KR20140032682A - 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법 - Google Patents

광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법에 관한 것으로서, 광섬유 센서 제조는 광섬유를 삽입할 수 있도록 중공이 길이방향을 따라 형성된 광페룰에 광섬유를 삽입하여 고정하는 단계와, 광섬유가 삽입된 광페룰의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 광페룰의 일부가 남겨지도록 간극홈이 형성되게 커팅하여 광섬유가 광페룰 외부로부터 광페룰 내부까지 연장된 제1부분과, 간극홈에 의해 제1부분과 분리되어 광페룰에 잔류하는 제2부분을 갖게 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법에 의하면, 광페룰을 이용함으로써 제조가 용이하면서도 액상시료의 굴절율을 포함한 다양한 물리량을 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법{Fabry-Perot interferometric fiber optic sensor system using ferrule and method of manufacturing the sensor}
본 발명은 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유를 이용한 센서는 광신호를 이용하기 때문에 장거리에서도 측정이 가능하며, 부식의 염려가 없고, 전자기적 간섭을 받지 않는 장점 등을 갖고 있어 다양한 용도로 개발되어 이용되고 있다.
이러한 광섬유 센서 중 패브리-패롯 간섭계를 적용한 광섬유 센서가 국내 공개특허 제10-2011-0131628호에 개시되어 있다.
상기 광섬유 센서 장치는 내부 통로가 형성된 관 내에 상호 이격되어 간극을 형성하도록 접착제로 각각 고정되는 제1 및 제2 단일모드 광섬유로 되어 있다. 그런데, 이러한 광섬유 센서 장치는 원하는 간극으로 제1 및 제2 단일모드 광섬유를 관 내에 고정시키기 위한 작업이 매우 까다로운 제작상의 단점이 있다.
또한, 상기 광섬유 센서 장치는 관에 인가되는 외부적인 물리량에 의한 간극의 변화로부터 온도, 구조물의 변형량 등을 측정하도록 되어 있지만, 내부 통로가 외부에 대해 폐쇄되어 있어 액상시료의 굴절률을 측정하는 용도로는 사용할 수 없어 사용 용도가 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 제조가 용이하면서도 액상 시료의 굴절률의 측정도 가능한 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 제조방법은 광섬유를 삽입할 수 있도록 중공이 길이방향을 따라 형성된 광페룰에 광섬유를 삽입하여 고정하는 단계와; 상기 광섬유가 삽입된 상기 광페룰의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 상기 광페룰의 일부가 남겨지도록 간극홈이 형성되게 커팅하여 상기 광섬유가 상기 광페룰 외부로부터 상기 광페룰 내부까지 연장된 제1부분과, 상기 간극홈에 의해 상기 제1부분과 분리되어 상기 광페룰에 잔류하는 제2부분을 갖게 형성하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 상기 간극홈의 간극은 100 내지 200㎛로 형성한다.
또한, 상기 광섬유는 단일모드 광섬유이고, 상기 제2부분의 길이는 상기 간극보다는 길되 3mm이하의 길이가 되게 형성한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템은 광페룰의 중공내에 길이방향을 따라 삽입된 광섬유를 상기 광페룰의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 상기 광페룰의 일부가 남겨지도록 간극홈이 형성되게 커팅하여 상기 광섬유가 상기 광페룰 외부에서 상기 광페룰 내부까지 연장된 제1부분과, 상기 간극홈에 의해 상기 제1부분과 분리되어 상기 광페룰에 잔류하는 제2부분을 갖게 형성된 광섬유 센서와; 광원과; 상기 광원에서 출사되어 제1입력단을 통해 전송된 광을 제1출력단을 통해 상기 제1부분을 통해 전송하고, 상기 제1부분으로부터 역으로 수신되는 광을 상기 제1출력단과 다른 제2출력단을 통해 출력하는 광커플러와; 상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 검출된 신호로부터 측정대상 물리량을 산출하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 측정대상 액상시료가 저수된 용기;를 더 구비하고, 상기 광섬유센서는 상기 간극홈내에 상기 액상시료가 채워지도록 상기 용기내에 침수되게 설치되어 있고, 상기 산출부는 상기 액상시료의 굴절율을 측정한다.
본 발명에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법에 의하면, 광페룰을 이용함으로써 제조가 용이하면서도 액상시료의 굴절율을 포함한 다양한 물리량을 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광섬유 센서의 제조과정을 나타내 보인 공정도이고,
도 3은 도 1의 광섬유 센서를 적용한 광섬유 센서 시스템을 이용하여 액상시료의 굴절률을 측정하는 과정을 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 광섬유 센서를 적용한 광섬유 센서 시스템을 이용하여 박막필름의 굴절률을 측정하는 과정을 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템 및 이에 적용되는 광섬유 센서 제조 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광섬유 센서의 제조과정을 나타내 보인 공정도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 센서(100)는 광페룰(110)과 광섬유(120)를 구비한다.
광페룰(110)은 원기둥 형태로 길이방향을 따라 연장되되 길이방향을 따라 관통되게 중공(112)이 형성되어 있고, 후술되는 제조과정을 통해 길이방향에 직교하는 방향을 따라 간극홈(114)이 형성된 구조로 되어 있다.
광페룰(110)은 폴리머 소재, 세라믹 소재, 스테인레스 스틸소재 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
참조부호 130은 광페룰(110)의 일단(110a)을 통해 일정길이 삽입될 수 있으면서 광섬유(120)도 관통되게 삽입될 수 있게 형성된 플랜지이며 생략될 수 있음은 물론이다.
광섬유(120)는 광페룰(110)의 중공(112) 내에 길이방향을 따라 삽입된 후 에폭시와 같은 접착제로 광페룰(110)에 고정된 상태에서 커팅과정을 통해 형성된 간극홈(114)을 중심으로 코어 또는 전체가 분리된 제1부분(121)과 제2부분(122)을 갖는 구조로 되어 있다.
제1부분(121)과 제2부분(122)의 분리부분은 광도파경로가 되는 코어만 분리되게 커팅하여 간극홈(114)을 형성하거나, 전체가 분리되게 커팅하여도 된다.
여기서, 제1부분(121)은 광페룰(110) 외부에서 광페룰(110)의 중공(112)을 따라 광페룰(110) 내부에 삽입되어 간극홈(114)의 시작부분(114a)까지 연장된 부분이며, 제2부분(122)은 간극홈(114)의 시작부분(114a) 맞은편인 간극홈(114)의 종단부분(114b)에서부터 광페룰(110)의 타단(110b)까지 연장되게 광페룰(110)의 중공(112) 내에 삽입고정된 부분이다.
이하에서는 이러한 광섬유 센서의 제조과정을 설명한다.
먼저, 광페룰(110)의 중공(112)내에 광섬유(120)를 삽입하여 고정한다(단계 210).
여기서, 광섬유(120)는 단일모드 광섬유를 적용한다. 또한, 광섬유(120)는 광페룰(110) 보다 충분히 긴 길이를 갖는 광섬유를 이용하여 광페룰(110)의 타단(110b)과 광섬유(120)의 종단(122a)이 일치하게 광페룰(110)의 중공(112) 길이 만큼 광섬유(120)를 진입시킨 다음 에폭시와 같은 고정용 접착제를 중공(112) 내에 투입하여 광섬유(120)를 고정시킨다.
다음은 광페룰(110)을 간극홈(114)이 형성되게 커팅기(150)를 이용하여 커팅한다(단계 220).
즉, 광섬유(120)가 삽입된 광페룰(110)의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 광페룰(110)의 일부가 남겨지도록 간극홈(114)이 형성되게 커팅하여 앞서 설명된 바와 같이 광섬유(120)가 광페룰(110) 외부로부터 광페룰(110) 내부까지 연장된 제1부분(121)과, 간극홈(114)에 의해 제1부분(121)과 분리되어 광페룰(110) 내에 고정상태로 잔류하는 제2부분(122)을 갖게 형성한다.
여기서, 광페룰(110)의 길이방향을 따르는 간극홈(114)의 폭이 되는 간극은 100 내지 200㎛가 되게 형성한다.
또한, 간극홈(114)의 형성위치는 제2부분(122)의 길이가 간극홈(114)의 간극 길이 보다는 길되 3mm이하의 길이가 되게 형성한다. 여기서, 제2부분(122)의 길이를 간극 보다 길게 하게 되면 제2부분(122)의 종단(122a)에서 반사되는 광과 제2부분(122)의 선단 즉 참조부호 114b로 표기된 부분에서 반사되는 광의 파장에 차이가 발생함으로써 제2부분(122)의 종단(122a)에 밀착된 시료에 대한 물리량 측정을 용이하게 할 수 있다. 또한, 제2부분(122)의 길이가 3mm를 초과하면 간섭패턴의 형성이 어려워진다.
이러한 광섬유센서(100)는 일반적으로 광섬유 상호간의 접속시 널리 이용되는 광페룰을 이용할 수 있으면서 커팅과정에 의해 쉽게 제작이 가능한 장점을 제공한다.
한편, 광섬유센서(100)를 이용한 광섬유 센서 시스템(300)은 도 3에 도시된 바와 같이 광원(310), 광커플러(320), 광검출부(330) 및 산출부(340)를 구비한다.
광원(310)은 파장범위가 넓은 광대역 광원을 적용하는 것이 바람직하다.
광커플러(320)는 광원(310)에서 출사되어 제1입력단(321)을 통해 전송된 광을 제1출력단(322)을 통해 광섬유센서(100)의 제1부분(121)을 통해 전송하고, 제1부분(121)으로부터 역으로 수신되는 광을 제1출력단(322)과 다른 제2출력단(333)을 통해 출력한다.
광커플러(320)는 광서큘레이터가 적용될 수 있다.
광검출부(330)는 광커플러(320)의 제2출력단(333)을 통해 출력되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
산출부(340)는 광검출부(330)에서 검출된 신호로부터 측정대상 물리량을 산출하여 표시부(360)를 통해 표시한다.
도시된 예에서는 측정대상 액상시료(385)가 저수된 용기(380) 내에 광섬유센서(100)의 간극홈(114)내에 액상시료(385)가 채워지도록 용기(380) 내에 광섬유센서(100)가 침수되게 설치되어 있고, 산출부(340)는 광검출부(330)를 통해 수신된 신호로부터 액상시료의 굴절율을 산출한다.
여기서, 산출부(340)는 간극홈(114)의 시작부분(114a)에서 반사되는 광과, 액상시료(385)를 거쳐 제2부분(122)의 선단에서 반사되는 광에 의해 형성된 간섭무늬 신호가 광검출부(330)를 통해 수신되면, 산출부(340)는 광검출부(330)로부터 수신된 광의 스펙트럼을 통해 제1부분(121)의 종단에서 반사되는 광의 파장을 기준으로 제2부분(122)의 선단에서 반사되는 광의 파장 변화 및 기억되어 있는 간극홈(114)의 간극 길이 정보를 이용하여 굴절률을 산출한다.
여기서, 산출부(340)는 광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 적용할 수 있다.
한편, 도시된 예와 다르게 도 4에 도시된 바와 같이 광페룰(110)의 타단(110b) 즉, 제2부분(122)의 종단(122a)에 고형상태의 박막필름(400)을 밀착 또는 접착시켜 굴절률을 산출할 수 있다.
여기서, 산출부(340)는 간극홈(114)에 공기가 채워졌을 때 제2부분(122)의 선단에서 반사되는 광의 파장 정보가 기억되어 있고, 광검출브(330)를 통해 검출된 광 중 제2부분(122)의 종단(122a)에서 반사되는 광 및 박막필름(400)을 통과한 후 박막필름(400)에서 반사된 광의 파장을 분석하여 박막필름(400)의 굴절률을 산출한다. 또한, 박막필름(400)의 굴절률을 알고 있는 경우 박막필름(400)의 두께를 산출하도록 구축할 수 있다.
입력부(350)는 측정대상체에 대한 물리량을 산출하기 위해 알고 있는 정보의 입력 또는 측정대상 물리량의 종류 예를 들면, 온도, 변형률, 굴절률, 두께 등을 선택하고 해당 물리량을 산출하는데 요구되는 입력사항이 있는 경우 정보를 입력할 수 있도록 되어 있다.
표시부(360)는 산출부(340)에 제어되어 표시정보를 표시한다.
한편, 도시된 예에서는 굴절률을 측정하는 예를 설명하였고, 온도를 측정하고자 하는 경우 광페룰(110)을 측정대상체에 결합하여 온도에 따른 간극홈(114)의 간극 변화에 따라 수신되는 광신호 변화로부터 온도를 산출하거나, 변형률을 측정하고자 하는 경우 광페룰(110)을 측정대상체에 결합하여 변형에 따른 따른 간극홈의 간극 변화에 따른 광신호 변화로부터 변형률을 산출하도록 구축하면 된다.
여기서, 변형률을 측정하거나, 온도를 측정하는 경우 광페룰(110)은 변형 또는 온도에 민감하게 반응할 수 있도록 온도 또는 스트레인에 의한 변형성이 좋은 폴리머 소재로 형성된 것을 적용하는 것이 바람직하다.
100: 광섬유 센서 110: 광페룰
114: 간극홈 120: 광섬유
121: 제1부분 122: 제2부분

Claims (6)

  1. 광섬유를 삽입할 수 있도록 중공이 길이방향을 따라 형성된 광페룰에 광섬유를 삽입하여 고정하는 단계와;
    상기 광섬유가 삽입된 상기 광페룰의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 상기 광페룰의 일부가 남겨지도록 간극홈이 형성되게 커팅하여 상기 광섬유가 상기 광페룰 외부로부터 상기 광페룰 내부까지 연장된 제1부분과, 상기 간극홈에 의해 상기 제1부분과 분리되어 상기 광페룰에 잔류하는 제2부분을 갖게 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 간극홈의 간극은 100 내지 200㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광섬유는 단일모드 광섬유이고, 상기 제2부분의 길이는 상기 간극보다는 길되 3mm이하의 길이가 되게 형성된 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광페룰은 폴리머 소재, 세라믹 소재, 스테인레스 스틸소재 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 제조 방법.
  5. 광페룰의 중공내에 길이방향을 따라 삽입된 광섬유를 상기 광페룰의 길이방향에 직교하는 방향을 따라 상기 광페룰의 일부가 남겨지도록 간극홈이 형성되게 커팅하여 상기 광섬유가 상기 광페룰 외부에서 상기 광페룰 내부까지 연장된 제1부분과, 상기 간극홈에 의해 상기 제1부분과 분리되어 상기 광페룰에 잔류하는 제2부분을 갖게 형성된 광섬유 센서와;
    광원과;
    상기 광원에서 출사되어 제1입력단을 통해 전송된 광을 제1출력단을 통해 상기 제1부분을 통해 전송하고, 상기 제1부분으로부터 역으로 수신되는 광을 상기 제1출력단과 다른 제2출력단을 통해 출력하는 광커플러와;
    상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광검출부와;
    상기 광검출부에서 검출된 신호로부터 측정대상 물리량을 산출하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    측정대상 액상시료가 저수된 용기;를 더 구비하고,
    상기 광섬유센서는 상기 간극홈내에 상기 액상시료가 채워지도록 상기 용기내에 침수되게 설치되어 있고,
    상기 산출부는 상기 액상시료의 굴절율을 측정하는 것을 특징으로 하는 광페룰을 이용한 외부 패브리-페로 광섬유 센서 시스템.
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