KR101923705B1 - a optic-fiber current sensor system - Google Patents
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Abstract
광섬유 방식의 전류 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 광신호를 출사하는 광원부, 상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부 및 상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며, 상기 광원부는 복수의 광원을 포함하고, 여기에서 복수의 광원은 서로 다른 파장의 광신호를 출사한다.A fiber optic current sensor system is disclosed. A current sensor system according to an embodiment of the present invention includes a light source unit for emitting an optical signal, a sensing unit provided in a shape in which an optical fiber extending from the light source unit is provided in a wound shape, and an optical signal output And a control unit for sensing a current value by receiving the plurality of light sources, wherein the light source unit includes a plurality of light sources, wherein the plurality of light sources emit optical signals of different wavelengths.
Description
본 발명은 전광식 광섬유 전류 센서에 적용되는 기술에 관한 것으로, Magneto-optic (Faraday effect)을 기반으로 하는 전류 센서에서의 센싱 정확성 및 외부 온도 및 진동에 따른 보상 기술에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
전류 센서는 전류를 측정, 감지, 판별하여 신호를 생성하는 장치이다. 전류 센서는 철심 및 권선으로 구성되어 Hall 효과를 이용하는 전자계식 방식의 변류기를 센서로 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 전자계 방식의 전류 센서는 측정 범위가 작고, 전류 용량에 대한 사용의 한계가 있다. 그리고, 전자계 방식의 전류 센서는 외부 자기 및 고 전류에서의 환경 의존도가 커 실용성이 낮은 문제가 있으며, 고주파 생성으로 인한 발열 특성으로 열적 안정 확보의 필요성이 크다. 또한, 고 전류 전자계 센서는 규모가 매우 크며 무거운 단점이 있다.The current sensor is a device that measures, detects, and discriminates current to generate a signal. The current sensor is generally composed of an iron core and a winding and uses an electromagnetic type current transformer using a Hall effect as a sensor. However, the current sensor of the electromagnetic system has a small measurement range and has limitations on the use of current capacity. In addition, there is a problem that the electric current sensor of the electromagnetic system type has high dependency on the environment at the external magnetic field and the high electric current and is low in practicality, and the thermal stability due to the generation of high frequency is required to secure thermal stability. In addition, high current electromagnetic field sensors are very large and have heavy drawbacks.
상술한 전자계 방식 전류 센서의 단점을 보완하기 위해 광섬유형 전류 센서 기술이 대두되고 있다. 광섬유 방식의 전류 센서는 광섬유를 측정 대상에 감아 Faraday 효과를 사용하여 전류를 검출하는 방식을 사용한다. 광섬유형 전류 센서는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 우수한 정밀도를 나타낸다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 헌팅현상, 측정 범위 및 전류용량의 한계를 극복할 수 있다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 빠른 응답 특성을 가지며 전력 소비량이 적은 장점이 있다.In order to overcome the disadvantages of the above-described electromagnetic field type current sensor, optical fiber type current sensor technology is emerging. A fiber-based current sensor uses a Faraday effect to detect the current by winding the optical fiber around the object to be measured. Fiber-optic current sensors can overcome the limitations of scale and long-distance transmission of the object being measured and exhibit excellent accuracy. In addition, the optical fiber type current sensor can overcome the limitation of hunting phenomenon, measurement range and current capacity of existing electromagnetic field current sensor. In addition, the optical fiber type current sensor has a fast response characteristic and low power consumption.
본 발명은 광섬유 방식의 전류 센서 시스템에서 발생할 수 있는 온도 변화에 따른 에러를 보상할 수 있는 전류 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a current sensor system capable of compensating for errors due to a temperature change that may occur in a current sensor system of an optical fiber type.
광섬유 방식의 전류 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 광신호를 출사하는 광원부, 상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부 및 상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력 받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며, 상기 광원부는 복수의 광원을 포함하고, 여기에서 복수의 광원은 서로 다른 파장의 광신호를 출사한다.A fiber optic current sensor system is disclosed. A current sensor system according to an embodiment of the present invention includes a light source unit for emitting an optical signal, a sensing unit provided in a shape in which an optical fiber extending from the light source unit is provided in a wound shape, and an optical signal output And a control unit for sensing a current value by receiving the plurality of light sources, wherein the light source unit includes a plurality of light sources, wherein the plurality of light sources emit optical signals of different wavelengths.
본 발명에 따르면, 센싱 신호 값을 포함하여 되돌아오는 신호에서 각 신호 파장에 대한 정보를 각각의 파장에서 분석할 수 있는 것을 포함하여, 이의 평균화를 통해 센싱 신호의 신뢰성을 확보할 수 있다. According to the present invention, it is possible to analyze information on each wavelength of a signal from a signal including a sensing signal value at each wavelength, and thus the reliability of the sensing signal can be ensured by averaging the signal.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 2는 Fiber polarization rotator(FPR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 5는 두 개의 단일 파장 광원을 통해 전류 센서의 온도 보상을 한 결과를 나타낸다. Figure 1 shows a current sensor system using a Faraday rotating mirror (FMR).
Figure 2 shows a current sensor system using a fiber polarization rotator (FPR).
3 shows a current sensor system according to an embodiment of the present invention.
4 shows a current sensor system according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the result of temperature compensation of the current sensor through two single wavelength light sources.
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. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood, however, that there is no intention to limit the spirit of the present invention to the embodiments set forth below, and that those skilled in the art, upon reading and understanding the spirit of the present invention, Or the like, but it will also be included within the scope of the present invention.
일반적인 전광식 광섬유 전류 센서 시스템의 경우, 광섬유 기반의 센싱 프로브의 외부 온도 및 진동에 따른 측정 신호의 외곡 및 신뢰성의 문제가 존재하며 이를 해결하기 위해 다양한 방법이 적용되고 있다. In general optoelectronic fiber current sensor systems, there are problems of distortion and reliability of measurement signals due to external temperature and vibration of optical fiber based sensing probes, and various methods have been applied to solve them.
특히, 이러한 광섬유 전류 센서에서 발생하는 문제의 핵심 원인은 센싱 광섬유 선형복굴절 때문이며, 이러한 선형복굴절을 최소화하기 위해 충분한 크기의 원형복굴절을 유도하여 상대적인 선형복굴절에 의한 두 편광 모드간의 위상변화를 억제하는 방식들이 소개 되었다. Particularly, the main cause of the problems occurring in such a fiber current sensor is a sensing birefringence due to linear birefringence. In order to minimize the linear birefringence, a sufficient circular birefringence is induced to suppress phase shift between two polarization modes due to relative linear birefringence Were introduced.
이러한 선형 복굴절의 발생 원인은 광섬유 코어의 비대칭성, 외부 밴딩, 진동, 스트레인, 스트레스, 온도 등 외부 환경의 변화에 의해 기인한다, 일 원인인 광섬유 코어의 비대칭성의 경우, 광섬유 축에 따라 선형적인 굴절률 차이가 존재하여 발생한다. 또한, 일 원인인 외부 밴딩의 경우 자기 광학 효과를 위해 도선의 주위에 자기장과 같은 방향으로 광섬유를 감을 시, 구부림에 의해 선형복굴절이 발생한다. 이때 발생하는 선형복굴적은 이상적인 Faraday 소자가 가져야 하는 원형 편광이 아닌, 선형+원형으로 존재하게 된다. 또한, 일 원인인 외부 환경의 변화의 경우 Faraday소자의 선형복굴절 값이 Stress-optic 효과에 의해 변화하는 것이 주 원인이다.The cause of the linear birefringence is caused by changes in the external environment such as the asymmetry of the optical fiber core, external banding, vibration, strain, stress and temperature. In the case of the asymmetry of the optical fiber core caused by the optical fiber core, A difference exists. Also, in the case of external bending, linear birefringence occurs due to bending when the optical fiber is wound around the conductor in the same direction as the magnetic field for the magnetooptical effect. In this case, the linear birefringence does not exist in the circular polarized light that the ideal Faraday device should have, but exists as a linear + circular shape. In addition, the change in the external environment caused by the change in the linear birefringence of the Faraday device depends on the stress-optic effect.
이를 해결하기 위해 일반적으로 Faraday 회전각 증대, 시스템 제어를 통한 Birefringence bias 제어, 보정 기술 적용, 광섬유 열처리를 통한 광섬유 내부 잔류 응력 제거, Flint 광섬유와 같이 Pb를 광섬유 코어 영역내에 고용하여 Low stress-optic coefficient 광섬유 적용, Twisted 또는 Spun high-birefringence 광섬유 적용, 선형복굴절에 의한 광파워 및 센싱 감도의 변화보다 더 큰 수치의 원형복굴절을 유도할 수 있는 보상 회로 시스템 구현 기술이 사용된다. In order to solve this problem, it is generally required to increase the Faraday rotation angle, to control the birefringence bias through the system control, to apply the correction technology, to remove the residual stress in the optical fiber by the optical fiber heat treatment, Compensation circuit system implementation techniques can be used that can induce larger circular birefringence than optical fiber application, twisted or spun high-birefringence optical fiber applications, and optical power and sensitivity changes due to linear birefringence.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.Figure 1 shows a current sensor system using a Faraday rotating mirror (FMR).
일반적으로 반사 거울을 이용하는 전류 센서 시스템은 반사형 센서 코일 기반의 광회로 구성법으로 광섬유 끝단에 반사 거울을 장착하여 반사된 빛이 역방향으로 진행하면서 순방향에서 얻은 원형복구절의 영향과 정반대의 영향을 받게 된다. 결국 반사 거울에 의해 반사되어 역방향으로 진행하는 빛에 의해 원형복굴절에 의한 영향이 상쇄되고 Faraday 효과에 의한 회전은 그 방향이 동일하므로 회전의 정도가 배가되는 효과가 있다.In general, a current sensor system using a reflective mirror is a reflection coil based on an optical circuit configuration, and a reflection mirror is mounted on the end of the optical fiber, so that the reflected light travels in the opposite direction and is affected by the opposite effect of the circular recovery pattern obtained in the forward direction . As a result, the influence due to the circular birefringence is canceled by the light which is reflected by the reflection mirror and travels in the reverse direction, and the rotation due to the Faraday effect has the effect of doubling the degree of rotation because the directions are the same.
하지만, 단순 반사 거울을 이용하면 선형복굴절이 역방향으로 진행하는 경우에도 상쇄되지 않고 축적되어 선형복굴절의 영향이 존재하는 문제가 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, Faraday rotating mirror (FRM)을 사용하여 역방향으로 진행하는 빛의 x, y축 성분이 뒤바뀌게 하여 결국 출력단의 두 성분은 동일한 양의 선형복굴절을 겪게 되므로 선형복굴절의 영향을 최소화 할 수 있다.However, when a simple reflection mirror is used, even when the linear birefringence proceeds in the opposite direction, there is a problem that the influence of the linear birefringence is accumulated without being canceled. Accordingly, as shown in FIG. 1, the x and y axis components of light traveling in the opposite direction are reversed by using a Faraday rotating mirror (FRM), so that the two components of the output end undergo the same amount of linear birefringence, Can be minimized.
도 2는 Fiber polarization rotator를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.Figure 2 shows a current sensor system using a fiber polarization rotator.
도 2에 도시된 바와 같이, 센싱용 광섬유 중간에 Fiber polarization rotator (FPR, 90도)가 삽입된다. 그리고 FPR는 FPR을 통과하는 신호의 x-축과 y-축의 편광을 변화시키고, FRM과 동일한 원리로 두 성분의 동일한 양의 선형복굴절을 겪게 되어 선형복굴절의 영향을 최소화할 수 있다. As shown in FIG. 2, a fiber polarization rotator (FPR, 90 degrees) is inserted in the middle of the sensing optical fiber. The FPR changes the polarization of the x- and y-axes of the signal passing through the FPR, and undergoes the same amount of linear birefringence of the two components on the same principle as the FRM, minimizing the effects of linear birefringence.
그러나, 실제로 특수 광섬유나 FRM, FPR 등을 사용하여 외란의 영향을 보상한다 하더라도 온도 변화에 대한 센서 출력의 변화는 피할 수 없다. 따라서 이하에서 설명할 본 발명은 다중 파장 광원을 통한 전류 센서의 온도 보상 구조를 제안한다.However, even if the influence of disturbance is actually compensated by using special optical fiber, FRM, FPR, etc., a change in the sensor output with respect to the temperature change can not be avoided. Therefore, the present invention to be described below proposes a temperature compensation structure of a current sensor through a multi-wavelength light source.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.3 shows a current sensor system according to an embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이, 실제적으로 특수 광섬유나 FRM, FPR 등을 사용하여 외란의 영향을 보상한다 하더라도 온도 변화에 대한 센서 출력의 변화는 피할 수 없다. As described above, even if the influence of the disturbance is actually compensated by using a special optical fiber, FRM, FPR or the like, a change in the sensor output with respect to the temperature change can not be avoided.
이를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템(1)은 파장 폭이 큰 다중모드 광원이나 LED 등을 활용한다. 파장 폭이 큰 다중모드 광원의 각 파장성분들은 광섬유 내에서 서로 다른 굴절률을 갖게 되고 이에 따라 출력의 변화가 서로 상쇄되어 전체적으로는 각 파장성분 출력의 평균값만을 내게 되어 온도에 대한 민감도 변화를 어느 정도 억제할 수 있다. To solve this problem, the
앞서 언급한 내용과 같이 파장 폭이 넓은 광원인 LED 및 SLD 등의 광폭광원 활용 시, 낮은 광파워로 인한 문제점을 해결하기 위해 고출력 LED를 광원으로 활용함에 있어 서로 다른 파장의 광원을 결합시키는 방식인 다중 파장 광원 결합을 통한 전류 센서의 온도 보상 광회로를 구성하고자 한다.As described above, in order to solve the problem caused by low optical power when a wide light source such as LED and SLD, which is a wide wavelength light source, is utilized, a method of combining light sources of different wavelengths We will construct a temperature-compensated optical circuit of a current sensor by combining multiple wavelength light sources.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템(1)은 광원부(10), 제어부(20) 및 센싱부(30)을 포함할 수 있다.3, the
광원부(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 광원(laser diode)를 포함할 수 있다. 여기에서 복수의 광원들은 각각 서로 다른 파장의 광을 출사할 수 있다. The
광원부(10)는 복수의 광원들로부터 출사된 다중 파장 광신호들을 결합하고 분할하기 위한 커플러인 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 및 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)을 더 포함할 수 있다. WDM 및 DWDM은 여러 파장 및 종류의 빛 신호를 하나의 광섬유에 삽입시켜 파장 폭을 넓게 하는 것을 목적으로 한다.The
제어부(20)는 광원부(10)에서 출사된 광신호가 도체에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장에 의해 편광이 회전된 정도를 감지하고, 이를 계산하여 전류를 측정한다. 구체적으로 광원부(10)에서 출사된 광신호는 편광 필터를 통과하면서 선편광되며, 선편광된 광신호가 도체를 통과하면서 Faraday effect에 따라 자기장에 의해 편광이 회전한다.The
센싱부(30)는 광섬유가 도체를 감는 형태로 제공되며, 광섬유 끝단에는 반사 미러가 제공된다.The
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템(1)은 복수의 서로 다른 광원로부터 출사된 다중 파장 광신호가 DWDM을 통해 결합되며, 결합된 광신호는 센싱부(30)를 거쳐 제어부(20)에 입력된다. 이때, 파장 폭이 큰 다중 모드 광신호의 각 파장 성분들은 광섬유 내에서 서로 다른 굴절률을 갖게 되며, 서로 다른 굴절률로 인하여 출력의 변화가 서로 상쇄되어 전체적으로 각 파장성분 출력의 평균값만이 제어부(20)에 입력된다. 이때, 제어부(20)에 입력되는 파장성분 출력의 평균값은 온도에 대하여 상대적으로 민감하지 않아 제어부(20)는 신뢰성있는 전류값을 계산할 수 있다.In the
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.4 shows a current sensor system according to another embodiment of the present invention.
도 4의 실시 예는 도 3에서 설명한 전류 센서 시스템과 대부분의 구성이 동일한바, 여기에서는 도 3에서 기 설명된 구성에 대하여 설명을 생략한다.The embodiment of FIG. 4 is substantially the same as the current sensor system of FIG. 3, and the description of the configuration of FIG. 3 is omitted here.
도 4에 도시된 바와 같이, 도 4의 실시예(이하 "제2 실시 예")는 도 3의 실시 예(이라 "제1 실시 예)와 달리, 광원별로 포토 다이오드가 커플링되어 있는 구조가 아니라, 복수의 광원 중 어느 하나의 광원만 포토 다이오드가 커필링되어 제공된다. 따라서, 제어부(20)는 한 신호만 취득하여 전류값을 계산하고 나머지 신호는 서큘레이터(Circulator) 및 아이솔레이터(Isolator)를 활용하여 반사 신호를 제거할 수 있다.As shown in FIG. 4, the embodiment of FIG. 4 (hereinafter referred to as "the second embodiment") differs from the embodiment of FIG. 3 in that the photodiodes are coupled for each light source The
도 5는 두 개의 단일 파장 광원을 통해 전류 센서의 온도 보상을 한 결과를 나타낸다. 도 5의 결과에서 알 수 있듯이 -1.35 x10-5/ㅀC로 온도 변화에 따른 측정된 광신호의 편광 특성에 대한 값의 변화가 매우 적음을 알 수 있다.Figure 5 shows the result of temperature compensation of the current sensor through two single wavelength light sources. As can be seen from the results of FIG. 5, it can be seen that the change in the value of the polarization characteristic of the measured optical signal according to the temperature change is very small at -1.35 x 10 -5 / ㅀ C.
Claims (4)
광신호를 출사하는 광원부;
상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부; 및
상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력 받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며,
상기 광원부는 복수의 광원을 포함하고, 여기에서 복수의 광원은 서로 다른 파장의 광신호를 출사하고,
상기 제어부는 복수의 광원 중 하나의 광원에서 출사되는 광신호에 대한 신호만을 취득하여 전류값을 계산하는
전류 센서 시스템.In the optical fiber type current sensor system,
A light source unit for emitting an optical signal;
A sensing unit in which an optical fiber extending from the light source unit is provided in a shape in which an object to be measured is wound; And
And a control unit receiving the optical signal output polarized and rotated by the Faraday effect from the sensing unit and sensing the current value,
Wherein the light source unit includes a plurality of light sources, wherein the plurality of light sources emit optical signals of different wavelengths,
Wherein the control unit acquires only a signal for an optical signal emitted from one of the plurality of light sources and calculates a current value
Current sensor system.
상기 광원부는 복수의 광원들로부터 출사된 다중 파장 광신호들을 결합하고 분할하기 위한 커플러를 더 포함하는
전류 센서 시스템.The method according to claim 1,
The light source unit further includes a coupler for combining and dividing the multi-wavelength optical signals emitted from the plurality of light sources
Current sensor system.
상기 광원부는 상기 제어부에 입력되는 광신호를 제외한 나머지 광원에서 출사되는 광신호의 반사 신호를 제거하기 위한 서큘레이터 및 아이솔레이터를 더 포함하는
전류 센서 시스템.The method according to claim 1,
The light source unit may further include a circulator and an isolator for removing reflection signals of optical signals emitted from the remaining light sources except the optical signal input to the control unit
Current sensor system.
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- 2017-06-14 KR KR1020170075144A patent/KR101923705B1/en active IP Right Grant
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