KR20230112384A - Ofdr 기반의 온도 센서 - Google Patents

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Abstract

OFDR 기반의 온도 센서가 개시된다. 개시된 온도 센서는 광원; 상기 광원의 빛이 입사되는 제1광섬유; 상기 제1광섬유를 통해 전달된 빛을 입력받아, 기준 신호 및 측정 대상에 대한 온도 측정 신호를 생성하는 제2광섬유; 상기 기준 신호 및 온도 측정 신호를 검출하는 검출부; 상기 기준 신호 및 측정 신호를 상기 검출부로 전달하는 제3광섬유; 및 상기 제1 내지 제3광섬유를 연결하는 제1커플러를 포함한다.

Description

OFDR 기반의 온도 센서{TEMPERATURE SENSOR BASED ON OFDR}
본 발명은 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry, 광 주파수 영역 반사 측정법) 기반의 온도 센서에 관한 것이다.
최근 광섬유를 이용하여 물리량을 측정하는 기술이 다양하게 제안되어 이용되고 있다. 일 예로서, 광섬유격자(FBG)는 온도 또는 스트레인(Strain; '이하 변형률이라 한다')의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 변형률, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
광섬유격자의 경우 간단한 원리로 물리량의 측정이 가능하지만, 특수 처리된 광섬유가 이용되어 그 가격이 비교적 비싸다. 또한 특수 처리된 광섬유의 성질을 변화시킬 수 없어서, 온도 민감도와 거리 분해능을 자유롭게 조절할 수 없다.
이에 최근에는 광 주파수 영역 반사 측정법을 이용하여 온도를 측정하는 기술이 개발되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-2163517호, 제10-1844031호, 대한민국 공개특허 제2021-0122972호가 있다.
본 발명은 하나의 광섬유에서 기준 신호와 온도 측정 신호가 생성되는 OFDR 기반의 온도 센서를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원; 상기 광원의 빛이 입사되는 제1광섬유; 상기 제1광섬유를 통해 전달된 빛을 입력받아, 기준 신호 및 측정 대상에 대한 온도 측정 신호를 생성하는 제2광섬유; 상기 기준 신호 및 온도 측정 신호를 검출하는 검출부; 상기 기준 신호 및 측정 신호를 상기 검출부로 전달하는 제3광섬유; 및 상기 제1 내지 제3광섬유를 연결하는 제1커플러를 포함하는 OFDR 기반의 온도 센서가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 편광 상태가 동일한 하나의 광섬유에서 기준 신호 및 온도 측정 신호가 생성되기 때문에, 편광 상태가 상이한 서로 다른 광섬유에서 기준 신호 및 온도 측정 신호가 생성될 때 발생하는 SNR 감소 현상이 방지될 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 기준 신호 생성을 위한 별도의 광섬유없이 온도 센서가 구현될 수 있으므로, 온도 센서의 가격 경쟁력이 향상될 수 있으며, 기준 신호 생성에 이용되는 광섬유를 배치하거나 관리하기 위한 공간이나 장치를 마련하는데 소요되는 비용과 시간이 절감될 수 있다.
도 1은 일반적인 OFDR 기반의 온도 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDR 기반의 온도 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제2광섬유의 반사면과 코어의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDR 기반의 온도 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서의 사용예를 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 OFDR 기반의 온도 센서를 도시하는 도면이다.
광원(140)의 빛은 제1광섬유(110)로 입사되며, 제1광섬유(110)로 입사된 빛은 커플러(150)를 통해 제2 및 제3광섬유(120, 170)로 전달된다. 제2광섬유(120)로 입사된 빛이, 제2광섬유(120)의 측정 영역에서 산란되어 온도 측정 신호가 생성된다. 그리고 제3광섬유(170)로 입사된 빛이, 제3광섬유(170)의 반사면에서 반사되어, 기준 신호가 생성된다.
생성된 기준 신호와 온도 측정 신호는 커플러(150)를 통해 제4광섬유(130)로 전달되며, 검출부(160, Photo Detector)에서 검출된다. OFDR 장치(180)는 검출부(160)의 검출 결과를 이용하여, 측정 영역에서의 위치별 온도값을 생성한다.
기준 신호를 일정하게 유지시키기 위해, 온도 측정 신호를 생성하는 제2광섬유(120)와 별도로 기준 신호를 생성하는 제3광섬유(170)가 이용되며, 제3광섬유(170)는 상온 또는 온도가 제어되는 환경에 배치된다.
이와 같이 온도 측정을 위해 2개의 광섬유 즉, 제2 및 제3광섬유(120, 170)가 이용되는 경우, 제2 및 제3광섬유(120, 170) 각각에서의 편광 상태의 차이에 따라, 기준 신호 및 온도 측정 신호의 SNR이 매우 낮아질 수 있다. 또한 서로 다른 광섬유에서 생성된 기준 신호 및 온도 측정 신호가 간섭계에서 섞이면서 발생하는 손실에 의해, SNR이 더욱 낮아질 수 있다.
이에 본 발명은, 2개의 광섬유를 이용하여 기준 신호 및 온도 측정 신호를 생성할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위해, 하나의 광섬유를 이용하여 기준 신호 및 온도 측정 신호를 생성하는 온도 센서를 제안한다. 배터리 등과 같이 온도 변화가 크지 않은 측정 대상의 온도가 측정되는 환경에서는, 기준 신호의 편차 역시 크지 않기 때문에, 하나의 광섬유를 이용하더라도 높은 온도 측정 정확도가 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDR 기반의 온도 센서를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 제2광섬유의 반사면과 코어의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 OFDR 기반의 온도 센서는 제1 내지 제3광섬유(210, 220, 230), 광원(240), 커플러(250) 및 검출부(260)를 포함한다.
제1광섬유(210)로 광원(240)의 빛이 입사되며, 제2광섬유(220)는 제1광섬유(210)를 통해 전달된 빛을 입력받아, 기준 신호 및 측정 대상에 대한 온도 측정 신호를 생성한다. 제2광섬유(220)는 측정 대상에 접촉한 상태로 배치되거나, 측정 대상 주변에 배치될 수 있다.
제2광섬유(220)의 일단은 커플러(250)와 결합되며, 제2광섬유의 타단(221)에는 반사면(223)이 형성된다. 그리고 제2광섬유(220)는 코팅층이 제거된 측정 영역(222)을 포함한다. 측정 영역(222)의 길이는 온도 측정 환경에 따라서 다양하게 설계될 수 있다.
제3광섬유(230)는 커플러(250)와 결합되어, 제2광섬유(220)에서 생성된 기준 신호 및 온도 측정 신호를 검출부(260)로 전달한다.
검출부(260)는 광신호인 기준 신호 및 온도 측정 신호를 검출한다.
커플러(250)는 제1광섬유(210)의 빛이 제2광섬유(220)로 전달되고, 기준 신호 및 온도 측정 신호가 제3광섬유(230)로 전달되도록, 제1 내지 제3광섬유(210, 220, 230)를 연결한다.
전술된 바와 같이, 기준 신호 및 온도 측정 신호는 하나의 동일한 광섬유인 제2광섬유(220)에서 모두 생성된다. 기준 신호는 광원(240)의 빛이 반사면(223)에서 반사되어 생성되며, 온도 측정 신호는 광원(240)의 빛이 측정 영역(222)에서 산란되어 생성된다. 보다 상세히, 기준 신호는 프레넬 반사(Fresnel Reflection)에 의해 생성되며, 온도 측정 신호는 레일리 후방 산란(Rayleigh Backscattering)에 의해 생성된다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 편광 상태가 동일한 하나의 광섬유에서 기준 신호 및 온도 측정 신호가 생성되기 때문에, 전술된 SNR 저하 문제가 해결될 수 있으며, 온도 측정 정확도와 분해능도 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 기준 신호 생성에 이용되는 광섬유없이 온도 센서가 구현될 수 있으므로, 온도 센서의 가격 경쟁력이 향상될 수 있으며, 기준 신호 생성에 이용되는 광섬유를 배치하거나 관리하기 위한 공간이나 장치를 마련하는데 소요되는 비용과 시간이 절감될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예는 기준 신호의 세기를 감소시키기 위해, 거칠도록 처리된 반사면(223)을 이용할 수 있다. 거칠도록 처리된 반사면(223)에 의해 기준 신호가 산란되면서, 제2광섬유(220)에서 생성되는 기준 신호의 세기가 감소될 수 있다. 일실시예로서 랜덤하거나 규칙적인 돌출 패턴이 반사면(223)에 형성되도록 처리됨으로써, 반사면(223)이 거칠어질 수 있다.
또는 본 발명의 일실시예는 기준 신호의 반사를 위해 미러 피니싱(mirror finishing) 처리된 반사면(223)을 이용하되, 기준 신호의 세기를 감소시키기 위해, 제2광섬유의 코어(224)에 대해 기울어져 형성된 반사면(223)을 이용할 수 있다. 즉, 반사면(223)이 코어(224)에 대해 수직이 되도록 형성되지 않고, 반사면(223)과 코어(224)가 이루는 각도(225)가 90도보다 작도록 반사면(223)이 형성될 수 있다. 반사면(223)의 기울어진 정도 즉, 반사면(223)과 코어(224)의 각도(225)는 온도 측정 환경에 따라서 결정될 수 있으며, 예컨대 90도보다 작고 30도보다 크도록 결정될 수 있다.
기준 신호의 세기가 감소할 경우, 기준 신호와 동일한 광섬유에서 생성되는 온도 측정 신호의 세기가 기준 신호에 의해 감소되는 현상이 방지될 수 있으며, 온도 측정 정확도가 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDR 기반의 온도 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서는 제1 내지 제3광섬유(210, 220, 230), 광원(240), 제1 및 제2커플러(250, 310), 보조 간섭계(320), 아이솔레이터(330), 편광 제어기(340), 편광 빔 스플리터(350) 및 검출부(361, 362, 363)를 포함한다.
광원(240)은 레이저를 출력할 수 있으며, 레이저의 파장을 조절할 수 있는 TLS (Tunable laser source)일 수 있다. 제2커플러(310)는 온도 측정 정확도를 높여주기 위한 보조 간섭계(320, Auxiliary interferometer)와 제1광섬유(210)를 연결하며, 아이솔레이터(330, Isolator)는 기준 신호 및 온도 측정 신호의 광원 방향으로의 이동을 차단한다.
편광 제어기(340, Polarization controller)는 광원(240)의 빛의 편광 특성을 제어한다. 편광 제어기(340)는 편광 모드 분산(Polarization Mode Dispersion)을 보상하여 신호 특성이 개선될 수 있도록 빛의 편광 특성을 제어하며, 편광 빔 스플리터(350, Polarization beam splitter)는 기준 신호 및 온도 측정 신호 각각을 서로 다른 편광 신호로 분할한다.
검출부에 포함되는 제1 및 제2검출기(361, 362)는 편광 빔 스플리터(350)에 의해 분할된 서로 다른 편광 신호를 검출하며, 제3검출기(363)는 보조 간섭계(320)를 통과한 빛을 검출한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서의 사용예를 도시하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서의 측정 대상으로서, 전기차 또는 ESS 등에 탑재되는 배터리셀, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 포함될 수 있으며, 도 5에서는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서가 배터리셀(510) 및 배터리 모듈(520)에 대한 공간적인 온도 분포 측정에 사용되는 예가 도시되어 있다. 여기서, 공간적인 온도 분포란, 배터리 표면의 하나의 지점이 아니라, 배터리 표면의 복수의 지점 및 배터리로부터 이격된 위치에서의 온도 분포를 의미한다.
제2광섬유(220)는 측정 영역과 배터리셀(510), 측정 영역과 배터리 모듈(520) 또는 측정 영역과 배터리팩과의 접점이 복수개가 되도록, 배터리셀(510), 배터리 모듈(520) 또는 배터리팩 주변에 배치될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2광섬유(220)는 배터리셀(510)의 일면 상에 곡선 형태로 배치되거나, 배터리 모듈(520)의 배터리셀을 감도록 배치될 수 있다. 배터리 자체의 온도 뿐만 아니라 배터리 주변 공간에 대한 온도 측정을 위해, 측정 영역의 일부분이 배터리셀(510) 또는 배터리 모듈(520)과 접촉되고, 일부분을 제외한 측정 영역의 나머지 부분은 배터리셀(510) 또는 배터리 모듈(520)과 이격되어 접촉되지 않아도 무방하다.
배터리셀(510), 배터리 모듈(520), 배터리팩 각각의 온도 측정을 위해 서로 다른 복수의 제2광섬유가 이용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 광원;
    상기 광원의 빛이 입사되는 제1광섬유;
    상기 제1광섬유를 통해 전달된 빛을 입력받아, 기준 신호 및 측정 대상에 대한 온도 측정 신호를 생성하는 제2광섬유;
    상기 기준 신호 및 온도 측정 신호를 검출하는 검출부;
    상기 기준 신호 및 측정 신호를 상기 검출부로 전달하는 제3광섬유; 및
    상기 제1 내지 제3광섬유를 연결하는 제1커플러
    를 포함하는 OFDR 기반의 온도 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2광섬유의 일단은, 상기 제1커플러와 연결되며,
    상기 기준 신호는, 상기 빛이 상기 제2광섬유의 타단의 반사면에서 반사되어 생성되며,
    상기 온도 측정 신호는, 상기 빛이 상기 제2광섬유에서 코팅층이 제거된 측정 영역에서 산란되어 생성되는
    OFDR 기반의 온도 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2광섬유의 반사면은
    거칠도록 처리된 반사면인
    OFDR 기반의 온도 센서.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2광섬유의 반사면은
    미러 피니싱 처리된 반사면이며,
    상기 제2광섬유의 코어에 대해 기울어져 형성된 반사면인
    OFDR 기반의 온도 센서.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 측정 대상은
    배터리셀, 배터리 모듈 또는 배터리팩이며,
    상기 제2광섬유는
    상기 측정 영역과 상기 배터리셀, 상기 측정 영역과 상기 배터리 모듈 또는 상기 측정 영역과 상기 배터리팩과의 접점이 복수개가 되도록, 상기 배터리셀, 배터리 모듈 또는 배터리팩 주변에 배치되는
    OFDR 기반의 온도 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    보조 간섭계;
    상기 보조 간섭계와 상기 제1광섬유를 연결하는 제2커플러;
    상기 기준 신호 및 온도 측정 신호의 광원 방향으로의 이동을 차단하는 아이솔레이터;
    상기 빛의 편광 특성을 제어하는 편광 제어기; 및
    상기 기준 신호 및 온도 측정 신호 각각을 서로 다른 편광 신호로 분할하는 편광 빔 스플리터를 더 포함하며,
    상기 검출부는
    상기 서로 다른 편광 신호를 검출하는 제1 및 제2검출기
    를 포함하는 OFDR 기반의 온도 센서.
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