KR20230018195A - 인라인 광전류센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인라인 광전류센서에 관한 것으로서, 기판과, 기판에 삽입되되 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 연마 부분이 기판의 상면에 노출된 측면 연마형 광섬유와, 기판 상면의 측면 연마형 광섬유의 노출된 연마부분 위에 설치되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와, 측면 연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과, 측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광을 검출하여 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 산출부를 구비한다. 이러한 인라인 광전류센서에 의하면, 구조가 단순하면서도 광학적 정렬작업에 대한 부담을 완화시킬 수 있고, 제작이 용이하며, 편광 의존성이 없고, 수신광에 대한 파장을 통해 전류를 측정하기 때문에 외부의 진동이나 충격과 같은 흔들림에도 측정 정밀도를 안정적으로 유지할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

인라인 광전류센서{in-line optical current sensor}

본 발명은 인라인 광전류센서에 관한 것으로서, 상세하게는 측면 연마형 광섬유와 자기광학소자를 이용하여 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 인라인 광전류센서에 관한 것이다.

최근 산업의 고도성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하면서 전력 설비가 초 고압화 및 대용량화가 되고 있고, 이에 따른 전력의 안정적인 공급 및 효율적인 이용을 위한 관리가 매우 중요해지고 있다.

따라서, 송전 및 배전 계통 또는 전력공급장치에서 공급되는 전력에 대한 고장위치를 자동적으로 검출하기 위하여 전류 검출센서가 널리 이용되고 있다.

종래의 전류 검출센서는 코일을 이용하여 유기된 전력에 의해 전류를 측정하는 방식이 이용되었으나, 고전압이나 대전력 환경하에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기상 현상에 기인한 뇌서지 등이 직접 전류공급경로를 통해서 또는 간접적인 정전유도나 전자 유도에 의해서 영향을 주기 때문에 최근에는 절연성이 양호하며 전자유도에 의한 노이즈를 받지 않는 특징을 갖는 광을 이용한 광자계센서를 이용한 방식이 이용되고 있다.

이러한 광자계센서는 통상 페러데이소자라 불리우는 자기광학소자를 이용하여 전류를 측정하는 방식을 적용하고 있고, 국내 공개 특허 제10-2006-0005200호 등 다양하게 개시되어 있다. 그런데, 종래의 자기광학소자를 적용한 전류센서는 편광기들을 광축에 맞체 얼라인시키는 광학적 정렬작업에 많은 시간이 소요되고, 정열이 어긋나면 광손실이 커져 정렬작업에 대한 부담이 큰 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광학적 정렬작업에 대한 부담을 완화시킬 수 있는 인라인 광전류센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인라인 광전류센서는 기판과; 상기 기판에 삽입되되 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출된 측면 연마형 광섬유와; 상기 기판 상면의 상기 측면 연마형 광섬유의 노출된 상기 연마부분 위에 설치되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와; 상기 측면 연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과; 상기 측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 산출부;를 구비한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 산출부는 상기 측면 연마형 광섬유로부터 수신된 광의 공진파장의 이동을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정한다.

또 다르게는 상기 산출부는 상기 측면 연마형 광섬유로부터 수신된 광의 공진파장의 간격을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정한다.

또한, 상기 기판은 실리카 소재로 형성되고, 상기 자기광학소자와 상기 기판의 노출된 상면에 도포되며 상기 클래드와 굴절율이 동일한 소재로 형성된 굴절률 정합층;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 굴절률 정합층은 투명 에폭시 소재가 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 인라인 광전류센서에 의하면, 구조가 단순하면서도 광학적 정렬작업에 대한 부담을 완화시킬 수 있고, 제작이 용이하며, 편광 의존성이 없고, 수신광에 대한 파장을 통해 전류를 측정하기 때문에 외부의 진동이나 충격과 같은 흔들림에도 측정 정밀도를 안정적으로 유지할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 인라인 광전류센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 자기광학소자가 장착된 부분을 다른 각도에서 확대 도시한 단면도이고,
도 3은 측정대상체에 흐르는 전류에 따라 공진파장이 이동하는 상태를 나타내 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인라인 광전류센서를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인라인 광전류센서를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 자기광학소자가 장착된 부분을 다른 각도에서 확대 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인라인 광전류센서는 광원(110), 센싱부(120) 및 산출부(150)를 구비한다.

광원(110)은 센싱부(120)의 측면 연마형 광섬유(123)의 일측에서 광을 출사한다. 광원(110)은 측면 연마형 광섬유(123)의 입력부(124)에 광을 출사할 수 있도록 설치되어 있다.

광원(110)은 공지된 다양한 것 예를 들면 발광다이오드가 적용될 수 있다.

센싱부(120)는 기판(121), 측면연마광섬유(123), 자기광학소자(130) 및 굴절률 정합층(140)를 구비한다.

기판(121)은 실리카소재로 형성된 것이 바람직하다.

측면 연마형 광섬유(123)는 공지된 단일 모드 광섬유의 측면을 길이방향을 따라 부분적으로 연마한 것이 적용된다. 측면 연마형 광섬유(123)는 기판(121)으로부터 양측으로 연장되게 기판(121)에 결합하여 있고, 기판(121)에 삽입된 부분은 곡률을 갖게 휘어진 형태로 기판(121)에 결합되어 있다. 측면 연마형 광섬유(123)를 구분하면, 입력부(124), 출력부(125) 및 연마부분(126)을 갖는다.

입력부(124) 및 출력부(125)는 광섬유와 동일한 구조로서 코어층(123a)을 감싸는 클래드층(123b)으로 되어 있다.

연마부분(126)은 입력부(124)와 출력부(125) 사이에 형성된 것으로 코어층(123a) 상부에 있는 클래드층(123b)의 일부가 제거되도록 연마처리된 부분이다. 연마 부분(126)은 연마가 가장 많이 이루어진 중앙부분으로부터 양측으로 길이방향을 따라 점진적으로 연마처리된 부분이 줄어들게 연마 처리된 것이 적용된다. 이러한 구조의 연마부분(126)은 기판(121)상에 중앙부분의 깊이가 낮고 양측 가장자리부분의 깊이가 깊도록 곡률을 갖게 형성시킨 홈의 바닥면에 광섬유를 안착시켜 고정한 상태에서 수평 연마에 의해 형성하면 된다. 또한, 측면 연마형 광섬유(123)는 연마 부분(126)이 기판(121)의 상면에 노출되게 기판(121)에 삽입되게 결합되어 있고, 연마부분(126)으로부터 양측으로 연장된 입력부(124) 및 출력부(125)는 기판(121)으로부터 외부로 돌출되게 연장되어 있다.

여기서 입력부(124) 및 출력부(125)는 비 연마처리된 부분으로서 기판(121)에 일부 삽입된 부분까지 포함될 수 있음은 물론이다.

자기광학소자(130)는 기판(121) 상면의 측면 연마형 광섬유(123)의 노출된 연마부분(126) 위에 설치되며 측정대상체(미도시)에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시킨다.

이러한 자기광학소자(130)는 측정대상체(미도시)에 흐르는 전류에 대응되어 실질적인 유효굴절율이 달라짐으로써 측면 연마형 광섬유(123)를 통해 전송되는 광의 공진파장이 달라진다. 여기서, 공진파장은 광섬유(123)의 입력부(124)로 입사된 광이 특정한 파장에서 외부로 빠져나가 광섬유(123)의 출력부(125)로 전달되지 않는 파장을 말한다.

굴절률 정합층(140)은 자기광학소자(130)와 기판(121)의 노출된 상면에 도포되며 클래드(123b)와 굴절율이 동일한 소재로 형성된다. 바람직하게는 굴절률 정합층(140)은 투명 에폭시 소재로 형성된다.

굴절율 정합층(140)은 측면 연마형 광섬유(123)를 통해 전송되는 광의 TE 편광과 TM편광을 일치시키기 위해 적용된 것이다.

산출부(150)는 측면 연마형 광섬유(123)의 타측이 되는 출력부(125)를 통해 수신된 광을 검출하여 측정대상체에 흐르는 전류를 측정한다. 산출부(150)는 스펙트로미터를 포함하여 구축될 수 있다.

산출부(150)는 측면 연마형 광섬유(123)로부터 수신된 광의 공진파장의 이동을 검출하여 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하도록 구축될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 공진파장이 초기상태에서 a로 표기된 지점인 경우 측정대상체에 흐르는 전류에 의해 b로 표기된 지점의 파장이 공진파장이 되는 경우 이동된 공진파장으로부터 측정대상체의 전류를 측정한다. 이 경우 산출부(150)에는 공진파장에 대응되는 전류값이 미리 실험에 의해 구해져 기록된 룩업테이블이 마련되어 있고, 이 룩업테이블을 이용하여 전류를 측정하도록 구축될 수 있다.

참고로 도 3에서는 특정 모드에 대한 공진파장의 이동을 설명하기 위한 그래프이고, 모드 차수별로 공진파장은 각각 발생된다.

또 다르게 산출부(150)는 측면 연마형 광섬유(123)로부터 수신된 광의 공진파장의 간격을 검출하여 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하도록 구축될 수 있다. 즉, 측정대상체에 흐르는 전류에 따라 자기광학소자(130)의 실질적인 유효굴절율이 증가하면 평면도파로 모드 차수 사이의 간격이 감소하고, 이러한 공진파장의 간격변화를 검출하면 측정대상체의 전류를 측정할 수 있다.

따라서, 산출부(150)는 측면 연마형 광섬유(123)로부터 수신된 광의 공진파장의 간격에 대응되는 전류값을 산출하는 수식에 의해 측정하거나, 실험에 의해 미리 구해져 기록된 룩업테이블을 이용하여 전류를 측정하도록 구축될 수 있다.

이상에서 설명된 인라인 광전류센서에 의하면, 구조가 단순하면서도 광학적 정렬작업에 대한 부담을 완화시킬 수 있고, 제작이 용이하며, 편광 의존성이 없고, 수신광에 대한 파장을 통해 전류를 측정하기 때문에 외부의 진동이나 충격과 같은 흔들림에도 측정 정밀도를 안정적으로 유지할 수 있는 장점을 제공한다.

110: 광원 121: 기판
123: 측면연마광섬유 130: 자기광학소자
140: 굴절률 정합층 150: 산출부

Claims (6)

1. 기판과;
   상기 기판에 삽입되되 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출된 측면 연마형 광섬유와;
   상기 기판 상면의 상기 측면 연마형 광섬유의 노출된 상기 연마부분 위에 설치되며 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와;
   상기 측면 연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과;
   상기 측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 산출부는 상기 측면 연마형 광섬유로부터 수신된 광의 공진파장의 이동을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 산출부는 상기 측면 연마형 광섬유로부터 수신된 광의 공진파장의 간격을 검출하여 상기 측정대상체에 흐르는 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리카 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 자기광학소자와 상기 기판의 노출된 상면에 도포되며 상기 클래드와 굴절율이 동일한 소재로 형성된 굴절률 정합층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 정합층은 투명 에폭시 소재가 적용된 것을 특징으로 하는 인라인 광전류센서.
   

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