KR20240036375A - 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치 및 이를 적용한 다채널 탈부착형 센서노드 - Google Patents

광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치 및 이를 적용한 다채널 탈부착형 센서노드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치와 이를 적용한 탈부착형 센서노드를 제공한다. 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치의 AWG 송수신 보드(10)는 광원으로부터의 광 출력을 비대칭 광섬유 커플러(12)로 분배하여 써큘레이터(13)를 통해 광섬유 격자(FBG) 어레이(30)로 입사한다. 한편, 광섬유 격자 어레이(30)에서 검출된 정보는 써큘레이터(13)를 통해 검출 광신호(15)로서 AWG 송수신 보드(10)로 입력된다. AWG 송수신 보드(10)와 광섬유 격자 어레이(30) 간의 신호 교환은 광스위치(20)에 의해 매개된다. 또한, 상기 AWG 송수신 보드(10)와 광섬유 격자 어레이(30)에 덧붙여 전기식 센서 모듈(70)을 부가적으로 적용하여 보다 광범위하고 종합적인 판단을 할 수 있다.

Description

광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치 및 이를 적용한 다채널 탈부착형 센서노드 {Wavelength detection apparatus using fiber grating and multi-channel pluggable sensor node adopting the apparatus}
본 발명은 특고전압 대전류 환경 등 특수환경하에서 설비 운용시스템의 안정적 운영과 사고 예방을 위한 고감도, 고정밀의 광 기반 환경 센서 모듈, 그리고 이를 적용하여 EMI 환경에 영향을 받지 않는 다채널 광 기반 탈부착형 센서노드에 관한 것이다.
전력설비의 열화 및 노후화에 따른 설비의 사고를 사전 예방하고, 안정적인 전력공급을 위한 기술로 실시간 전력설비 감지 기술이 폭넓게 연구되었다. 대부분의 전력 설비는 사고 전에 비정상적인 온도상승과 같은 전조 현상 이후 화재나 폭발로 이어지므로 전력설비의 열적 변화를 주위 환경 요소를 고려하여 실시간으로 감시하는 것이 중요하다. 전력설비의 열적 변화를 직접적으로 측정하기 위해서 EMI에 영향을 받지 않는 광학식 센서를 주로 사용하고 있고, 특정 장소와 전력기기에는 광섬유 격자를 함께 활용하고 있다.
광섬유 격자는 싱글모드 광섬유의 코어에 244~248 nm 파장의 UV빔을 조사하여 주기적인 굴절률의 변화를 일으키도록 제작되며, 격자의 경계 면에서 특정 파장의 빛만을 반사, 제거, 굴절시키는 특징을 갖는다. 보통, 광섬유 격자는 길이 1~20 mm 안에 새겨지고 반사율이 거의 100%에 가깝게 제작 가능하며, 그 용도와 형태에 따라 FBG(fiber Bragg grating), LPG(long period grating), TFBG(Tilted FBG), CFBG(chirped FBG), SFBG(sampled FBG) 등으로 구분할 수 있다. 이들 중 센서 응용에서는 FBG 광섬유 격자가 주로 이용된다.
도 1은 광섬유 격자를 센서로 이용하는 원리를 나타내는 것으로, 고농도 게르마늄 도핑된 광섬유(highly Ge-doped fiber) 내의 FBG 격자에 광폭 광원(BBS)이 입사하면 주기적인 굴절률의 경계 면에서 Bragg 조건을 만족하는 파장의 광 신호만 보강간섭을 일으켜 입사 광원의 반대 방향으로 반사된다. 반사되는 Bragg 파장 λB는 아래 식 (1)로 결정된다.
위 식에서 neff는 광섬유 격자의 유효 굴절률이고, Λ는 주기적인 굴절률변화의 간격으로, 광섬유 격자에 가해지는 물리량의 변화에 따라 굴절률과 간격이 변하여 광섬유 격자의 반사 파장이 결정된다. 광섬유 격자는 온도나 스트레인 변화에 반사 파장이 선형적으로 변하는 특징을 갖는데, 온도와 스트레인에 따른 브래그 파장의 변화는 아래 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
위 식에서 ΔλB는 광섬유 격자의 반사파장변화량이고, Δε과 ΔT는 광섬유 격자에 가해지는 스트레인과 온도의 변화량이다. ρe는 광탄성상수(photo elastic constant), α는 열팽창계수(thermal expansion coefficient), ξ은 열광학계수(thermo optic coefficient)으로, 실리카(SiO2)의 경우에 ρe는 0.22이고 α는 약 5×10-7/℃이고 ξ은 약 10-5/℃이다.
선특허 US7512291B2는 다중채널 광섬유 브래그 격자(FBG) 검출 시스템 및 그의 제조를 제안하였다. 이 다중채널 광섬유 브래그 격자 센서는 밀폐된 2cm×5cm SFF 단일 광섬유 패키지의 통합 광센서 마이크로칩과 신호처리 IC 전자 장치로 구성된다. 광원 및 센싱 일체형 구조이며, 100GHz(0.8 nm) 40ch Flat Athermal AWG(arrayed waveguide grating)을 이용하여 파장검출 장치를 구현하기도 한다. 본 발명과는 10nm의 채널 간격을 가지는 4채널 AWG, TEC와 써미스터를 이용하여 온도에 따른 파장변화를 보상하기 위해 적용한 점에 차이가 있다.
다른 선특허 US9268098B2는 AWG 포트에 FBG의 브래그 파장(λB)이 스펙트럼 범위(Δλn, Δλn+1, Δλn+2) 내에 들어가도록 적어도 2 개의 연속적인 출력 포트 각각의 스펙트럼 범위(Δλn, Δλn+1, Δλn+2)와 FBG의 동적 범위 (Δλdyn,B)에 걸친 적어도 세 개의 연속된 출력 포트들 중 하나를 선택하게 되어 있다. 그러나 필터구조상 출력포트의 검출기 수에 따라 정밀한 파장측정이 가능하므로 이 기술은 저가화하기 힘든 구조이다.
또 다른 선특허 KR 0066793은 두 개의 첩(chirp) 광섬유 격자를 일정한 간격을 두고 첩 비율을 대칭적으로 변화시킴으로써 광섬유 격자의 파장변화를 조절할 수 있는 구조를 제안하고 있으나, 광섬유 격자에 동일한 스트레인이 가해지지 않고 구부림 등의 압력이 가해지면 광섬유 격자의 스펙트럼의 왜곡효과에 따라 파장필터의 신뢰성을 확보하기 어려운 구조이다.
한편 선출원 2011-0080481은 광섬유 격자를 구조물에 내장하여 차동 나사 회전에 의하여 광섬유 격자에 가해지는 압력에 따라 광섬유 격자의 반사 파장이 가변되는 방법을 제시한다. 이는 나사선의 정밀도에 따라 파장가변 정밀도가 결정되며, 수동형 광섬유 파장필터 제작에 적합한 구조이다.
본 발명은 고전압 대전류 전력 설비, 계통 등에서 노후화 및 고장에 따라 발생하는 발열 지점을 광섬유 격자를 이용하여 검출하고 부가적으로 전기적 환경 센서를 참조하여 설비, 계통 등의 상태 이상 여부를 종합적으로 판단하는 파장검출 장치와 이를 적용한 탈부착형 센서노드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치와 이를 적용한 광 기반의 탈부착형 센서노드를 제공한다.
광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치와 이를 적용한 광 기반의 탈부착형 센서노드에서, AWG 송수신 보드는 광원으로부터의 광 출력을 비대칭 광섬유 커플러로 분배하여 써큘레이터를 통해 광섬유 격자(FBG) 어레이로 입사한다. 한편, 광섬유 격자 어레이에서 검출된 정보는 써큘레이터를 통해 검출 광신호로서 AWG 송수신 보드로 입력된다. AWG 송수신 보드와 광섬유 격자 어레이 간의 신호 교환은 광스위치에 의해 매개된다. 또한, 상기 AWG 송수신 보드와 광섬유 격자 어레이에 덧붙여 전기식 센서 모듈을 부가적으로 적용하여 보다 광범위하고 종합적인 판단을 할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 이후에 도면과 함께 설명하는 발명의 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 고전압 대전류 전력설비 및 계통에서 노후화 및 고장에 따라 발생하는 발열, 진동, 스트레인 등 다양한 고장 요인을 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치로 고감도, 고정밀의 데이터를 취득할 수 있다. 특히, 전기식 센서가 아닌 광섬유 격자를 이용하므로 EMI에 영향을 받지 않는 검출데이터를 얻을 수 있다. 특히, 폭발성 가스 또는 증기를 사용하는 특수환경에서도 별도의 방폭패키지없이 광섬유 기반의 센서 어레이로 수십 km까지의 원거리 측정이 가능하다.
또한 전기식 환경 센서를 부가적으로 이용함으로써 보다 광범위하고 종합적인 판단을 할 수 있다.
도 1은 광섬유 격자의 기본 원리 설명도
도 2는 본 발명에서 제안된 광섬유 격자 파장검출 장치의 구성도
도 3은 도 2의 4채널 AWG 송수신 보드의 구성도
도 4는 상기 광섬유 격자 파장검출 장치를 이용한 광 기반 탈부착형 센서 노드의 구성도
도 5는 다수의 광 기반 탈부착형 센서 노드를 활용한 관제 시스템의 구성도
도 6은 상기 광 기반 탈부착형 센서 노드의 UI/UX 예시도
도 7은 센서 데이터 모니터링 및 시각화 UI/UX의 예시도
도 8은 전기식 센서 모듈의 측정 데이터(온도, 습도, CO, 조도) 예시도
도 9는 광섬유 격자 파장검출 장치의 광섬유 센서 어레이의 온도측정 데이터 예시도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하 설명에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형에는 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.
도 2는 본 발명의 광 기반 탈부착형 센서노드에 적용되는, 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치의 개략 구성도이다.
먼저, PLC 기반의 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 칩이 내장된 4채널 파장검출 수신부와 광폭 광원인 SLED(Super Luminescent Light-Emitting Diode)가 포함된 송신부와 상기 광원의 광 세기 변화를 모니터링 하기 위한 PIN PD(p형-i형-n형 Photodetecteor)로, 다채널(여기서는, 4채널)의 광섬유 격자 송수신(TX/RX) 보드(10)를 구성한다. 이러한 AWG 송수신 보드(10)가 포함된 파장검출 장치의 동작은 다음과 같다.
광섬유 격자의 광원으로 사용하는 SLED의 광 출력(11)은 99:1 비대칭 광섬유 커플러(12)를 거쳐서 광 출력(11)의 99%는 써큘레이터(circulator)(13)로 입사하여 광 스위치(20)를 통해 다채널(예를 들어, 4 채널)의 광섬유 격자(예를 들어, FBG) 어레이(30)로 입사한다. 한편, 광 출력(11)의 비대칭 광섬유 커플러(12)를 거친 나머지 1%는 시간 및 동작에 따른 SLED의 광 출력의 변화를 모니터링하기 위해 AWG 송수신 보드(10)에 기준신호(reference)(14)로서 입력되어 보드(10) 내의 PIN PD에서 전기신호로 변환된다. 기준신호(14)는 광원 SLED의 광 출력(11)의 변화에 따른 센서 측정오차를 보정하기 위하여 사용한다. 써큘레이터(13)의 뒤에 설치된 1×N 광 스위치(20)는 4채널 광섬유 격자 어레이(30)의 센서 수를 N개로 확장하기 위해 사용하였다. 즉, 광 스위치(20)의 출력포트의 수만큼 배수로 광섬유 격자의 확장이 가능하다. N개의 4채널 광섬유 격자 어레이(30)에서 검출된 정보는 광 스위치(20)를 통해 검출 광신호(15)로서 AWG 송수신 보드(10)로 입력된다.
도 3은 도 2에 나타낸 4채널 AWG 송수신 보드(10)의 내부 구성도이다. 광원으로 사용하는 SLED(16)와 광섬유 격자의 파장검출을 하는 4ch AWG ROSA 모듈(Receiver Optical Sub-Assembly)(17)은 서로 열간섭이 최소화되도록 하기 위해 양쪽 끝단에 배치하였으며, TEC 쿨러(18)를 이용하여 항온을 유지하도록 하였다. 보드(10)에서 발생하는 열에 따라 센서 측정 오차가 발생하기 때문에 열간섭의 최소화를 위해 보드 하부에는 방열판을 설치하여 TEC 쿨러(18)의 성능을 극대화할 수 있다. 레퍼런스(기준신호) 검출을 위한 PIN PD(19)는 SLED(16)의 광출력 변화를 감시하고, 센서값 오차를 보정하기 위해 사용하였다. PIN PD(19)는 InGaAs 재료로 제조된 Pigtail 형태의 것이 사용된다. 또한, 4채널 AWG ROSA(17)와 PIN PD(19)에서 검출된 광 신호는 전기신호로 변환되어 증폭 회로(Amplifier circuit)를 거쳐 전기신호로 출력(Signal output)되어 외부에서 신호처리 하도록 구성되어 있다.
도 4는 상술한 광섬유 격자 파장검출 장치를 채용한 광 기반 탈부착형(pluggable) 센서 노드(100)의 구성도이다. 광섬유를 통해 연결된 4채널의 광섬유 격자 어레이(30)의 파장을 동시에 검출할 수 있는 4채널 AWG 송수신 보드(10)의 출력 값(아날로그 신호)은 SNR을 높이기 위한 저대역 필터(40)를 거친 뒤, ADC 모듈(50)을 통해 디지털 신호로 변환된다. ADC 모듈(50)을 통해 임베디드 디바이스(60)는 검출 데이터를 수집하고 신호처리 하여 다양한 온도, 진동, 스트레인 및 가속도와 같은 센서 값을 연산한다.
한편, 전기식 센서 모듈(70)들은 도 4의 센서 노드(100)에 별도의 보드로 탈부착 형태로 배치될 수 있는데(예를 들어, 상하 2층 PCB 적층 구조의 경우에 상부 PCB), 각각 상이한 기능을 갖는 다양한 전기식 센서 모듈(70)에서 출력된 센서 데이터는 ADC, I2C, 및 DIO 채널(미도시)을 통해 MCU(80)로 전달된다. MCU(80)는 전달받은 센서 데이터를 읽고 연산한 뒤, 시리얼 포트를 통해 임베디드 디바이스(60)로 연산된 센서 데이터를 전송한다. 임베디드 디바이스(60)에서는 상기 AWG 송수신 보드(10)로부터의 광섬유 격자에 의한 검출 데이터와 상기 전기센서 모듈(70)로부터의 센서 데이터를 로컬에 저장하고 신호처리 한 뒤, 이들 데이터를 통신 모듈과 암호화 모듈이 내장되어 있는 인터페이스 보드(90)로 전송하고, 인터페이스 보드(90)에서는 수신된 데이터를 암호화하여 관제 게이트웨이(후술함)로 전송한다. 암호화 모듈에서는 대칭키, 해시함수, 공개키, 전자서명 등의 통합 암호방식을 채용한 보안 모듈을 활용하여 보안성을 높인다.
도 5는 도 4의 광 기반 탈부착형 센서 노드(100)를 활용한 보안 기반 센서 플랫폼의 구성도이다.
도 4의 광 기반 탈부착형 센서 노드(100)는 (상기 인터페이스 보드(90)를 통해) 관제 게이트웨이(200)를 매개하여 보안 기반 통합 관제 시스템(300)과 데이터를 교환한다. 통합 관제 시스템(300)은 보안서버, 통합 관제 플랫폼, 및 시각화 플랫폼을 포함하여 센서 데이터의 실시간 원격 모니터링 및 시각화 통합 관제를 담당한다. 보안 기반 관제 게이트웨이(200)는 이기종 센서 데이터를 실시간 다중 처리가 가능한 유무선 게이트웨이로 구성되어 있다. 광 기반 탈부착형 센서 노드(100)는 앞서 기술한 바와 같이 광섬유 센서 어레이(20) 및 탈부착 형태의 전기식 센서 모듈(70)을 활용하여 전력 설비, 계통 등으로부터 검출된 데이터를 취합한다.
도 6은 본 발명에 따른 광 기반 탈부착형 센서 노드(100)의 UI/UX이다. 현장에서도 사용자가 스마트기기를 활용하여 센서 데이터를 확인하고 보정을 하기 위한 설정 값을 조정이 가능하도록 UI를 설계하였다.
도 7은 센서노드(100)에서 전송한 데이터를 게이트웨이(200)에서 취합하고 서버로 전송한 데이터를 모니터링 하기 위한 시각화 플랫폼에서 구현한 UI/UX의 예이다.
도 8과 도 9는 본 발명에서 제안한 광 기반 탈부착형 센서 노드(100)를 전력 설비에 설치한 뒤, 전기식 센서 모듈(70)들과 4채널 광섬유 센서 어레이(30)의 실험결과르 나타낸다. 도 8은 전기식 센서 모듈(70)로 온도, 습도, CO(일산화탄소), 조도를 측정한 데이터를 나타내고, 도 9는 4채널 광섬유 센서 어레이(30)를 통한 온도 측정 데이터를 나타낸다.
이상에서 본 발명의 사상을 구체적으로 구현한 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이상에서 설명한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.

Claims (1)

  1. AWG 송수신 보드(10)는 광원으로부터의 광 출력을 비대칭 광섬유 커플러(12)로 분배하여 써큘레이터(13)를 통해 광섬유 격자(FBG) 어레이(30)로 입사하고,
    상기 광섬유 격자 어레이(30)에서 검출된 정보는 써큘레이터(13)를 통해 검출 광신호(15)로서 상기 AWG 송수신 보드(10)로 입력되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치.
KR1020220115148A 2022-09-13 2022-09-13 광섬유 격자를 이용한 파장검출 장치 및 이를 적용한 다채널 탈부착형 센서노드 KR20240036375A (ko)

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