KR100481433B1 - 반도체 다이오드 레이저 광계측 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소시스템에서 대기로 방출되는 유해 가스의 농도를 광 계측함에 있어 빠른 응답성과 고 정밀 계측이 가능한 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템에 관한 것으로, 임의 파형 발생기를 이용하여 생성된 특정 주파수와 크기를 가지는 합성파를 반도체 다이오드 레이저 구동장치의 전류 연결부에 주입하여 레이저 소오스에 걸어주고, 수광부에서 흡수 영역을 통과한 투과 신호에서 조화 신호를 추출함으로써 잡음이 제거된 높은 감도의 신호값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 대상 가스의 농도를 정밀하게 계측할 수 있다. 그리고, 대기 중으로 광을 조사하는 기존의 복잡한 계측 방식과 달리 대상 가스의 흡수 파장에 부합하는 광섬유 부품과 라인을 통하여 계측 시스템을 간단히 구성할 수 있을 뿐만 아니라 연소 장치나 실험 장치에 효과적으로 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
Description
본 발명은 연소시스템에서 대기로 방출되는 유해 가스의 농도를 광 계측함에 있어 빠른 응답성과 고 정밀 계측이 가능한 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템에 관한 것이다.전 세계적으로 환경 문제가 사회적 이슈로 크게 부각됨에 따라 공해 물질의 저감 노력이 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내에서도 마찬가지로 이에 대한 연구와 노력이 계속되고 있다. 그 중에서도 산업체에서 발생하는 질소 산화물과 같은 유해 가스를 줄이기 위한 방안 중 연소 시스템의 배기단에서 실시간으로 농도와 온도 등을 계측함으로써 최적의 운전 조건을 도출하여 공해 물질을 저감하는 방식이 널리 사용되고 있다. 이러한 계측을 위하여 레이저를 이용한 계측기법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 기존의 액체 및 기체를 매질로 하는 레이저를 이용한 계측 기술은 대부분 고출력의, 고가인 레이저를 사용해야 하며, 측정값이 직접적으로 얻어지는 것이 아니라 얻어진 자료의 분석이 필요하므로 사용법이 복잡하고, 기기의 특성상 세심한 주의가 요구되는 등의 그 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템은 소형이고 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 응답성이 빠르며, 광섬유와 함께 사용하여 설치 및 유지보수가 쉬우며, 또한 연소 생성물을 동시에 실시간으로 관측할 수 있게 하여 연소 시스템의 모니터링에 유용하게 쓰일 수 있는 반도체 다이오드 레이저 광계측 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템은, 광원으로 사용되는 레이저 소오스와, 이 레이저 소오스를 부착시킬 수 있는 공간 설정이 되어 있는 마운트(23)와, 상기 마운트(23)에 주입하는 전류의 조절과 온도 조절을 할 수 있는 다이오드 레이저 콘트롤러(22)와, 합성 주파수 파형을 상기 콘트롤러(22)에 주입할 수 있는 임의파형 발생기(21)를 포함하는 발진부(20)와; 상기 레이저 소오스에 연결되어 광원의 역 반사를 방지하는 아이솔레이터(31)와, 상기 아이솔레이터(31)에서 나온 빔을 특정 비율을 가지는 기준 신호와 투과 신호로 분기시켜 주기 위한 커플러(32)와, 각각이 측정하고자 하는 가스가 들어 있는 가스 셀 한쪽 단에서 집광하여 빔을 발진하고 다른 쪽 단에서 상기 가스 셀을 통과한 빔을 집광하는 콜리메이터(33, 35)를 포함하고, 이들이 서로 광섬유로 된 커넥터로 연결되어 있는 광섬유 연결부(30)와; 상기 기준 신호와 가스 셀을 지난 통과 신호를 동시에 검출할 수 있는 광검출기(15)와, 이 광검출기(15)에서 검출된 신호를 증폭시키는 증폭 추출기(14)와, 이 증폭 추출기(14)에서 증폭된 신호 표시를 위한 오실로스코프(13)와, 상기 증폭 추출기(14)에서 증폭된 신호의 스펙트럼을 분석하기 위한 스펙트럼 분석기(12)와, 상기 신호로부터 보다 정밀한 데이터를 산출하기 위한 컴퓨터(11)를 포함하는 수광부(10)를 포함하며; 상기 임의파형 발생기(21)는 램프파와 사인파를 합성한 주파수 파형을 상기 다이오드 레이저 콘트롤러(22)에 주입하고, 상기 증폭 추출기(14)는 파장변조 분광기법에서 적용된 합성파에 들어가는 기준 사인파를 동시에 주입하여 상을 주입하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 콜리메이터는 3축 방향으로 위치가 조절되고 빔의 직진성을 유지할 수 있는 콜리메이팅 렌즈와 커넥터를 포함한다.
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이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템 회로도이고, 도 2는 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 레이저 발진부의 회로도이며, 도 3은 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 광섬유 연결부의 회로도이고, 도 4는 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 수광부의 회로도이다.
도 1 내지 도4에서 보는 바와 같이 크게 발진부(20), 광섬유 연결부(30), 수광부(10)의 3부분으로 구성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 발진부(20)는 다시 다이오드 레이저 콘트롤러(22)와 마운트(23), 임의 파형 발생기(21) 및 레이저 소오스(source)로 구분되어 진다.
다이오드 레이저 콘트롤러(22)는 내부의 주입 전류 조절 보드(board)와 온도 조절 보드를 통하여 계측하고자 하는 대상 가스의 흡수 파장에 부합하는 파장과 출력을 가질 수 있도록 주입 전류와 온도 제어에 필요한 전류치를 0 mA에서 수백 mA까지 조절이 가능하도록 구성되어 있다. 그리고, 임의 파형 발생기(21)를 통하여 외부에서 변조 주파수를 걸어주기 위하여 부가적으로 변조 주입 단자가 부착되어 있다.
또한, 내부 회로 구성에 있어 파장 안정화를 기하기 위하여 설정값에 맞추어 적절한 전류 주입 방식을 유지시켜 광원에 정밀하고 일정한 주입 전류와 온도를 유지, 변화시켜준다.
상기 마운트(23)는 광원으로 쓰이는 다이오드 레이저 소오스를 안착시키기 위해 크기에 맞게 부착시킬 수 있도록 공간 설정이 되어 있으며, 10 ㏀ 서미스터(thermistor)가 부착되어 다이오드 레이저 소오스의 온도를 피드백하고, 내부의 양단에 열-전기 냉각기(thermo-electric cooler; TEC)가 부착되어 있어 10 ℃에서 80 ℃까지 필요한 온도로 조절되어지기 때문에 안정된 파장을 얻을 수 있다.
상기 임의 파형 발생기(21)는 파장 변조 분광기법을 적용하기 위해 주파수 변조에 필요한 수 백 mV크기를 가지는 수 십 Hz 레벨의 램프파와 수 십 mV의 크기를 가지는 수 십 kHz 레벨의 사인파를 합성한 주파수 파형을 다이오드 레이저 콘트롤러(22)에 주입시켜 준다. 또한, 특정 크기 및 주파수를 가지는 파형을 임의로 생성 가능하기 때문에 흡수 파장 영역을 효과적으로 규명해 낼 수 있으며, 고주파수를 이용하기 때문에 흡수 영역을 통과한 투과 신호에서 조화 신호를 추출하여 높은 분해능을 가질 수 있도록 한다.
광원으로는 예로써 이산화탄소의 경우, 고유 흡수 파장인 1.57 ㎛에 적합한 근적외선 영역대 20 mW, 1572 nm의 출력과 파장을 가지는 SM(single mode) 형태의 14-pin 버터플라이(butterfly) 다이오드 레이저 소오스를 사용하며, 광학 장치들의 정렬(alignment)을 위해 가시광 영역대 5 mW, 635 nm의 출력과 파장을 가지는 피그테일드 형태(pigtailed type)의 소자를 적용한다. 이러한 방식으로 계측하고자 하는 대상 가스의 파장에 부합하는 소오스를 마운트(23)에 부착하여 흡수 영역대에 부합하는 파장을 다이오드 레이저 콘트롤러(22)를 통한 주입 전류 및 온도 제어를 통해 농도를 계측할 수 있다.
광섬유 연결부(30)는 광 부품 정렬의 편리성 및 현장 적용에 용이한 광섬유(optical fiber) 방식을 채택하였으며, 이는 아이솔레이터(isolator)(31), 콜리메이터(collimator)(33,35), 커플러(coupler)(32), 및 커넥터(connector)로 구성되고, FC/APC 또는 FC/PC 타입으로 이루어진다. 아이솔레이터(31)는 최초 다이오드 레이저 소오스로부터 연결되어, 광원의 역 반사(back-reflection)에 취약한 소자를 보호하기 위해 사용하였다. 커플러(32)는 아이솔레이터(31)에서 나온 빔을 특정 비율의 기준 신호와 투과 신호로 분기시켜 수광부에서 광량의 차이를 효과적으로 검출하기 위해 사용되었으며, 빔의 분기 비율은 기준신호 50과 투과신호 50의 비율로 하는 것이 바람직하나 이에 제한되지는 않는다. 콜리메이터는 빔의 직진성을 유지하기 위한 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)와 커넥터로 구성되어 있으며, 가스 셸 양단에서 집광된 빔을 발진하고 집광하기 위해 사용되었고, 광원을 집광하는 역할도 수행한다. 여기서, 콜리메이팅 렌즈는 마이크로미터가 부착된 이송 스테이지(translation stage)를 이용하여 X, Y, Z의 3축 방향으로 위치를 조절하고, 측각도계(goniometer)를 통해 상하, 좌우 방향의 각도 변화를 주어 정렬시킨다.
수광부(10)는 자동 조절형 광검출기(15), 증폭 추출기(14), 오실로스코프(13), 스펙트럼 분석기(12), 컴퓨터(11)로 구성된다. 광검출기(15)는 기준 신호와 가스 셸을 지난 통과 신호를 동시에 받아들여, 내부의 광 다이오드(photo-diode)를 통해 빔을 검출하여 흡수된 광량의 크기값을 얻기 위하여 사용되었다. 여기서, 검출된 신호는 증폭되어 지며, 광검출기(15)에서 나온 신호가 증폭 추출기(14)로 들어가 1f 나 2f 조화 신호로 추출되어진다. 증폭 추출기(14)에서는 파장 변조 분광기법에서 적용된 합성파에 들어가는 기준 사인파를 동시에 주입하여 상(phase)을 조절하게 되는데, 이를 통해 투과 신호로부터 정확하게 조화 신호를 추출하여 더욱 안정화된 고 정밀 데이터를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 10배 정도로 증폭시킬 수 있기 때문에 획득한 신호로부터 보다 정밀한 데이터를 산출할 수 있으며, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 크게 높일 수 있어 계측 정밀도를 높일 수 있다.
부가적으로, 압력에 의하여 흡수 선폭이 넓어져 계측 정밀도가 감소하는 것을 방지하기 위하여 진공 펌프(47)를 이용하여 흡수 영역 내 압력을 대기압 이하로 낮춤으로써 계측 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
도 5는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템을 이용하여 직접 흡수 기법을 통한 detector에서 검출된 흡수 신호와 파장 변조 분광기법을 이용하여 얻은 2f 조화 신호를 나타내고 있으며, 두 계측 방식에 따른 신호의 신호 대 잡음비의 차이가 현저히 나타남을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상기와 같은 구성에 따르면 본 발명은 질소 산화물과 같은 각종 유해 배기 물질을 실시간으로 모니터링함에 따라 최적의 연소 조건으로 연소 시스템을 조절할 수 있기 때문에 현재 배출되는 유해 가스를 촉매 장치와 같은 부가적인 장치 없이 효과적으로 저감시킬 수 있어 원가 절감 및 환경적 효과를 거둘 수 있다.
또한, 기존의 레이저 계측기에 비해 유지, 보수가 용이하므로 인력 절감의 간접적인 경제 효과를 볼 수가 있으며, 파장을 가변화할 수 있기 때문에 질소 산화물 및 일산화탄소 등에 국한되지 않고 CO2 등과 같은 연소 생성물과 OH, C2F6
, CF4 등과 같은 기존의 계측기로는 불가능한 중간 생성물 및 특정 유해 물질의 계측까지 가능하다.
뿐만 아니라 계측 Parameter를 단순 농도 계측만 하는 것이 아니라 온도, 밀도, 유체의 속도 등과 같은 여러 변수를 계측할 수 있어 이 시스템을 광범위하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템 회로도이고;
도 2는 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 레이저 발진부의 회로도이며;
도 3은 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 광섬유 연결부의 회로도이고;
도 4는 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템의 수광부의 회로도이며;
도 5는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 반도체 다이오드 레이저 광 계측 시스템을 이용하여 직접 흡수 기법을 통한 광검출기에서 검출된 흡수 신호와 파장 변조 분광기법을 이용하여 얻은 2f 조화 신호를 나타내는 도표들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 수광부 11 : 컴퓨터
12 : 스펙트럼 분석기 13 : 오실로스코프
14 : 증폭 추출기 15 : 광검출기
20 : 레이저 발진부 21 : 임의파형 발생기
22 : 다이오드 레이저 콘트롤러 23 : 마운트
30 : 광섬유 연결부 31 : 아이솔레이터(isolator)
32 : 커플러(coupler) 33, 35 : 콜리메이터
34 : 가스 셸 42 : 가스 공급원
43 : 유량 제어계 45 : 공기
46 : 마이크로 나노미터 47 : 진공 펌프
Claims (10)
- (삭제)
- (삭제)
- (삭제)
- (삭제)
- 광원으로 사용되는 레이저 소오스와, 이 레이저 소오스를 부착시킬 수 있는 공간 설정이 되어 있는 마운트(23)와, 상기 마운트(23)에 주입하는 전류의 조절과 온도 조절을 할 수 있는 다이오드 레이저 콘트롤러(22)와, 합성 주파수 파형을 상기 콘트롤러(22)에 주입할 수 있는 임의파형 발생기(21)를 포함하는 발진부(20)와;상기 레이저 소오스에 연결되어 광원의 역 반사를 방지하는 아이솔레이터(31)와, 상기 아이솔레이터(31)에서 나온 빔을 특정 비율을 가지는 기준 신호와 투과 신호로 분기시켜 주기 위한 커플러(32)와, 각각이 측정하고자 하는 가스가 들어 있는 가스 셀 한쪽 단에서 집광하여 빔을 발진하고 다른 쪽 단에서 상기 가스 셀을 통과한 빔을 집광하는 콜리메이터(33, 35)를 포함하고, 이들이 서로 광섬유로 된 커넥터로 연결되어 있는 광섬유 연결부(30)와;상기 기준 신호와 가스 셀을 지난 통과 신호를 동시에 검출할 수 있는 광검출기(15)와, 이 광검출기(15)에서 검출된 신호를 증폭시키는 증폭 추출기(14)와, 이 증폭 추출기(14)에서 증폭된 신호 표시를 위한 오실로스코프(13)와, 상기 증폭 추출기(14)에서 증폭된 신호의 스펙트럼을 분석하기 위한 스펙트럼 분석기(12)와, 상기 신호로부터 보다 정밀한 데이터를 산출하기 위한 컴퓨터(11)를 포함하는 수광부(10)를 포함하며;상기 임의파형 발생기(21)는 램프파와 사인파를 합성한 주파수 파형을 상기 다이오드 레이저 콘트롤러(22)에 주입하고, 상기 증폭 추출기(14)는 파장변조 분광기법에서 적용된 합성파에 들어가는 기준 사인파를 동시에 주입하여 상을 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 다이오드 레이저 광계측 시스템.
- (삭제)
- (삭제)
- 제5항에 있어서, 상기 콜리메이터는 3축 방향으로 위치가 조절되고 빔의 직진성을 유지할 수 있는 콜리메이팅 렌즈와 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 다이오드 레이저 광계측 시스템.
- (삭제)
- (삭제)
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| KR100481433B1 true KR100481433B1 (ko) | 2005-04-14 |
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103532639A (zh) * | 2012-07-06 | 2014-01-22 | 成都林海电子有限责任公司 | 一种基于pci总线接口的调制器的测试方法 |
| KR20190023856A (ko) | 2017-08-30 | 2019-03-08 | 한국생산기술연구원 | 다종가스 동시 측정 tdlas 정렬 시스템 |
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| KR20190048851A (ko) | 2017-10-31 | 2019-05-09 | 한국생산기술연구원 | 다종가스 동시 측정 tdlas 자동 정렬 시스템 |
| KR20190048836A (ko) | 2017-10-31 | 2019-05-09 | 한국생산기술연구원 | 미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 tdlas 정렬 시스템 |
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| KR20190048808A (ko) | 2017-10-31 | 2019-05-09 | 한국생산기술연구원 | 온도 조절부가 구비된 야외용 tdlas 멀티패스 셀 |
| KR102226368B1 (ko) | 2019-11-18 | 2021-03-11 | 한국생산기술연구원 | 음향 정상파를 포함하는 tdlas 기체 검출 장치 |
| KR20210059375A (ko) | 2019-11-15 | 2021-05-25 | 한국생산기술연구원 | 저장탱크 누출가스 검출장치 |
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-
2003
- 2003-10-27 KR KR1020030075258A patent/KR100481433B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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