과 신호처리를 통해 건축, 토목, 항공기, 선박 등의 구조물의 온도 및 스트레인(strain) 변화 등의 정확한 물리량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 광필터는 저반사율을 이용한 반사형 광필터이기 때문에 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사되는 빛의 파장 측정과 광스펙트로미터의 파장 보정을 동시에 실시하며, 사용된 광필터의 제작이 쉽고 비용이 저렴하고, 상기 광필터에 브래그 격자를 추가하여 광필터에 의해 형성되는 광주파수격자에 대한 각각의 광주파수 인식이 가능하며, 광스펙트로미터기(Optical Spectrometer)의 측정가능한 모든 파장 범위에 대해 광스펙트로미터의 파장 보정이 가능하여 직렬로 연결되어 있는 복수개의 파장(λ:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)의 중심파장을 측정함으로써 보다 많은 지점에 대해 정확하게 구조물의 물리량을 측정한다.
도 1은 본 발명에 따른 분광기(Optical Spectrometer)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 광섬유 케이블에 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)가 포함된 저 반사율 반사형 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자에서 반사된 빛에 대한 광스펙트럼 측정의 왜곡을 방지하기 위해 광감쇄기를 추가 구성한 광섬유센서 시스템 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템 구성도이고, 실시간 광스펙트로미터의 파장교정이 가능한 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 이용하여 온도, 스트레인(strain) 변화 등의 물리량을 측정하는 시스템이다.
광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템은 단일 모드 광섬유 케이블(single mode optical fiber cable)로 넓은 파장영역을 가지는 빛을 제공하는 광원(10); 광원(10)으로부터 제공된 빛이 단일모드 광섬유 케이블을 통해 광커플러(12)의 한 방향으로 전송하고, 그 반대 방향으로 빛의 전송을 차단하는 광 Isolator(11); 광섬유 케이블로 전파되는 입력 빛을 2개 이상의 출력광으로 분기하거나 또는 2개 이상의 입력 빛을 하나의 출력 빛으로 결합하는 광커플러(Optical Coupler)(12); 상기 광커플러(12)로부터 상기 하나의 출력 빛을 입력받고, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하며, WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화 방식)으로 특정 파장의 빛을 통과(Transmit)시키고 그 외 다른 파장의 빛을 반사(Reflect)시키는 본 발명에서 제안한 저반사율 반사형 광필터(13); 광스펙트로미터(15)의 파장 보정에 대한 온도 안정성 확보를 위해 외부 환경의 온도 변화에 대하여 상기 광필터(13)에 의해 형성되는 상기 광주파수 격자 신호의 안정성을 확보하도록 상기 광필터의 항온 유지(25℃±1℃)를 위한 온도조절장치(14); 단일모드 광섬유 케이블에 존재하는 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 특정 파장(λ1,λ2)의 빛과 광필터(13)로부터 반사되는 광주파수 격자 신호를 가지는 빛의 광스펙트럼을 측정하고, 실시간으로 실시간 파장교정 기능을 제공하는 광스펙트로미터(15); 상기 광스펙트로미터(15)에 의해 측정된 광 스펙트럼 신호를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)의 반사 파장을 검출하는 광신호 처리부(16); 및 상기 광섬유 케이블 내에 직렬로 연결된 복수개의 파장(:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하며,
상기 광스펙트로미터(15)가 파장 보정과 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 빛의 광스펙트럼의 동시 측정과 신호처리를 통해 건축, 토목, 항공기, 선박 등의 구조물의 온도 및 스트레인(strain) 변화 등의 정확한 물리량을 측정한다.
상기 광필터(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 반사형 광필터를 사용하며 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성한다.
상기 광필터(13)는 두 광반사면 사이의 공간상 일정 간격의 유지를 위해 광섬유와 동일한 재질(SiO2,산화규소)의 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터를 사용하며, 상기 광스펙트로미터(15)의 파장을 보정한다.
상기 반사형 광필터(13)는 외부 온도변화에 따라 열팽창계수가 '0'에 가까운 재료(zerodur)로 제작된 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용하여 제작된 광필터를 포함하는 것으로 상기 광필터를 이용하여 광스펙트로미터의 파장을 보정한다.
상기 반사형 광필터(13)는 도 3에 도시된 바와 같이 단일 모드 광섬유 케이블에 반사 파장을 사전에 인식하고 있는 하나의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 포함하는 광필터로써, 일측에 광반사면을 구비한 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)로 도포되는 구조로 되어 있으며, 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성하고, 광섬유 브래그 격자에 의해 상기 반사형 광필터(13)에 의해 형성되는 광주파수 격자의 광주파수 인식이 가능하다.
상기 광스펙트로미터(15)는 상기 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호 및 상기 광커플러(12)에 입사되는 광신호(빛)의 광스펙트럼을 동시에 측정하여 상기 광스펙트로미터(분광기)(15)의 파장 보정과 함께 광스펙트럼을 측정한다.
다른 실시예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 광필터에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼에 의해 물리량 측정에 사용되는 광섬유브래그 격자에서 반사된 빛의 광스펙트럼 측정시 왜곡을 방지하기 위해 광감쇄기(12-1)를 더 추가하는 분광기(Optical Spectrometer, 광스펙트로미터)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템을 구성하였다.
광스펙트로미터(15)에서 측정되는 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 λ1,λ2의 파장을 가지는 빛의 광스펙트럼신호의 왜곡이 발생하지 않도록 하기 위해, 광감쇄기(12-1)는 광필터(13)의 앞부분에 설치되고, 저 반사율 반사형 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호(광주파수 격자가 형성된 빛)가 반사되어 상기 광커플러(12)를 통해 상기 광스펙트로미터(15)로 입사되는 광주파수 격자 신호의 크기를 조절한다.
상기 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)는 온도, 스트레인(strain)과 같은 물리량의 변화에 따라 반사되는 빛의 중심파장이 변화하기 때문에, 1550nm 파장의 단일모드 광섬유 케이블(single mode optical fiber cable)에 존재하는 광섬유 브래그 격자(FBG)로부터 반사되는 빛의 중심파장 변화의 측정으로부터 광섬유 브래그 격자(FBG)가 설치된 구조물(건축, 토목, 항공기, 선박)의 특정 지점의 온도, 스트레인의(strain) 변화 등의 물리량 측정이 가능하다.
참고로, 광섬유 브래그 격자(FBG)는 광섬유증폭기(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier, 에르븀 첨가 광섬유증폭기), 광섬유 레이저, 여러 종류의 광필터, 광섬유 센서용으로 사용된다.
광 필터(13)는 저반사율을 가지는 반사형 광필터를 사용하며, 특정 광주파수 만큼의 차이를 가지고 특정 광주파수에서 반사율이 크게 나타나는 광주파수 격자 신호를 발생한다.
측정 원리는 다음과 같이 설명한다.
광원(10)으로부터 출력된 넓은 파장영역을 가지는 빛은 광 Isolator(11)와 광 커플러(12)를 통과한 후, 각각 물리량 측정을 위해 연결된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)와 실시간으로 광스펙트로미터의 파장 보정을 위한 광필터(13)로 입사된다.
상기 복수개의 광섬유 브래그 격자에 입사된 넓은 파장영역을 가지는 빛(10)은 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장의 빛(λ1,λ2의 파장의 광신호)이 반사되어 광커플러(12)를 통해 다시 광스펙트로미터(15)에 입사된다. 또한, 광필터(13)로 입사된 넓은 파장영역을 가지는 빛도 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛이 광커플러(12)를 통해 광스펙트로미터(15)로 동시에 입사하게 된다. 상기 광 필터(13)는 저반사율을 가지는 필터로 구성하기 때문에, 반사된 광주파수 격자 신호(반사된 빛)의 크기가 작으며, 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호의 스펙트럼은 특정 광주파수에서 반사율이 크게 나타나고 특정 광주파수 만큼의 차이마다 피크가 나타나는 광스펙트럼을 형성하게 된다. 이를 광주파수 격자 신호라 정의한다.
광섬유 브래그 격자(FBG)와 광필터(13)에 의해 반사된 물리정보를 포함하는 빛과 광주파수 격자 신호(반사된 빛)를 포함하는 빛이 광스펙트로미터(15)로 동시에 입사하게 된다. 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광신호(빛의 신호)의 세기는 크며, 광필터(13)에 의해 반사된 빛의 세기는 상대적으로 작기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 광스펙트로미터(15)는 잡음 수준의 신호크기를 가지는 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호 위에 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating)에서 반사된 광스펙트럼이 더해지는 형태로 측정된다.
Figure pat00001
여기서, C는 광속 3x108 m/sec, f는 광주파수, λ는 파장을 나타낸다.
광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 λ1,λ2의 파장의 광신호(특정 파장의 빛)는 수학식1에 의해 각각 광주파수(f)를 구할 수 있다.
이때 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 스펙트럼신호는 잡음 수준의 작은 신호이기 때문에, 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 광스펙트럼신호를 왜곡시키지 않게 된다. 따라서, 광섬유 브래그 격자(FBG)의 신호를 분석한 후, 광필터(13)의 신호를 분석함으로써 물리량의 측정과 광스펙트로미터의 파장보정을 실시간으로 실행하게 된다.
파장 보정을 위한 광필터(13)의 신호 분석은 다음과 같다.
광필터(13)에서 반사된 빛의 세기는 작기 때문에, 광스펙트로미터(15)는 광필터(13)에 의해 형성되는 광주파수 격자 신호의 검출을 위해 여러 번 측정된 스펙트럼 데이터를 덧셈을 통해 신호의 크기를 증가시킨 후 광주파수의 격자 신호를 측정하고, 특정 함수의 피팅(fitting)을 이용하여 격자의 위치를 정밀하게 측정한다. 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자의 위치는 절대적인 광주파수 위치에서 형성되기 때문에, 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 광주파수를 측정하고, 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호를 이용하여 광스펙트로미터에서 측정된 광섬유 브래그 격자의 광주파수를 보정한다.
즉, 광원(10)에서 출력된 넓은 파장영역을 가지는 빛은 광 Isolator(11)와 광 커플러(12)를 통해 광필터(13)와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사하게 된다. 광섬유 브래그 격자에 의해 특정 파장(λ1,λ2)을 가지는 광신호(빛)가 반사되고, 상기 광필터(13)에 의해 광주파수 격자가 형성된 빛 함께 광커플러(12)를 통해 광스펙트로미터(15)에 입사된다. 광스펙트로미터(15)는 상기 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 이로부터 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 중심파장을 측정한다. 이때 사용된 저반사율 반사형 광필터(13)에 의해 광스펙트로미터(15)로 입사되는 광주파수 격자 신호(빛)는 광주파수 격자의 정보를 포함하고 있는 잡음 크기의 빛이기 때문에, 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 광신호의 스펙트럼을 왜곡 없이 측정 가능하다. 또한, 광스펙트로미터(15)는 광필터(13)에 의한 광주파수 격자 신호의 검출을 위해 여러 번 측정된 스펙트럼 데이터에 대한 덧셈과 특정 함수의 피팅(fitting)을 이용한다.
이때 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호(반사된 빛)와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광신호의 광스펙트럼이 동시에 측정되기 때문에, 측정된 광스펙트럼의 덧셈에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 광신호의 스펙트럼신호는 측정범위를 넘어서게 된다. 따라서, 광스펙트로미터(15)는 측정 범위를 벗어난 부분을 제외한 나머지 광스펙트럼의 신호분석을 통해 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호의 스펙트럼의 피크 위치를 검출하고, 이를 이용하여 광스펙트로미터(15)의 파장을 보정함으로써 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 빛의 중심파장을 정확하게 측정한다.
광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자는 광 스펙트로미터(15)의 측정 가능한 전 영역에 대해 등간격으로 형성되기 때문에, 광 스펙트로미터(15)로 측정 가능한 모든 범위에 대한 파장 보정이 가능하다.
본 발명에 사용되는 저 반사율을 가진 반사형 광필터(13)는 광섬유의 단면과 다른 광반사면 사이에서 발생하는 약 4%의 저 반사에 의해 형성되는 Etalon Filter를 이용한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터의 구조를 나타낸 도면이다.
광섬유의 단면과 광반사면에서 발생하는 광반사에 의해 광주파수 격자가 형성하게 된다. 광섬유(optical fiber) 단면에서의 반사는 광섬유와 공기의 굴절률 차이에 의한 프레넬 반사(fresnel reflection)가 발생하게 된다. 광필터(13)에 의해 형성되는 광주파수 격자의 간격은 두 반사면의 거리에 의해 결정되며 외부의 온도 변화에 따라 두 반사면의 거리가 일정하게 유지되도록 하는 것이 좋은 광필터의 제작조건이다.. 본 발명은 외부환경의 온도변화에도 두 반사면의 거리를 일정하게 유지시키기 위해 광섬유와 동일한 재질의 실리카 재질(SiO2, 산화규소)로 제작된 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하여 두 반사면의 거리를 일정하게 유지하였다. 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하기 때문에 소형 광필터의 제작이 가능하며, 제작된 반사형 광필터(13)는 온도 조절 장치(14)를 이용하여 광필터(13)를 항온 유지함으로써 외부환경 온도변화에 따른 광주파수 격자 신호의 안정성 유지가 용이하다.
참고로, 광섬유(optical fiber)는 실리카 재질의 산화규소(SiO2)를 주로 사용하며, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)도 실리카 재질의 산화규소(SiO2)를 사용한다.
광섬유와 동일한 실리카 재질의 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용하여 Etalon Filter를 형성하는 두 반사면 사이의 공간상 거리를 유지하는 구조로 이루어져 있으며, 광섬유(optical fiber)와 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)간의 열팽창계수가 동일하고 작은 크기로 광필터(13)의 제작이 가능하기 때문에, 항온유지 온도 조절 장치(14)를 이용하여 광필터(13)를 항온으로 유지시키면 외부환경 온도변화에 대한 광주파수 격자의 안정성 유지가 용이하다.
도 2에서 제안한 저반사율 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자신호에서 두 반사면의 거리에 의해 특정한 광주파수 차이마다 반사율이 크게 발생하는 광주파수 격자가 형성되기 때문에 격자간격에 해당되는 광주파수 차이는 알 수 있지만 각 격자의 위치에 해당되는 절대적인 광주파수의 인식은 어렵다. 따라서 광주파수 격자 신호가 형성되는 지점의 광주파수를 측정하기 위해 다른 측정 장치나 방법 등을 활용하여야 한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 발명은 광섬유 브래그 격자(FBG)가 형성된 광섬유를 이용하여 광필터를 제작하는 방법을 제안하였다.
브래그 격자가 형성된 광섬유를 이용하면, 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장의 빛의 반사가 크게 발생하게 된다. 따라서, 이를 이용하여 광필터(13)를 제작하면 광필터(13)에 의해 광주파수 격자가 형성된 광스펙트럼 신호 위에 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광스펙트럼 신호가 더해지는 형태로 광스펙트럼이 형성된다. 제작된 광필터(13)는 광섬유 브래그 격자(FBG)와 함께 항온유지가 가능하기 때문에 외부 환경의 온도변화에 따른 광주파수 격자의 안정성을 확보할 수 있으며 각 격자의 위치에 해당되는 광주파수의 인식이 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터(13)에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼은 주기적인 격자를 형성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 케이블에 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)가 포함된 저 반사율 반사형 광필터(13)에 의해 반사된 빛의 광주파수 격자 스펙트럼은 등간격의 주기적인 격자 위에 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 특정 광주파수 성분을 가지는 빛의 스펙트럼 신호가 더해지는 형태로 나타나며, 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호보다 크게 발생된다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 광섬유 케이블에 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)가 포함된 저 반사율 반사형 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자 스펙트럼을 나타내며, 광필터(13)와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 스펙트럼을 나타낸다.
광주파수 격자 스펙트럼의 굵은 선은 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광 스펙트럼을 나타내며, 얇은 선은 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자의 스펙트럼을 나타낸다.
상기 광필터(13)와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 형성된 광 스펙트럼신호에서 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사되는 빛의 광주파수는 사전에 알 수 있고, 광주파수 격자가 형성되는 광주파수 간격을 알고 있기 때문에 이를 이용하여 광필터(13)에 의해 형성된 각 격자의 위치에 해당되는 광주파수(f)를 알 수 있게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 케이블에 광섬유 브래그 격자(FBG)가 형성된 광섬유를 이용하는 경우, 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장(λ1,λ2)의 빛의 반사가 크게 발생하기 때문에 반사형 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자가 형성된 광스펙트럼 신호 위에 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광스펙트럼 신호가 더해지는 형태로 광스펙트럼이 측정된다. 이때 제작된 광필터(13)의 FSR(Free Spectral Range)을 알고 광필터(13)의 제작에 사용된 광섬유 브래그 격자(FBG)의 반사 스펙트럼을 알고 있다면, 이로부터 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자의 파장(wavelength)을 알 수 있고 이를 이용하여 광스펙트로미터(15)의 파장을 보정한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광스펙트럼 측정의 왜곡을 방지하기 위하여 광감쇄기를 추가 구성한 광섬유센서 시스템으로, 구조물의 물리량 측정을 위해 사용되는 직렬로 연결되어 있는 복수개의 파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)로부터 반사되어 광스펙트로미터(15)로 입사되는 빛의 광스펙트럼 측정시 신호의 왜곡을 방지하기 위해 광필터(13)에 의해 반사되어 광스펙트로미터(15)에 입사되는 광주파수 격자가 형성된 빛의 세기조절이 가능하도록 광감쇄기(12-1)를 추가하였다.
광스펙트로미터(15)에서 측정되는 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 1,2의 파장의 광신호의 왜곡이 발생하지 않도록 하기 위해, 광감쇄기(12-1)는 광필터(13)의 앞부분에 설치되고, 저 반사율 반사형 광필터(13)에 의해 형성된 광주파수 격자 신호(광주파수 격자가 형성된 빛)가 반사되어 상기 광커플러(12)를 통해 상기 광스펙트로미터(15)로 입사되는 광주파수 격자 신호의 크기를 조절한다.
상기 광원(10)에서 출력된 넓은 파장영역을 가지는 빛은 상기 광 Isolator(11)와 상기 광 커플러(12)를 통해 상기 광필터(13)와 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사하게 되고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장(λ1,λ2)을 가지는 광신호(빛)가 반사되며, 상기 광필터(13)에 의해 광주파수 격자가 형성된 광주파수 격자 신호를 광감쇄기(12-1)에 의해 감쇄하고, 상기 광커플러(12)를 통해 상기 광스펙트로미터(15)에 입사된다.
상기 광스펙트로미터(15)는 상기 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호와 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 중심파장을 측정하며, 상기 광필터(13)에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 검출하기 위해 여러 번 측정된 스펙트럼 데이터에 대한 덧셈과 특정 함수의 피팅(fitting)에 의해 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 빛의 스펙트럼 신호가 광스펙트로미터의 측정범위를 넘게 되고, 측정 범위를 벗어난 부분을 제외한 나머지 광스펙트럼의 신호분석을 통해 상기 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자 신호의 위치를 검출하며, 이를 이용하여 상기 광스펙트로미터(15)의 파장을 보정하여 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 광신호의 중심파장을 정확하게 측정한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허 청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있으며 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허 청구범위를 기준으로 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상에 대해서까지 포함되는 것으로 해석되어야할 것이다.
10: 광원 11: 광 Isolator
12: 광커플러 12-1: 광감쇄기
13: 광필터 14: 온도조절 장치
15: 광 스펙트로미터 16: 광신호 처리부

Claims (15)

  1. 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템에 있어서,
    단일모드 광섬유 케이블로 넓은 파장영역을 가지는 빛을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 빛이 상기 단일모드 광섬유 케이블을 통해 한 방향으로 전송하고, 그 반대 방향으로 빛의 전송을 차단하는 광 Isolator;
    상기 광섬유 케이블로 전파되는 입력 빛을 2개 이상의 출력광으로 분기하거나 또는 2개 이상의 입력 빛을 하나의 출력 광신호로 결합하는 광커플러;
    상기 광커플러로부터 상기 하나의 출력 빛을 입력받고, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 사용하며, WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화 방식)으로 특정 파장의 빛을 통과(Transmit)시키고 그외 다른 파장의 빛을 반사(Reflect)시키는 광필터;
    상기 단일모드 광섬유 케이블에 존재하는 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 특정 파장(λ1,λ2)의 빛과 상기 광필터로부터 반사되는 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛을 입력받아 두 빛에 대한 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 실시간으로 파장교정 기능을 포함하는 광 스펙트로미터;
    상기 광 스펙트로미터에 의해 측정된 광 스펙트럼 신호를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에 의해 반사된 빛의 반사 파장을 검출하는 광신호 처리부; 및
    상기 광섬유 케이블 내에 직렬로 연결된 복수개의 파장(λ:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광스펙트로미터는,
    파장 보정과 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 빛의 광스펙트럼의 동시 측정과 신호처리를 통해 건축, 토목, 항공기, 선박 등의 구조물의 온도 및 스트레인(strain) 변화 등의 정확한 물리량을 측정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광스펙트로미터의 측정 정확도의 온도 안정성 확보를 위해 외부 환경의 온도 변화에 대하여 상기 광필터에서 형성되는 상기 광주파수 격자 신호의 안정성을 확보하도록 상기 광필터의 항온 유지(25℃±1℃)를 위한 온도조절장치를 더 포함하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광필터는,
    반사형 광필터를 사용하며 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광필터는,
    두 광반사면 사이의 공간상 일정 간격의 유지를 위해 광섬유와 동일한 재질(SiO2,산화규소)의 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터를 사용하며, 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반사형 광필터는,
    외부 온도변화에 따라 열팽창계수가 '0'에 가까운 재료(zerodur)로 제작된 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용하여 제작된 광필터를 이용하여 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반사형 광필터는,
    광섬유 케이블에 하나의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 포함하는 저 반사율을 가진 반사형 광필터로써, 일측에 광반사면을 구비한 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)로 도포되는 구조로 되어 있으며, 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성하고, 광필터에 의해 형성되는 광주파수 격자의 위치에 해당하는 광주파수 인식이 가능하고, 광섬유의 단면과 다른 광반사면 사이에서 발생하는 4%의 저 반사에 의해 형성되는 Etalon Filter를 사용하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원에서 출력된 넓은 선폭을 가지는 빛은 상기 광 Isolator와 상기 광 커플러를 통해 상기 광필터와 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사하고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장(λ1,λ2)을 가지는 빛이 반사되고, 상기 광필터에 의해 광주파수 격자가 형성된 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛과 함께 상기 광커플러를 통해 상기 광스펙트로미터에 입사되면,
    상기 광스펙트로미터는 상기 광필터에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛과 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 중심파장을 측정하며, 상기 광필터에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 검출하기 위해 여러 번 측정된 스펙트럼 데이터에 대한 덧셈과 특정 함수의 피팅(fitting)에 의해 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 광신호의 스펙트럼 신호가 측정범위를 넘게 되고, 측정 범위를 벗어난 부분을 제외한 나머지 광스펙트럼의 신호분석을 통해 상기 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자 위치에 해당하는 광주파수를 검출하며, 이를 이용하여 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하여 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 빛의 중심파장을 정확하게 측정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  9. 광스펙트로미터(Optical Spectrometer, 분광기)를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템에 있어서,
    단일모드 광섬유 케이블로 넓은 파장영역을 가지는 빛을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 빛이 상기 단일모드 광섬유 케이블을 통해 한 방향으로 전송하고, 그 반대 방향으로 빛의 전송을 차단하는 광 Isolator;
    상기 광섬유 케이블로 전파되는 입력 광신호를 2개 이상의 출력광으로 분기하거나 또는 2개 이상의 입력 빛을 하나의 출력 광신호로 결합하는 광커플러;
    WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화 방식)에서 특정 파장의 빛을 통과(Transmit)시키고 그외 다른 파장의 빛을 반사(Reflect)시키며, 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용하여 소형 광필터를 구성하며 파장 보정에 사용되는 저반사율 반사형 광필터;
    광스펙트로미터의 측정 정확도의 온도 안정성 확보를 위해 외부 환경의 온도 변화에 대하여 상기 광필터에서 형성되는 상기 광주파수 격자 신호의 안정성을 확보하도록 상기 광필터의 항온 유지(25℃±1℃)를 위한 온도조절장치;
    상기 광필터의 앞부분에 설치되고, 저 반사율 반사형 광필터에 의해 광주파수 격자 신호(광주파수 격자가 형성된 빛)를 포함하는 빛이 반사되어 상기 광커플러를 통해 상기 광 스펙트로미터로 입사되는 광주파수 격자 신호의 크기를 조절하는 광감쇄기;
    상기 단일모드 광섬유 케이블에 존재하는 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에서 반사된 특정 파장(λ1,λ2)의 빛과 상기 광필터로부터 반사되는 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛을 입력받아 두 빛에 대한 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 실시간 파장교정 기능을 포함하는 광 스펙트로미터;
    상기 광 스펙트로미터에 의해 측정된 광 스펙트럼 신호를 이용하여 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)에 의해 반사된 빛의 파장을 검출하는 광신호 처리부; 및
    상기 광섬유 케이블 내에 직렬로 연결된 복수개의 파장(λ:wavelength)으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 포함하며,
    상기 광스펙트로미터의 파장 보정을 위한 광필터에 의해 광주파수 격자 신호가 형성된 빛과 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사되는 빛의 광스펙트럼의 동시 측정과 신호처리를 통해 건축, 토목, 항공기, 선박 등의 구조물의 온도 및 스트레인(strain) 변화 등의 정확한 물리량을 측정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광스펙트로미터의 파장 보정에 대한 온도 안정성 확보를 위해 외부 환경의 온도 변화에 대하여 상기 광필터에서 형성되는 상기 광주파수 격자 신호의 안정성을 확보하도록 상기 광필터의 항온 유지(25℃±1℃)를 위한 온도조절장치를 더 포함하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광필터는,
    반사형 광필터를 사용하며 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 광필터는,
    두 광반사면 사이의 공간상 일정 간격의 유지를 위해 광섬유와 동일한 재질(SiO2,산화규소)의 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용한 반사형 광필터를 사용하며, 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반사형 광필터는,
    외부 온도변화에 따라 열팽창계수가 '0'에 가까운 재료(zerodur)로 제작된 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)을 이용하여 제작된 광필터를 이용하여 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 반사형 광필터는,
    광섬유 케이블에 하나의 광섬유 브래그 격자(FBG:Fiber Bragg Grating)를 포함하는 저 반사율을 가진 반사형 광필터로써, 일측에 광반사면을 구비한 광섬유 페룰(optical fiber ferrule)로 도포되는 구조로 되어 있으며, 광섬유의 단면과 다른 광반사면에서 발생하는 저반사에 의해 광주파수 격자 주기를 형성하고, 광필터에 의해 형성되는 광주파수 격자의 위치에 해당하는 광주파수 인식이 가능하고, 광섬유의 단면과 다른 광반사면 사이에서 발생하는 4%의 저 반사에 의해 형성되는 Etalon Filter를 사용하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 광원에서 출력된 넓은 선폭을 가지는 빛은 상기 광 Isolator와 상기 광 커플러를 통해 상기 광필터와 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 입사하고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 특정 파장(λ1,λ2)을 가지는 빛이 반사되고, 상기 광필터에 의해 광주파수 격자가 형성된 광주파수 격자 신호와 함께 상기 광커플러를 통해 상기 광스펙트로미터에 입사되면,
    상기 광스펙트로미터는 상기 광필터에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 포함하는 빛과 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 빛의 광스펙트럼을 동시에 측정하고, 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 반사된 광신호(빛)의 중심파장을 측정하며, 상기 광필터에 의해 반사된 광주파수 격자 신호를 검출하기 위해 여러 번 측정된 스펙트럼 데이터에 대한 덧셈과 특정 함수의 피팅(fitting)에 의해 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 광신호의 스펙트럼 신호가 측정범위를 넘게 되고, 측정 범위를 벗어난 부분을 제외한 나머지 광스펙트럼의 신호분석을 통해 상기 광필터에 의해 형성된 광주파수 격자 신호의 스펙트럼의 피크 위치를 검출하며, 이를 이용하여 상기 광스펙트로미터의 파장을 보정하여 상기 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 반사된 광신호의 중심파장을 정확하게 측정하는 것을 특징으로 하는 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템.
KR1020110040874A 2011-04-29 2011-04-29 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템 KR101209627B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110040874A KR101209627B1 (ko) 2011-04-29 2011-04-29 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110040874A KR101209627B1 (ko) 2011-04-29 2011-04-29 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120122612A true KR20120122612A (ko) 2012-11-07
KR101209627B1 KR101209627B1 (ko) 2012-12-07

Family

ID=47508845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110040874A KR101209627B1 (ko) 2011-04-29 2011-04-29 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101209627B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103076082A (zh) * 2013-01-04 2013-05-01 北京交通大学 基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置
CN103487165A (zh) * 2013-09-22 2014-01-01 中北大学 炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统
CN106225951A (zh) * 2016-08-31 2016-12-14 江苏能建机电实业集团有限公司 蓝宝石光纤黑体腔高温传感器及其测温方法
CN109029413A (zh) * 2018-09-05 2018-12-18 东北林业大学 一种双工作频率光纤陀螺
CN109540293A (zh) * 2018-12-21 2019-03-29 闽南师范大学 一种基于光纤光栅的光谱检测装置
WO2019147405A1 (en) * 2018-01-23 2019-08-01 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for wafer temperature measurement
CN115655323A (zh) * 2022-10-28 2023-01-31 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 一种光纤光栅传感网络的光谱类型识别方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102568788B1 (ko) 2015-11-26 2023-08-21 삼성전자주식회사 브래그 격자 및 이를 포함하는 분광 소자
US10495610B2 (en) * 2017-08-14 2019-12-03 Geoffrey A. Cranch Fiber optic acoustic emission sensor and apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100367297B1 (ko) * 2000-08-26 2003-01-09 한국전기연구원 광섬유 패브리페로 간섭계형 온도 측정 장치

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103076082A (zh) * 2013-01-04 2013-05-01 北京交通大学 基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置
CN103487165A (zh) * 2013-09-22 2014-01-01 中北大学 炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统
CN106225951A (zh) * 2016-08-31 2016-12-14 江苏能建机电实业集团有限公司 蓝宝石光纤黑体腔高温传感器及其测温方法
WO2019147405A1 (en) * 2018-01-23 2019-08-01 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for wafer temperature measurement
US10930530B2 (en) 2018-01-23 2021-02-23 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for wafer temperature measurement
CN109029413A (zh) * 2018-09-05 2018-12-18 东北林业大学 一种双工作频率光纤陀螺
CN109540293A (zh) * 2018-12-21 2019-03-29 闽南师范大学 一种基于光纤光栅的光谱检测装置
CN115655323A (zh) * 2022-10-28 2023-01-31 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 一种光纤光栅传感网络的光谱类型识别方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101209627B1 (ko) 2012-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101209627B1 (ko) 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템
US10234346B2 (en) Serial weak FBG interrogator using pulses of differing wavelengths
US7889332B2 (en) Physical quantity measuring apparatus utilizing optical frequency domain reflectometry, and method for simultaneous measurement of temperature and strain using the apparatus
JP6021285B2 (ja) 光デバイスおよびファイバブラッググレーティングの使用方法
US7333680B2 (en) Fiber Bragg grating sensor system
US8854608B2 (en) Optical fiber sensing system
US5646401A (en) Fiber optic grating and etalon sensor systems
US10731969B2 (en) In-line fiber sensing, noise cancellation and strain detection
CA2695587A1 (en) Physical quantity measuring apparatus utilizing optical frequency domain reflectometry and method for temperature and strain measurement using the apparatus
JP2008545124A (ja) 光学式ひずみゲージ
WO2011091735A1 (zh) 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器
US11391645B2 (en) Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system
CN105241482A (zh) 一种有源光纤光栅传感器波长解调系统及方法
KR101113778B1 (ko) 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법
WO2022191201A1 (ja) 物理量測定装置
US20160327414A1 (en) Systems and methods for optical measurements using multiple beam interferometric sensors
JP3925202B2 (ja) 高速波長検出装置
CN112033573B (zh) 基于长周期光纤光栅的双波长测温方法
KR20110043834A (ko) 분광기와 선형 배열 광감지기를 이용한 ｆｂｇ 센서 복조화 장치
RU81574U1 (ru) Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)
JP2669359B2 (ja) 歪み測定方法及びその装置
JP2006029995A (ja) 光学式物理量測定方法および装置
JPH0953999A (ja) 光式外力検知装置
CN115003988A (zh) 使用多模光纤在测量点测量多个物理参数的系统
Buck et al. Fiber Bragg grating (FBG) sensor systems for monitoring of dynamic structural loads

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160519

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161202

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171204

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181204

Year of fee payment: 7