KR20160035409A - 광섬유 격자를 적용한 광센서 장치 - Google Patents

광섬유 격자를 적용한 광센서 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자를 적용한 광센서 장치에 관한 것으로서, 광원에서 출사되어 제1입력단으로 입력된 광을 제1출력단으로 출력하고, 제1출력단에서 역으로 입사되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와, 제1출력단에 접속되며 격자가 새겨진 광섬유 격자와, 광섬유격자로부터 반사되어 제2출력단에서 출력되는 광신호의 파워를 검출하는 광검출부와, 광검출부와 제1출력단 사이에 마련되어 제1출력단에서 출력되는 광의 파장변화에 대응되게 광의 파워를 변화시켜 광검출부에 출력하는 광파워조정부재와, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 광섬유격자가 설치된 영역에 대해 설정된 물리량을 산출하는 측정부를 구비한다. 이러한 광센서 장치에 의하면, 광섬유를 이용하여 연신과정을 거친 광커플러 구조의 광파워조정부재를 적용함으로써 구조 및 물리량 측정을 위한 연산처리가 단순화되는 장점을 제공한다.

Description

광섬유 격자를 적용한 광센서 장치{optical sensor apparatus using FBG}
본 발명은 광섬유 격자를 적용한 광센서 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유 격자로부터 반사되는 광의 파장 이동에 대응한 광량 변화를 통해 측정대상 물리량을 측정할 수 있도록 된 광센서 장치에 관한 것이다.
광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
이러한 광섬유격자를 이용한 온도, 스트레인과 같은 물리량을 측정하는 장치는 국내 등록특허 제10-1203700호 등 다양하게 게시되어 있다.
그런데, 종래의 광섬유격자를 적용한 측정장치는 광섬유 격자로부터 반사된 파장의 변화를 검출하기 위해 스펙트로미터와 같은 고가의 장비를 적용하여야 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 구조 및 제작이 용이하면서도 광섬유격자로부터 반사되는 파장의 변화에 따라 광량이 대응되게 변화하는 부재를 적용하여 측정 구조를 단순화 할 수 있는 광센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광센서 장치는 광원과; 상기 광원에서 출사되어 제1입력단으로 입력된 광을 제1출력단으로 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 입사되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와; 상기 제1출력단에 접속되며 격자가 새겨진 광섬유 격자와; 상기 광섬유격자로부터 반사되어 상기 제2출력단에서 출력되는 광신호의 파워를 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부와 상기 제1출력단 사이에 마련되어 상기 제1출력단에서 출력되는 광의 파장변화에 대응되게 광의 파워를 변화시켜 상기 광검출부에 출력하는 광파워조정부재와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 광섬유격자가 설치된 영역에 대해 설정된 물리량을 산출하는 측정부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 광파워 조정부재는 제1 및 제2광섬유를 상호 접합에 의해 공통으로 융착되는 커플링부분을 갖으며, 상기 커플링부분은 초기 접합길이를 기준으로 1.5 내지 2배의 길이로 길이가 길어지게 연신되게 형성된 것을 적용하며, 상기 제1 광섬유 또는 제2광섬유의 일단을 통해 상기 제2출력단에서 출력된 광을 수신하고, 상기 제1광섬유의 타단 또는 상기 제2광섬유의 타단에서 출력되는 광을 상기 광검출부에 출력하도록 설치된다.
또한, 상기 제2출력단에서 출력되는 광을 제1중계경로와 제2중계경로로 분배하여 출력하는 광커플러;를 더 구비하고, 상기 광파워 조정부재는 상기 제2중계경로와 접속되어 있고, 상기 광검출부는 상기 제1중계경로를 통해 진행되는 광을 수신하는 제1광검출기와; 상기 제2중계경로를 통해 진행되는 광을 수신하는 제2광검출기;를 구비하고, 상기 측정부는 상기 제1광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 광원의 파워변동정보를 산출하고, 상기 제2광검출기에서 출력되는 신호에 대해 상기 광원의 파워 변동을 보상한 값을 반영하여 상기 광섬유격자가 설치된 영역에 대한 물리량을 산출한다.
더욱 바람직하게는 상기 광파워 조정부재의 상기 초기 접합길이는 16 내지 18mm이고, 연신된 상기 커플링부분의 연신길이는 31 내지 35mm인 것을 적용한다.
본 발명에 따른 광센서 장치에 의하면, 광섬유를 이용하여 연신과정을 거친 광커플러 구조의 광파워조정부재를 적용함으로써 구조 및 물리량 측정을 위한 연산처리가 단순화 되는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광센서 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광파워 조정부재를 확대하여 도시한 도면이고,
도 3은 도 2의 광파워 조정부재를 제작하는 과정의 예를 나타나 보인 도면이고,
도 4 내지 도 7은 광파워 조정부재의 동작특성을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광센서 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광센서 장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광파워 조정부재를 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광센서 장치(100)는 광원(110), 광써큘레이터(120), 광섬유격자(130), 광커플러(140), 광파워 조정부재(150), 제1 및 제2광검출기(161)(162), 측정부(170)를 구비한다.
광원(110)은 측정부(170)에 제어되며, 광을 출사한다.
광원(110)은 넓은 파장대역을 갖으며 파장별 광파워가 일정한 광원이 적용되는 것이 바람직하다.
광써쿨레이터(120)는 광원에서 출사된 광을 전송하는 전송광섬유(113)로부터 제1입력단(121)을 통해 입력된 광을 제1출력단(122)으로 출력하고, 제1출력단(122)에서 역으로 입사되는 광을 제2출력단(123)을 통해 출력한다.
광섬유격자(130)는 제1출력단(122)을 통해 접속되어 있으며, 광섬유에 격자(131)가 다수개 상호 이격되게 새겨진 구조로 되어 있다.
광커플러(140)는 제2출력단(123)으로부터 출력되는 광을 분기시켜 제1중계경로(141)과 제2중계경로(142)로 분배하여 출력한다.
광커플러(140)는 광분배기로서 적용된 것으로 파장에 무관하게 광을 분배하는 통상의 구조를 적용하면 된다.
여기서 제1 및 제2 중계경로(141)(142)는 광섬유로 형성된다.
제1 및 제2 광검출기(161)(162)는 광검출부로서 적용된 것으로, 광섬유격자(130)로부터 반사되어 제1출력단(122), 제2출력단(123), 광커플러(140), 제1중계경로(141) 및 광파워 조정부재(150)를 각각 거쳐 출력되는 광신호의 파워를 검출한다.
즉, 제1광검출기(PD1)(161)는 제1중계경로(141)를 통해 진행되는 광을 수신하고, 수신된 광파워에 대응되는 전기적 신호를 측정부(170)에 출력한다.
또한, 제2광검출기(PD2)(162)는 제2중계경로(142)를 거쳐 광파워 조정부재(150)를 통과한 광을 수신하고, 수신된 광파워에 대응되는 전기적 신호를 측정부(170)에 출력한다.
광파워 조정부재(150)는 제2중계경로(142)와 제2광검출기(162) 사이에 접속되어 제2중계경로(142)를 통해 진행되는 광의 파장에 대응되게 광의 파워를 변화시켜 제2광검출기(162)에 출력한다.
이러한 광파워 조정부재(150)는 파장의 변동에 따라 광파워가 변동되는 기능을 하고, 상세구조는 후술한다.
측정부(170)는 제1 및 제2광검출기(161)(162)에서 출력되는 신호로부터 광섬유격자(130)가 설치된 영역에 대해 설정된 물리량 예를 들면 온도를 산출하고, 산출된 물리량을 출력부(175)를 통해 출력한다.
여기서 출력부(175)는 물리량 정보를 표시하는 표시부 또는 설정된 통신주소로 측정된 물리량을 전송하는 통신부 등 적용 시스템에 대응되게 구축하면 된다.
또한, 측정부(170)는 제1광검출기(161)에서 출력되는 신호로부터 광원(110)의 광출력 파워변동 정보를 산출하고, 제2광검출기(162)에서 출력되는 신호에 대해 광원(110)의 파워 변동을 보상한 값을 반영하여 광섬유격자(130)가 설치된 영역에 대한 물리량을 산출한다.
여기서, 제2광검출기(162)에서 출력되는 신호에 대응되는 물리량 값은 실험에 의해 미리 산출되어 룩업테이블(LUT)(171)에 기록되어 있고, 제1광검출기(161)에서 출력되는 광의 파워값을 기준값과 비교하여 보정할 보정량도 미리 실험에 의해 산출되어 룩업테이블(LUT)(171)에 기록시키고, 측정부(170)는 룩업테이블(171)에 기록된 정보를 이용하여 물리량을 산출한다.
본 발명의 일 측면에 따른 측정부(170)는 광섬유격자(130)가 설치된 영역의 온도를 산출하도록 구축된다.
한편, 광파워 조정부재(150)는 도 2를 함께 참조하여 설명하면, 제1 및 제2광섬유(151)(152)를 상호 접합에 의해 공통으로 융착되는 커플링부분(155)을 갖으며, 커플링부분(155)은 도 3에 도시된 바와 같이 초기 접합길이(Lo)를 기준으로 1.5 내지 2배의 길이로 길이가 길어지게 연신한 구조로 된 것을 적용한다.
이 경우, 제1 광섬유(151) 또는 제2광섬유(152)의 일단(151a)(152a)을 통해 제2출력단(123)에서 출력된 광을 수신하고, 제1광섬유(151)의 타단(151b) 또는 제2광섬유(152)의 타단(152b)에서 출력되는 광을 제2광검출기(162)에 출력하도록 설치되면 된다.
도시된 예에서는 제1광섬유(151)의 일단(151a)이 제2중계 경로(142)와 접속되고, 제1광섬유(151)의 타단(151b)이 제2광검출기(162)로 광을 전송하도록 설치되어 있고, 제2광섬유(152)의 일단(152a) 및 타단(152b)은 개방단이 되어 비사용된다.
이러한 광파워 조정부재(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 단일모드의 제1 및 제2광섬유(151)(152)를 초기 접합길이(Lo)가 16 내지 18mm가 되게 히터 또는 토치와 같은 가열장치(30)에 의해 열을 인가하여 융착시키면서, 융착된 초기 접합길이(Lo)의 길어지게 홀더(40)를 통해 잡아당겨 연신시켜 커플링부분(Ls)의 연신길이가 31 내지 35mm이 되게 형성된 것을 적용한다.
이러한 광파워 조정부재(150)는 단일모드 광섬유에 상호 융착되는 온도 예를 들면 700 내지 1500℃의 열을 인가하면서 양방향으로 인장시켜 제조하면 된다.
한편, 초기 접합길이(Lo)가 17mm이고, 인장을 시키지 않은 경우 입력되는 광의 파장에 대응한 광의 입출력 특성이 도 4에 도시되어 있고, 초기 접합길이(Lo)가 17mm이고 연신에 의해 연신부분(Ls)의 길이가 22mm인 경우의 광의 입출력 특성이 도 5에 도시되어 있고, 초기 접합길이(Lo)가 17mm이고 연신에 의해 연신부분(Ls)의 길이가 33mm인 경우의 광의 입출력 특성이 도 6에 도시되어 있다.
여기서, 제1광섬유(151)의 일단(151a)을 통해 광이 입력되었을 때 제1광섬유의 타단(151b)에서 출력되는 광을 제1채널(Ch1)로 표기하였고, 제2광섬유(152)의 타단(152b)에서 출력되는 광을 제2채널(Ch2)로 표기하였다.
본 실시예에서 활용하고자 하는 제1채널(Ch1)의 파장별 출력광 특성을 살펴보면, 도 4 내지 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 연신길이를 일정길이 이상 증가시키면 파장에 따라 광파워가 상승과 하강을 반복하며, 상승 및 하강의 반복 주기는 연신길이가 증가될 수록 점진적으로 짧아진다.
따라서, 측정대상 온도 범위 및 그에 대응되는 광섬유격자(130)의 파장변동폭을 고려하여 파방변동폭에 대응되어 광파워 변동이 측정가능하게 급격하게 이루어질 수 있는 정도로 연신된 것을 적용하면 된다.
일 예로서, 측정대상 온도 범위가 0℃ 내지 100℃ 이고, 광섬유 격자(130)의 파장 변동이 0℃와 100℃ 각각에서 반사되는 광의 파장 변동이 3nm 정도인 경우 도 6을 일부분을 확대한 도 7에서 처럼 점선으로 표기된 구간인 3nm의 파장변동폭에 대해 광 파워가 5dB 정도의 감쇠율을 갖게 점진적으로 하향하는 광파워 변동부재(150)의 구간을 이용하면 검출되는 광의 파워에 대응하는 파장값이 1대1로 대응하면서도 광파워 변동에 정도를 충분한 감도로서 측정할 수 있고, 그에 따라 온도값을 산출할 수 있다.
한편, 도시된 예에서는 광원(110)의 파워 변동을 보니터링 하여 제2광출기(162)에서 출력되는 신호의 파워를 보상하기 위해 제2출력단(123)에서 출력된 신호를 분기하여 제1광검출기(161)로 검출하는 예를 설명하였으나, 도시된 예와 다르게 광원(110)에서 출사된 광을 바로 광커플러에 의해 분기시키고, 분기된 광을 바로 제1광검출기로 입사시키고, 나머지 광을 광써큘레이터에 입사시킨 후 제2출력단(123)에서 출력되는 광을 바로 광파워 조정부재(150)에 입력되게 구축할 수 있음은 물론이다.
도시된 예에서는 광원(110)의 파워 변동을 보상하기 위한 제1광검출기(161)를 적용한 구조로 설명하였지만, 광원(110)이 파워 변동이 미미한 경우 제1광검출기(161), 광커플러(140)가 생략되고, 제2출력단(123)에서 출력되는 광이 직접 광파워 조정부재(150)를 통해 제2광검출기(162)에서 검출되도록 구축될 수 있음은 물론이다.
또한, 광센서 장치는 스트레인 등 타 물리량을 측정하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명된 광센서 장치에 의하면, 광섬유를 이용하여 연신과정을 거친 광커플러 구조의 광파워조정부재를 적용함으로써 입력된 광의 파장변화에 대응되게 광파워가 변동됨으로써 구조 및 물리량 측정을 위한 연산처리가 단순화 되는 장점을 제공한다.
특히, 파장 변화를 측정하기 위해 종래에 적용하던 스펙트로미터에 비해 본 광파워 조정부재(150)는 제조비용이 현저하게 저렴한 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 광써큘레이터
130: 광섬유격자 140: 광커플러
150: 광파워 조정부재 161: 제1광검출기
162: 제2광검출기 170: 측정부

Claims (5)

  1. 광원과;
    상기 광원에서 출사되어 제1입력단으로 입력된 광을 제1출력단으로 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 입사되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와;
    상기 제1출력단에 접속되며 격자가 새겨진 광섬유 격자와;
    상기 광섬유격자로부터 반사되어 상기 제2출력단에서 출력되는 광신호의 파워를 검출하는 광검출부와;
    상기 광검출부와 상기 제1출력단 사이에 마련되어 상기 제1출력단에서 출력되는 광의 파장변화에 대응되게 광의 파워를 변화시켜 상기 광검출부에 출력하는 광파워조정부재와;
    상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 광섬유격자가 설치된 영역에 대해 설정된 물리량을 산출하는 측정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광파워 조정부재는 제1 및 제2광섬유를 상호 접합에 의해 공통으로 융착되는 커플링부분을 갖으며, 상기 커플링부분은 초기 접합길이를 기준으로 1.5 내지 2배의 길이로 길이가 길어지게 연신되게 형성된 것을 적용하며, 상기 제1 광섬유 또는 제2광섬유의 일단을 통해 상기 제2출력단에서 출력된 광을 수신하고, 상기 제1광섬유의 타단 또는 상기 제2광섬유의 타단에서 출력되는 광을 상기 광검출부에 출력하도록 설치된 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2출력단에서 출력되는 광을 제1중계경로와 제2중계경로로 분배하여 출력하는 광커플러;를 더 구비하고,
    상기 광파워 조정부재는 상기 제2중계경로와 접속되어 있고,
    상기 광검출부는
    상기 제1중계경로를 통해 진행되는 광을 수신하는 제1광검출기와;
    상기 제2중계경로를 통해 진행되는 광을 수신하는 제2광검출기;를 구비하고,
    상기 측정부는 상기 제1광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 광원의 파워변동정보를 산출하고, 상기 제2광검출기에서 출력되는 신호에 대해 상기 광원의 파워 변동을 보상한 값을 반영하여 상기 광섬유격자가 설치된 영역에 대한 물리량을 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광파워 조정부재의 상기 초기 접합길이는 16 내지 18mm이고, 연신된 상기 커플링부분의 연신길이는 31 내지 35mm인 것을 적용한 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 측정부는 상기 광섬유격자가 설치된 영역의 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장치.
KR1020140126986A 2014-09-23 2014-09-23 광섬유 격자를 적용한 광센서 장치 KR101803037B1 (ko)

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