KR20170141147A - 광섬유를 이용한 전압센서 - Google Patents

Abstract

이중 코어 광섬유에 입사된 빛은 두 개의 코어로 각각 커플링 되어 광섬유를 통과하면서 서로 다른 광경로 차를 겪게 되고, 이와 동시에 광축 x 및 y 에 따른 편광방향에 따라 각각 다른 굴절률 차이를 느끼게 되고 따라서 편광 방향에 따라 간섭무늬 특성 (세기, 주기, 전압인가에 따른 특성변화)이 달라진다. 이어서 이중 코어 광섬유에서 출사된 빛은 광분기소자(편광빔분리기)에 의하여 분리되어 각각 제1, 2 광신호 분석기로 도달함, 최종적으로 광신호 분석기에 도달한 광신호의 광특성 즉 간섭무늬의 스펙트럼이나 광출력의 변화를 측정하고 이로부터 센서부에 인가된 전압을 계측할 수 있다.

Description

광섬유를 이용한 전압센서 {Voltage Sensor based on Optical Fiber}

본 발명은 광섬유를 이용하여 전압을 측정하는 기술 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다.

정확하고 안정적인 전압의 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 있어서 매우 중요하다.

기존의 전자계 방식의 전압 측정 기술 (전압센서 기술)의 경우 센서의 부피 및 중량이 매우 커서 제품자체의 가격 뿐만 아니라 많은 설치 및 운영 비용이 들어가는 단점을 가지고 있다. 또한 전기신호를 이용하여 전압을 측정하게 되므로 내외부에 발생하는 전기적인 간섭에 의하여 노이즈가 발생하기 쉬우므로 부정확한 측정 및 그에 따른 오작동 문제가 발생한다. 또한, 측정 수단으로 도체, 반도체와 같은 전기가 흐르는 재료를 사용하게 되므로 열 및 수분에 의한 부식 가능성이 높고 방전 (전기 스파크) 등에 의하여 센서 시스템이 파손되기 쉽다.

반면에 광학식 전압측정 기술 즉, 광학식 전압센서 기술의 경우 빛을 사용하여 전압을 측정하므로 기존 전자계 방식의 전압센서 기술에 비하여 수분의 영향을 적게 받으며 방전 등에 의한 파손 우려가 상대적으로 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 광학식 전압 측정 기술에는 크게 Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₁₂SiO₂₀, LiNbO₃ 와 같은 전기광학물질의 포켈스(Pockels)효과를 이용하는 전압 측정 기술과 Quartz, BaTiO₃, lead zirconate titanate (PZT) 등과 같은 압전소재의 역압전(converse piezoelectricity) 효과를 이용한 역압전 방식의 전압 측정 기술로 나뉠 수 있다.

본 발명은 역압전 소재를 이용한 전압측정 방식에 있어서 타원형 코어모드를 가진 광섬유 및 편광분리 기술을 이용한 전압 측정 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 방식과 다른 구조를 가진 광학적 측정 방식을 사용하여 전압을 보다 정확하게 측정하는 기술에 관한 것이다.

인용문헌 1: 미국등록특허 5,053,693 (Date of patent: Oct. 1, 1991)

인용문헌 2: Fiber-optic voltage sensor for SF6 gas-insulated high-voltage switchgear (Applied Optics, Vol. 38, NO. 10, p. 1926, 1999) 인용문헌 3: Feasibility study of the application of optical voltage and current sensors and an arrayed waveguide grating for aero-electrical systems (Sensors and Actuators A, Vol. 147, p. 177, 2008)

본 발명은 상기되는 문제점을 해결하는 타원형 코어 모드를 가진 광섬유 및 편광분리 기술을 이용하는 전압센서를 제안한다. 보다 상세하게는 기존의 방식과 다른 구조를 가진 광학적 측정 방식을 사용하여 전압을 보다 정확하게 측정하는 기술에 관한 것이다.

역압전 방식을 사용하는 전압 센서 장치로, 신호광을 출사하는 광원부, 상기 광원부에서 출사된 신호광을 수신하여 간섭특성을 발생시키는 센서부, 상기 센서부에서 발생한 간섭특성을 감지하여 전압을 센싱하는 신호분석부를 포함하고, 상기 센서부와 상기 신호 분석부사이에 서로 수직한 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 분기소자를 더 포함하는 전압 센서 장치가 개시된다.

본 발명에 따르면, 외부 환경 변화에 의한 교란 특히 온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 데 있어 간섭계 자체의 광학적 특성을 활용하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. 또한 간섭계를 이용한 측정 기술에 있어 간섭 현상을 제어하여 다중 간섭에 의한 노이즈가 제거된 깨끗한 간섭 특성을 확보하므로써 신호 분석을 용이하게 하고 정확한 측정을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면 역압전 방식의 광학식 측정 기술에 있어서 센서 부에 압전소재 및 타원 코어를 가진 이중 모드 광섬유를 사용하고 신호분석부에 있어서 편광자를 사용하여 편광에 따라 광신호를 분석하는 기술을 통하여 보다 정확하고 안정적인 전압을 측정하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명에 따르면 하나의 간섭계로 두가지 물리량을 동시에 측정하는바, 전압 측정 및 온도 보상이 동시에 가능하여 정확한 전압 측정 방법을 제공한다.

도 1은 일반적인 역압전 방식의 전압 측정 기술을 나타낸다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 전압 센서를 설명하는 도면이다.
도 3은 센서부에 사용되는 센서 광섬유의 구조를 나타낸다.
도 4는 일례로 타원 코어 광섬유를 이용한 편광 방향에 따른 센서부용 광섬유 간섭계의 광투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 도4 의 간섭무늬를 분석하여 전압인가에 따른 스트레인 변화에 의한 간섭무늬 이동량을 y 편광 및 x 편광 방향에서 그래프로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.
도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상이 이하에 제시되는 실시예로 제한되지는 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 일반적인 역압전 방식의 전압 측정 기술을 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 역압전 방식의 전압센서 시스템(100)은 실린더 모양의 석영 단결정(Quartz, 121)과 여기에 감겨진 센서 광섬유(sensor fiber, 122)를 포함한다. 센서 광섬유(102)의 코어에는 광경로가 다른 두 개의 코어모드(core mode)가 형성되어 있고 이들이 간섭계를 구성하도록 되어 있다.

따라서, 전압이 석영 단결정(121)에 인가될 경우, 역압전 효과에 의하여 실린더 모양의 석영 단결정의 지름이 늘어나게 되며, 그에 따라 석영 단결정 (Quartz) 주변에 감겨진 센서 광섬유에 스트레인(strain, 변형)이 가해지고 그에 따라 간섭특성이 변화하게 된다. 최종적으로, 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 간섭특성 변화에 따른 광신호를 분석하여 전압을 측정하게 된다.

센서 광섬유(122)는 접지 및 고전압 부위에 이르기까지 석영 단결정(121) 주변 전체부위에 감겨 있기 때문에 전압분포를 전반적으로 감지할 수 있다. 따라서 국부적인 다른 전압 측정 기술과 달리 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 광섬유를 이용한 적분식(integral) 측정기술이라 할 수 있으며, 그에 따라 측정 정확도 및 안정성이 매우 높다는 장점을 가지고 있다.

또한, 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 석영 단결정 및 광섬유를 같은 소재로 구성하므로 고전압 내구성이 매우 높다는 장점을 가지고 있어 고성능 전압 측정 기술로서 많은 관심을 받고 있다.

도 1에 도시된, 역압전 방식의 광학식 전압 측정 시스템(100) 전압 측정 원리에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 역압전 방식의 광학식 전압 측정 시스템(100)은 신호분석부(110), 센서부(120) 및 단일모드 리드 광섬유(130)를 포함한다.

레이저 광원(laser diode, 111)에서 출사된 레이저 광이 그림과 같이 편광유지 기능을 가진 단일모드 리드 광섬유(single mode polarization maintaining lead fiber, 130)를 지나 석영 단결정(121)에 감겨진 센서 광섬유(122)에 전달되고 센서 광섬유(122)를 지나 이어서 수신부 광섬유(receiver fiber, 112)를 거쳐 감지기(photodiode, 113)까지 전달된다.

센서부(120)에 사용된 센서 광섬유(122)는 타원형 코어를 가진 광섬유로서 기본 모드인 LP01 모드와 2차 모드인 LP11 모드를 가지고 있으며, 이들 두 종류의 모드가 만나 마흐젠더(Mach-Zehnder)형 광섬유 간섭계가 형성되게 하므로써, 전압 인가에 따른 간섭특성의 변화를 관찰하고 이로부터 인가된 전압을 계측하는 것이 주요 기술 특성 중 하나이다.

센서 광섬유(122)의 타원형 코어 모양은 굴절률 분포가 타원형 임을 의미하며 타원형 코어의 광축 방향을 장축 및 단축 방향으로 정의할 수 있고, LP01 모드와 LP11 모드 또한 편광방향에 따라 각각 장축으로 정렬된 모드 및 단축으로 정렬된 모드로 각각 나뉘며 결과적으로 4가지 다른 모드로 나뉘게 된다. 이러한 경우 편광방향을 잘 조절하지 못하면 간섭계의 광학적 구조에 따라 4가지 모드가 서로 뒤엉킨 다중 간섭에 의하여 복잡한 간섭신호를 만들 수 있다.

간섭계를 이용한 측정 기술에 있어 이와 같은 간섭 현상을 제어하여 분석을 용이하게 하고 노이즈 발생을 최소화 하여 측정의 정확도를 높이는 것이 매우 중요한 부분이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 리드 광섬유에서 전달된 빛의 편광 방향이 센서 광섬유의 광축, 즉 장축이나 단축과 일치하도록 하여 이러한 문제를 없애는 방식을 사용한다.

또한, 정확한 전압 측정에 있어 온도, 진동 과 같은 추가적인 외분 교란에 의한 신호 왜곡을 방지하는 기술의 확보가 매우 중요하다.

특히 온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있는데, 도 1에 도시된 석영 단결정(121) 및 이중 모드 광섬유(122)를 이용한 전압 측정 기술의 경우에도 석영 단결정 및 광섬유의 온도 의존 특성에 의하여 교란이 발생하게 되며 이를 해결하는 것이 필요하다.

온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 방안으로서 온도 모니터링 센서를 추가로 장착하는 방법, 또는 온도 의존성이 낮은 압전소재 및 광섬유를 사용하는 방법 등 을 생각할 수 있겠으나, 이처럼 부가적이거나 복잡한 방법 대신 간섭계 자체의 광학적 특성을 활용하여 이러한 문제를 해결하는 방안이 확보된다면 전압 센서 성능 개선에 있어 더욱 편리하고 효율적인 방법이 될 수 있을 것이다.

또한, 광학식 전압 측정을 위한 기존 기술로서 압전소재와 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating, FBG)를 이용하는 방법이 제안된 바 있다. 압전소재 측면에 광섬유 브래그 격자를 붙이고 압전소재 양단에 전압이 인가될 경우 압전소재의 역압전 효과에 의하여 압전소재가 변형되고 그에 따라 광섬유 브래그 격자에 스트레인이 가해져 공진파장이 이동하게 되는데 이로부터 전압을 측정하는 방식이다.

이방법의 경우 광섬유 기술을 적용하므로써 구조가 간단하고 계측이 용이하다는 단점이 있으나, 정확한 전압 측정을 위해서는 고전압에서 저전압부위까지 보든 부위의 스트레인 변화를 측정해야 하지만은 통상적으로 FBG 의 경우 길이가 20 mm 정도에 불과해, 역압전 소재의 길이가 수백 mm 이상 요구되는 고전압 측정용으로는 적합하지 않다는 한계를 가지고 있다. 또한 FBG 공진파장 이동 특성 자체가 온도의존성일 갖기 때문에 이를 보상해야 하는 문제점도 동시에 가지고 있다.

광섬유 간섭계를 이용한 전압센서 시스템의 경우 센서의 성능을 개선하기 위해서는 간섭특성을 제어하는 것이 필요한데, 이를 위하여 도 1과 같은 기존 기술의 경우 단일 코어 기술을 사용하므로 두 가지 모드 사이의 광특성을 차별적으로 제어하기가 어렵다.

예를 들어, 간섭계를 이용한 전압센서의 경우 간섭무늬의 간격에 따라 측정감도가 달라지게 된다. 이를 위하여 단일 코어 광섬유를 사용하는 기존 기술의 경우 센서 광섬유 길이를 조절하게 되는데 이러한 경우 센서 광섬유 길이 변화는 측정감도에 영향을 주고 또한 센서부의 크기 제한에 따라 센서 광섬유 길이 조정이 어려울 수 있다.

이처럼 기존 기술에서 볼 수 있듯이, 광섬유 기반의 전압 센서의 기술에 있어서 전체 측정시스템의 성능은 센서 시스템을 구성하는 센서부 및 신호분석부의 광학 구조 그리고 그에 따른 센서부의 광학적 특성에 의하여 크게 좌우된다.

아래에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 소정의 광특성 확보를 위하여 고안된 새로운 광학구조를 사용하고 이를 통하여 이러한 문제를 해결하는 방법을 도면과 함께 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 제 1 실시예에 따른 전압 센서 시스템을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서 시스템(200)은 광원부(210), 센서부(220), 신호분석부(230)를 포함한다. 광원부(210)의 광원(211)에서 출사된 신호광은 광연결부를 거쳐 센서부(220)의 센서 광섬유(221)로 입사된다.

센서부(220)는 그림과 같이 원통형 압전소재(222) 주변에 간섭계를 구성하는 센서 광섬유(221)가 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 신호광은 센서 광섬유(221)의 출력단을 지나 광분기소자(233)에 도달한다. 광분기소자(233)는 서로 수직한 편광 방향에 다라 신호광을 분리한다. 광분기소자(233)에서 분리된 신호광은 각각 제1 광신호분석기(231) 및 제2 광신호분석기(232)에 전달된다.

도2에 도시된 바와 같이, 압전소재(222)의 위쪽과 아래쪽 양단에는 전극이 설치되어 있고 양단간에 측정하고자 하는 전압(제1전압, 제2전압)을 인가하게 된다. 전압이 인가될 경우 압전소재(222)의 역압전(converse piezoelectric) 효과에 의하여 지름 방향 길이가 가변하게 된다. 그에 따라 전압소재 주변에 감겨 있는 센서 광섬유(221)는 스트레인 및 스트레스(stress)를 받게 되고 그에 따라 센서 광섬유로 구성된 광섬유 간섭계의 간섭특성이 영향을 받아 변하게 되고 이러한 변화를 측정 분석하여 역으로 인가된 전압의 크기를 측정할 수 있다.

도 2에서 F2, F3으로 표시된 광 전송라인은 자유공간(free space) 전송 방식 또는 광섬유를 사용할 수 있다. 광 전송라인 배치의 자유도가 높은 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여 광섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 편광을 일정하게 유지하고 진동에 따른 노이즈 발생을 억제하기 위하여 전송라인 F2, F3, F4 일부 또는 전체를 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 최소한 광 전송라인 F3는 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

광분기소자(233)는 편광빔을 편광방향에 따라 분리하는 편광빔분리기 또는 이와 동일한 특성을 가진 광소자의 조합일 수 있다. 보다 편리하게는 편광빔분리기로서 입력단과 출력단이 광섬유로 피그테일된 광섬유 편광빔분리기를 사용할 수 있다. 광원으로는 목적에 따라 넓은 파장 밴드를 가진 광원 ( 브로드 밴드 광원, 파장 가변 광원, sweep source) 또는 레이저 다이오드와 같은 단일파장 광원을 사용할 수 있다.

신호분석부(230)는 제1 광신호 분석기(231) 및 제2 광신호 분석기(232)를 포함할 수 있다. 신호분석부는 제1 광신호 분석기(231) 및 제2 광신호 분석기(232)가 측정한 스펙트럼으로부터 간섭무늬 이동 도는 이로부터 발행한 소정의 파장에서의 광출력 변화를 모니터링하고, 모니터링된 간섭 무늬 이동 또는 광출력 변화에 기초하여 전압값을 계산할 수 있다. 이때, 제1 및 2 광신호분석기(231, 232)는 광스펙트럼분석기 (분광기), 광출력검출기(optical detector, photodiode), CCD (charge coupled device) 중 어느 하나일 수 있다.

간섭무늬 스펙트럼을 측정하여 간섭무늬의 이동을 분석하고 이로부터 인가된 전압을 계측하는 방식으로 시스템을 구성할 경우, 광원 및 광신호분석기로서 각각 넓은 파장밴드 광원 및 광스펙트럼 분석기 나 CCD 조합을 사용하는 것이 바람직하다. 특정파장에서 광출력의 변화를 측정하여 간접적으로 간섭무늬의 이동을 계산하고 이로부터 인간된 전압을 산출하는 방식으로 시스템을 구성할 경우, 단일파장 광원 및 광출력검출기 조합을 사용하는 것이 바람직하다.

광원으로 시간에 따라 파장이 스캔되는 형태인 파장 가변 광원이나 sweep source을 사용할 경우, 시간에 따른 주기적인 모듈레이션 신호 즉 진동 주파수를 디텍터를 사용하여 측정할 수 있다. 그리고 전압 인가에 따른 진동 주파수의 변화량로부터 인가 전압을 계측할 수 있다. 또한 앞에서 설명한 바와 같이 간섭무늬 스펙트럼을 측정할 경우 간섭무늬 간격을 모니터링하고 간섭무늬 간격의 변화로부터 인가된 전압을 계측할 수 있다. 이를 위하여 측정된 간섭무늬 스펙트럼을 푸리에 변환(Fourier transform)하여 간섭무늬 간격에 대한 정보를 얻을 수 있다.

단일코어 광섬유의 이중모드를 이용하는 기존의 기술과 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센싱 시스템(200)은 타원형 코어 모드를 갖는 두개의 코어를 갖는 센서 광섬유(221)을 포함한다. 그리고 각각의 코어에는 하나의 모드만 형성되어 있다. 따라서, 동일한 광섬유 내에서 신호광이 전송되더라도 두 개의 코어 모드를 지나는 광이 느끼는 유효굴절률이 서로 다른바, 광경로 차이가 발생되며, 이로 인하여 간섭 현상이 발생된다. 광경로 차에 의한 간섭현상 발생한 마흐젠더 간섭계로서 아래와 같은 수식을 사용하여 설명할 수 있다.

두 가지 광경로를 형성하여 구성되는 광섬유 마흐젠더 간섭계에 있어서, 파장에 따른 투과 광특성 즉, 광투과 세기 I 는 다음과 같이 주어진다.

여기에서 I ₁ , I ₂ 는 각각 두가지 광경로를 지나는 광신호의 세기를 나타낸다. 또한

는 두 광경로사이의 위상차로서 두광경로의 유효 굴절률차이

및 광경로 길이

및 파장

의 함수로서 다음과 같이 주어진다.

여기서 본 발명에 따른 센서 시스템의 경우 센서 광섬유의 코어에 형성되는 두 가지 모드가 상기 두 가지 광경로를 형성한다. 따라서 두 개의 코어 및 해당 클래딩 각각의 모양, 크기 굴절률, 조성을 조절하여 편광방향에 따른 유효 굴절률 차이를 제어하고, 그에 따라 센서부(220)의 간섭 특성을 용이하게 조절할 수 있다. 특히 타원형 코어 광섬유의 경우 편광방향에 따라서 유효 굴절률 크기가 상이하므로 그에 따른 광섬유 간섭계의 투과 특성도 상이한 것을 이해하는 것이 중요하다.

센서 광섬유의 모드 형태 및 편광 방향에 따른 간섭현상 발생에 대해서는 도 3과 함께 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 센서부에 사용되는 센서 광섬유의 구조를 나타낸다.

센서 광섬유는 두 개의 코어를 가지고 있으며 각각의 코어에 형성되는 코어모드의 한 쪽 길이 (장축)가 다른 쪽 (단축) 길이보다 긴 코어 형태를 갖는다. 또한 본 발명의 의도에 따라 각각의 코어에는 하나의 모드만 형성된다. 바람직하게는 각각의 코어에는 기본모드(LP01)만 형성되는 것이 좋다. 또한, 바람직하게는 센서부에 사용되는 센서 광섬유는 각각의 코어는 타원형 코어모드를 가지는 것이 좋다. 광섬유 코어와 클래딩의 모양, 크기, 굴절률 그리고 조성 분포를 조절하여 타원형 코어 모드를 만들 수 있다.

광섬유는 코어와 클래딩상이 상대적인 유효 굴절률 차이에 의하여 광특성이 결정 되므로 클래딩의 구조 즉, 모양, 크기, 조성, 굴절률을 조절할 경우에도 코어의 구조를 조절하는 것 같은 효과를 만들수 있다. 타원형 코어모드는 코어의 물리적 모양이 타원형 구조인 타원형 코어 광섬유에서 용이하게 형성된다. 따라서 상기 센서 광섬유는 타원형 코어 광섬유일 수 있다.

하지만 상기 센서 광섬유로서 반드시 타원형 코어 광섬유일 필요는 없으며 코어 각각 하나의 모드만을 가지며 그리고 편광방향에 따라 서로 다른 유효굴절률 차이를 갖는 구조이면 충분하다. 그리고 코어 각각 편광유지 기능을 가지는 구조이면 더욱 바람직하다. 따라서, 예를 들어 상기 센서 광섬유로서 일부 변형된 타원형 코어 모드를 가지거나 일부 다각형 형태의 코어 구조를 가진 광섬유일 수 있다. 또한, 센서 광섬유로서 링 형태의 코어 모드가 형성되는 두 개의 코어를 가진 광섬유가 사용될 수 있다.

본 발명의 목적에 따라 센서 광섬유에 두 개의 코어는 각각 하나의 모드만 형성시켜 다중 간섭에 의하여 복잡한 간섭무늬 발생 그에 따른 신호 분석의 어려움을 방지할 수 있다. 특히, 코어에 타원형 코어모드를 형성시킬 경우 광섬유 자체가 편광유지 기능을 갖기 때문에 외부 진동에 광신호가 쉽게 교란을 받지 않는 부가적인 장점을 가질 수 있다.

상기 센서 광섬유는 광섬유의 코어나 클래딩 부분에 구멍을 뚫어 만든 홀구조 광섬유 일 수 있다. 센서용 홀구조 광섬유로서 광자결정 광섬유(photonic crystal optical fiber) 또는 매달린 구조의 광섬유(suspended core optical fiber)를 사용할 수 있다. 광섬유 전체가 동일한 물질로 만들어진 홀구조 광섬유를 이용할 경우 센서 광섬유의 온도 민감도를 상당히 낮출 수 있다는 데 장점이 있다.

도 3에 도시된 센서 광섬유의 경우에는 두 개의 타원형 코어모드의 장축이 평행한 방향으로 정렬되어 있다. 하지만 두 개의 타원형 코어모드 의 장축이 반드시 평행한 방향일 필요는 없다. 간섭무늬의 간섭특성의 분석을 용이하게 하기 위해서는 두 개의 타원형 코어모두의 장축이 서로 평행하거나 수직인 것이 바람직하다. 이렇게 하므로써 두 개의 코어에는 각각 하나의 모드가 형성되고, 편광방향에 따라 서로 다른 유효굴절률 차이를 가지며, 편광방향에 따라 다른 간섭특성을 갖게 되며, 또한 복잡한 간섭무늬 발생을 막을 수 있다.

일예로서 센서부에 사용되는 센서 광섬유로 도 3의 좌측 그림에 도시된 바와 같이 장축이 서로 평행하게 정렬된 타원형 코어를 사용할 수 있으며, 이를 사용하여 보다 상세한 설명을 하도록 한다. 편의상 코어의 장축 과 단축 방향을 각각 광축 y 및 광축 x로 정의한다.

편광 방향이 광축 y 와 일치할 경우 y 편광으로 광축 x와 일치할 경우 x 편광을 나타낸다. 도 3의 우측 그림에 도시한 바와 같이 두 개의 광섬유 코어에는 각각 기본 모드가 형성되어 있다. 또한 각각의 타원형 코어에는 편광 방향에 따라 다른 분포를 가진 모드가 형성된다. y 편광의 경우 코어1과 코어2의 장축 길이가 서로 상이 하므로 유효굴절률 차이가 매우 크며 y 축 방향 광세기 분포의 크기 또한 상이하다.

반면에 x 편광의 경우 두 개의 코어의 단축 길이가 비슷하므로 유효굴절률 차이가 비슷하며 광센기 분포의 x 축 방향 광세기 분포 크기 또한 서로 비슷하다. 코어 및 클래딩의 모양, 크기, 조성 그리고 굴절률 분포를 제어하여 이와 같이 편광 방향에 따라 다른 특성을 가지는 광섬유를 만들 수 있다.

본 발명의 목적에 따라 입력광이 두 개의 코어에 고르게 배분되도록 한다. 또한 입력광의 편광을 조절하여 상기 센서 광섬유의 각 코어의 편광 방향에 대해서도 고르게 광출력이 배분되도록 한다. 이를 위하여 광원과 광연결부 사이에는 센서 광섬유에 입사되는 신호광, 즉 입력광의 편광을 제어하기 위하여 편광자(polarizer) 나 편광조절기 (polarization controller)를 추가로 구비하여 사용할 수 있다. 이를 위하여 상기 4가지 다른 코어 모드에 고른 광출력 배분을 위하여 F2에서 출사되는 레이저 광의 편광을 센서 광섬유의 광축에 45 도 방향으로 입사하도록 할 수 있다. 이를 위하여, F2에 편광유지 광섬유를 사용하고 입사광의 편광방향을 편광유지 광섬유(F2)의 광축에 일치시키며 편광유지 광섬유의 광축과 센서 광섬유의 광축을 45도로 어긋나게 연결하는 방법을 용이하게 사용할 수 있다. 또한 두 코어 사이의 고른 광출력 배분을 위하여 연결부에 다중모드 광섬유, 코어 확장 광섬유 등과 같은 모드 변환 및 제어용 광섬유를 사용할 수 있다.

도 4는 일례로 두 개의 타원 코어 광섬유를 이용한 편광 방향에 따른 센서부용 광섬유 간섭계의 광투과 스펙트럼을 나타낸다.

광섬유 편광빔 분리기를 사용하여 각각 y 편광 (도 4a) 및 x 편광 (도 4b)으로 분리하여 얻어진 스펙트럼이다. 간섭계를 이용한 센서 시스템에서 간섭무늬의 특성 센서의 성능을 좌우하게 되므로, 주기적이고 일정한 형태의 깨끗한 간섭무늬를 확보하는 것이 매우 중요한데, 도 4에서 보면 편광 방향에 따라 각각 주기적이고 일정한 형태의 간섭무늬 패턴이 확보된 것을 알 수 있다.

도 4a 도시된 바와 같이, 전압이 인가될 경우 광섬유에 스트레인이 발생하게 되고 그에 따라 도 4a에서 볼 수 있듯이 간섭무늬가 이동하게 된다. 따라서, 이러한 전압인가에 의한 간섭무늬의 이동 특성을 분석하므로써, 역으로 간섭무늬 이동량으로부터 인가된 전압의 크기를 도출할 수 있다.

도 4a 도시된 y 편광 방향에서 얻어지는 간섭무늬의 경우 두 개의 코어모드 사이의 유효굴절률 차이가 크므로 간섭무늬의 간격이 41.16 nm 이다. 반면에 도 4b에 도시된 x 편광 방향에서 얻어지는 간섭무늬의 경우 두 개의 코어모드 사이의 유효굴절률 차이가 y 편광 방향에 비하여 상대적으로 작으므로 간섭무늬의 간격이 50.92 nm 로 상대적으로 넓다.

이처럼 편광 방향에 따라 간섭무늬 특성이 달라지게 되며 이처럼 편광방향에 따른 차별적인 광특성을 활용하는 것이 본 발명에 따른 구성의 중요한 부분이다.

본 발명의 경우 이중 코어 광섬유를 이용한 간섭계 기술을 사용하므로 2개의 코어의 구조 즉, 코어와 클래딩의 모양, 크기, 굴절률, 조성 분포를 개별적으로 조절하므로써 코어 사이의 유효 굴절률 차이 및 편광에 따른 간섭 특성 등을 조절하고 그에 따라 센서 특성 즉, 간섭무늬 간격, 측정 민감도, 투과 특성 등을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 반면에 도 1과 같은 기존 기술의 경우 단일 코어 내의 이중 모드 기술을 사용하므로 두 가지 모드 사이의 광특성을 차별적으로 제어하기가 어렵다.

간섭계를 이용한 전압센서의 경우 간섭무늬의 간격에 따라 측정감도가 달라지게 된다. 본 발명의 경우 이중 코어 광섬유 기술을 사용하므로 개별 코어의 유효굴절률을 제어하여 간섭무늬 간격을 쉽게 제어할 수 있다. 반면에 단일 코어 광섬유를 사용하는 기존 기술의 경우 간섭무늬 간격을 조정하기 위해서는 센서 광섬유 길이를 조절하게 되는데 이러한 경우 센서 광섬유 길이 변화는 측정감도에 영향을 주고 또한 센서부의 크기 제한에 따라 센서 광섬유 길이 조정이 어려울 수 있다.

도 5는 도4 의 간섭무늬를 분석하여 전압인가에 따른 스트레인 변화에 의한 간섭무늬 이동량을 y 편광 및 x 편광 방향에서 그래프로 나타낸 것이다. 도 5에서 볼 수 있듯이 편광방향에 따라 각기 다른 간섭무늬 이동 특성을 볼 수 있다. 센서에 인가되는 물리량이

,

라고 할 때 y 및 x 편광에서의 간섭무늬

,

는 각각 다음과 같이 관계식으로 주어진다.

여기서

는 편광방향에 따라 두 가지 다른 물리량

,

를 가변하여 얻어지는 계수이다.

식 3 및 4를 행렬식으로 정리하면 다음과 같이 되고

이것의 역행렬을 계산할 경우 다음과 같이 정리진다.

여기서 DET 는 행렬식(determinant)을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따라 편광 방향에 따라 두 종류의 간섭무늬 이동특성을 파악하므로써 두 가지 다른 물리량을 구할 수 있다.

여기서, 두 개의 물리량 중 하나는 전압이고 나머지 하나는 제거해야 하는 외부의 교란요소 즉 온도 또는 진동 등을 의미한다. 일례로 도 3에 도시된 타원형 코어 광섬유를 사용할 경우 내제적으로 코어의 복굴절 특성에 의하여 편광유지 특성을 가지므로 진동에 의한 교란을 크게 받지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서, 다른 외부 교란요소 특히 온도에 의한 영향을 식 3에 의하여 분리할 수 있으며 결론적으로 온도 변화와 무관하게 정확한 전압을 측정할 수 있다는 것이 본 발명의 또 하나의 중요한 장점이다.

도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 센서 시스템(300)은 상기 제 1 실시예와 다른 부분은 동일하나, 제1분기소자(312) 및 제2분기소자(333)를 포함하며, 거울면을 포함한다. 도 6의 실시 예에 따른 전압 센서 시스템(300)은 제1 분기소자(312)를 통해 신호분석부(330)가 센서부(320)에 연결된다.

도 6을 참조하면, 광원부의 광원에서 출사된 신호광은 제1분기소자(312)를 거쳐 센서부(320)의 센서 광섬유(321)로 입사된다. 센서부(320)는 원통형 압전소재 주변에 간섭계를 구성하는 센서 광섬유가 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 센서 광섬유(321)의 끝단은 신호광을 반사하도록 거울면 구조로 되어 있다.

거울면에서 반사된 신호광은 다시 제1분기소자(312)를 거쳐 제2분기소자(333)를 지나게 된다. 제2분기소자(312)에 의하여 수직한 편광 방향에 따라 분리된 신호광은 각각 제1 광신호분석기(331) 및 제 2 광신호분석기(332)에 전달된다.

제1분기소자(312)로서 광커플러나 광서큘레이터 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여, 제1분기소자는 입력단과 출력단이 광섬유로 피크테일된 형태인 것이 바람직하다. 따라서 광커플러는 광섬유커플러인 것이 바람직하다.

도 6에서 F1, F2, F3, F4 로 표시된 광 전송라인은 free space 또는 광섬유를 사용할 수 있다. 광 전송라인 배치의 자유도가 높은 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여 광섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 편광을 일정하게 유지하고 진동에 따른 노이즈 발생을 억제하기 위하여 전송라인 일부 또는 전체를 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

목적에 따라 광원(311)과 제1분기소자(312) 사이에 편광자 및 편광조절기와 같은 편광제어소자가 사용될 수 있다. 도 6에서 도시된 실시예의 경우 제 1 실시예와 달리 광신호가 센서 광섬유(321)를 지나 투과 방식으로 제2분기소자(333)에 직접 전달되는 것이 아니라 센서 광섬유(321)의 끝단에서 거울면에 의하여 반사된 후 제1분기소자(312)를 거쳐 제2분기소자(333)에 전달되는 것에 특징이 있다.

도 6과 같은 시스템 구조를 사용할 경우 광원부(310) 및 신호분석부(330)에서 센서부(320)에 연결되는 광전송라인이 하나이므로 센서부(320) 구조가 간단하여 센서 시스템 설치가 용이해지는 장점을 가지고 있다.

도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.

도 7과 함께 설명되는 실시예는 상기 도 2 및 6와 함께 설명하는 실시예와 다른 부분은 동일하나, 편광을 분리하는 기능을 가진 제2 분기소자 및 광을 분기하는 제1 분기소자를 사용하지 않는 것에 그 특징이 있다. 따라서, 구체적인 설명이 없는 부분은 상기 도 2 및 6에 따른 실시예의 설명된 구동원리가 적용되는 것으로 한다.

도 7에 따른 실시예의 경우 광신호 분석기와 동기화된 편광제어소자를 사용하여 반복적으로 서로 번갈아 가면서 x 편광 및 y 편광의 광신호 만을 통과 시키므로서 제2 분기소자의 편광 분리기능을 대신하게 하는데 그 특징이 있다. 편광제어소자를 사용하여 능동적으로 편광을 제어하고 일정한 시간 주기의 광신호를 확보하므로써 해당 시간주기와 맞지 않는 광신호를 노이즈로 분리하여 제거하므로써 보다 정확한 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

본 발명은 광섬유를 이용하여 전압을 측정하는 기술 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정확하고 안정적인 전압 센서 및 이를 활용한 전압 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 전압측정 시스템은 발전소, 변전소, 배전소와 같은 전력망 뿐 만 아니라 기차, 전철과 같은 수송 장치 및 공장 과 같이 곳에 적용되어 안정성 확보와 경제성을 높이는데 활용 될 수 있다.

Claims (8)

1. 역압전 방식을 사용하는 전압 센서 장치에 있어서,
   신호광을 출사하는 광원부;
   상기 광원부에서 출사된 신호광을 수신하여 간섭특성을 발생시키는 센서부; 및
   상기 센서부에서 발생한 간섭특성을 감지하여 전압을 센싱하는 신호분석부를 포함하고,
   상기 센서부는 전압이 인가되면 역압전 효과에 의해 지름 방향 길이가 달라지는 압전소재 및 압전소재에 감겨져 있는 형태로 제공되는 센서 광섬유를 포함하고,
   상기 센서 광섬유는 타원형 코어 모드를 갖는 제1 코어 및 제2 코어를 포함하는
   전압 센서 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서부와 상기 신호 분석부사이에 서로 수직한 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 분기소자를 더 포함하고,
   상기 신호분석부는 제1 광신호 분석기 및 제2 광신호 분석기를 포함하고,
   상기 제1 광신호 분석기 및 제2 광신호 분석기는 상기 분기소자에 의해 분리된 신호광 각각의 광간섭 특성을 측정하여 전압을 센싱하는
   전압 센서 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 코어 및 상기 제2 코어에는 각 코어 별로 하나의 모드만 형성되어 있는
   전압 센서 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 코어는 상기 제2 코어보다 큰 유효굴절률을 갖도록 제공되는
   전압 센서 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광신호분석기 및 제2 광신호분석기는 광스펙트럼분석기 및 광출력검출기 중 적어도 하나인
   전압 센서 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 센서 광섬유는 홀구조 광섬유인
   전압 센서 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 코어의 장축과 상기 제2 코어의 장축은 서로 평행하거나, 서로 수직인
   전압 센서 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 광원부와 상기 센싱부 사이에 상기 광원으로부터 출사된 신호광을 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어에 고르게 배분하기 위한 편광자를 더 포함하는
   전압 센서 장치.

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