KR101941020B1 - Voltage Sensor based on Optical Fiber - Google Patents
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Abstract
이중 코어 광섬유에 입사된 빛은 두 개의 코어로 각각 커플링 되어 광섬유를 통과하면서 서로 다른 광경로 차를 겪게 되고, 이와 동시에 광축 x 및 y 에 따른 편광방향에 따라 각각 다른 굴절률 차이를 느끼게 되고 따라서 편광 방향에 따라 간섭무늬 특성 (세기, 주기, 전압인가에 따른 특성변화)이 달라진다. 이어서 이중 코어 광섬유에서 출사된 빛은 광분기소자(편광빔분리기)에 의하여 분리되어 각각 제1, 2 광신호 분석기로 도달함, 최종적으로 광신호 분석기에 도달한 광신호의 광특성 즉 간섭무늬의 스펙트럼이나 광출력의 변화를 측정하고 이로부터 센서부에 인가된 전압을 계측할 수 있다.The light incident on the dual core optical fiber is coupled to each of the two cores and is subjected to different optical path differences while passing through the optical fiber. At the same time, different refractive indexes are different according to the polarization directions along the optical axes x and y, The characteristics of the interference fringe (intensity, period, characteristic change due to voltage application) are changed according to the direction. Then, the light emitted from the dual-core optical fiber is separated by the optical branching device (polarized beam splitter) and reaches the first and second optical signal analyzers, respectively. Finally, the optical characteristics of the optical signal arriving at the optical signal analyzer, The change in spectrum or light output can be measured and the voltage applied to the sensor section can be measured therefrom.
Description
본 발명은 광섬유를 이용하여 전압을 측정하는 기술 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for measuring a voltage using an optical fiber and a voltage sensor using the same.
정확하고 안정적인 전압의 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 있어서 매우 중요하다.Accurate and stable voltage measurement techniques are critical for their protection and efficient operation in pre-voltage electrical equipment and power systems ranging from as small as a few tens to several hundreds of volts to as high as hundreds of kilovolts.
기존의 전자계 방식의 전압 측정 기술 (전압센서 기술)의 경우 센서의 부피 및 중량이 매우 커서 제품자체의 가격 뿐만 아니라 많은 설치 및 운영 비용이 들어가는 단점을 가지고 있다. 또한 전기신호를 이용하여 전압을 측정하게 되므로 내외부에 발생하는 전기적인 간섭에 의하여 노이즈가 발생하기 쉬우므로 부정확한 측정 및 그에 따른 오작동 문제가 발생한다. 또한, 측정 수단으로 도체, 반도체와 같은 전기가 흐르는 재료를 사용하게 되므로 열 및 수분에 의한 부식 가능성이 높고 방전 (전기 스파크) 등에 의하여 센서 시스템이 파손되기 쉽다.In the case of conventional voltage measurement technology (voltage sensor technology), the volume and weight of the sensor are very large, which causes not only the price of the product itself but also a lot of installation and operation costs. In addition, because the voltage is measured using an electric signal, noise is likely to be generated due to electrical interference generated in the interior and the exterior, thereby causing inaccurate measurement and malfunctions. In addition, since a material such as a conductor or a semiconductor is used as the measuring means, the possibility of corrosion due to heat and moisture is high, and the sensor system is liable to be damaged by discharge (electric spark).
반면에 광학식 전압측정 기술 즉, 광학식 전압센서 기술의 경우 빛을 사용하여 전압을 측정하므로 기존 전자계 방식의 전압센서 기술에 비하여 수분의 영향을 적게 받으며 방전 등에 의한 파손 우려가 상대적으로 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 광학식 전압 측정 기술에는 크게 Bi4Ge3O12, Bi12SiO20, LiNbO3 와 같은 전기광학물질의 포켈스(Pockels)효과를 이용하는 전압 측정 기술과 Quartz, BaTiO3, lead zirconate titanate (PZT) 등과 같은 압전소재의 역압전(converse piezoelectricity) 효과를 이용한 역압전 방식의 전압 측정 기술로 나뉠 수 있다. On the other hand, optical voltage measurement technology, that is, optical voltage sensor technology, uses light to measure voltage, so it is less affected by moisture than conventional electromagnetic type voltage sensor technology and has a relatively small risk of damage due to discharge etc. Have. Optical voltage measurement techniques include voltage measurement techniques using the Pockels effect of electro-optic materials such as Bi 4 Ge 3 O 12 , Bi 12 SiO 20 and LiNbO 3 , and quartz, BaTiO 3 , lead zirconate titanate (PZT) Piezo-electric voltage measurement technique using the converse piezoelectricity effect of the same piezoelectric material.
본 발명은 역압전 소재를 이용한 전압측정 방식에 있어서 타원형 코어모드를 가진 광섬유 및 편광분리 기술을 이용한 전압 측정 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 방식과 다른 구조를 가진 광학적 측정 방식을 사용하여 전압을 보다 정확하게 측정하는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber having an elliptic core mode in a voltage measuring method using an inverse piezoelectric material and a voltage measuring technique using the polarization splitting technique. And more particularly, to a technique for more accurately measuring a voltage using an optical measuring method having a structure different from that of the conventional method.
본 발명은 상기되는 문제점을 해결하는 타원형 코어 모드를 가진 광섬유 및 편광분리 기술을 이용하는 전압센서를 제안한다. 보다 상세하게는 기존의 방식과 다른 구조를 가진 광학적 측정 방식을 사용하여 전압을 보다 정확하게 측정하는 기술에 관한 것이다. The present invention proposes an optical fiber having an elliptic core mode which solves the above-mentioned problems and a voltage sensor using a polarization separation technique. And more particularly, to a technique for more accurately measuring a voltage using an optical measuring method having a structure different from that of the conventional method.
역압전 방식을 사용하는 전압 센서 장치로, 신호광을 출사하는 광원부, 상기 광원부에서 출사된 신호광을 수신하여 간섭특성을 발생시키는 센서부, 상기 센서부에서 발생한 간섭특성을 감지하여 전압을 센싱하는 신호분석부를 포함하고, 상기 센서부와 상기 신호 분석부사이에 서로 수직한 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 분기소자를 더 포함하는 전압 센서 장치가 개시된다.A voltage sensor device using an inverse piezoelectric method, comprising: a light source part for emitting signal light; a sensor part for receiving the signal light emitted from the light source part to generate an interference characteristic; a signal analyzing part for sensing an interference characteristic generated by the sensor part, And a branching element for separating the signal light according to the polarization direction perpendicular to each other between the sensor part and the signal analysis part.
본 발명에 따르면, 외부 환경 변화에 의한 교란 특히 온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 데 있어 간섭계 자체의 광학적 특성을 활용하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. 또한 간섭계를 이용한 측정 기술에 있어 간섭 현상을 제어하여 다중 간섭에 의한 노이즈가 제거된 깨끗한 간섭 특성을 확보하므로써 신호 분석을 용이하게 하고 정확한 측정을 가능하게 한다. According to the present invention, this problem can be solved by utilizing the optical characteristics of the interferometer itself to prevent disturbance due to external environment change, particularly signal distortion due to temperature. In addition, in the measurement technology using the interferometer, the interference phenomenon is controlled to obtain the clean interference characteristic by removing the noise due to the multiple interference, thereby facilitating the signal analysis and enabling accurate measurement.
본 발명에 따르면 역압전 방식의 광학식 측정 기술에 있어서 센서 부에 압전소재 및 타원 코어를 가진 이중 모드 광섬유를 사용하고 신호분석부에 있어서 편광자를 사용하여 편광에 따라 광신호를 분석하는 기술을 통하여 보다 정확하고 안정적인 전압을 측정하는 방법을 제공한다. According to the present invention, a dual mode optical fiber having a piezoelectric material and an elliptical core is used as a sensor part in an optical measurement technique of an inverse piezoelectric type, and a technique of analyzing an optical signal according to polarization using a polarizer in a signal analysis part It provides a method to measure accurate and stable voltage.
또한 본 발명에 따르면 하나의 간섭계로 두가지 물리량을 동시에 측정하는바, 전압 측정 및 온도 보상이 동시에 가능하여 정확한 전압 측정 방법을 제공한다.Also, according to the present invention, two physical quantities are simultaneously measured by one interferometer, and voltage measurement and temperature compensation are simultaneously performed, thereby providing a precise voltage measurement method.
도 1은 일반적인 역압전 방식의 전압 측정 기술을 나타낸다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 전압 센서를 설명하는 도면이다.
도 3은 센서부에 사용되는 센서 광섬유의 구조를 나타낸다.
도 4는 일례로 타원 코어 광섬유를 이용한 편광 방향에 따른 센서부용 광섬유 간섭계의 광투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 도4 의 간섭무늬를 분석하여 전압인가에 따른 스트레인 변화에 의한 간섭무늬 이동량을 y 편광 및 x 편광 방향에서 그래프로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.
도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다. Fig. 1 shows a general reverse-piezo voltage measuring technique.
2 is a view for explaining a voltage sensor according to the first embodiment.
3 shows the structure of the sensor optical fiber used in the sensor unit.
4 shows a light transmission spectrum of an optical fiber interferometer for a sensor part according to a polarization direction using an elliptic core optical fiber as an example.
FIG. 5 is a graph showing the interference fringe movement amount due to a strain change according to voltage application in the y polarization and x polarization directions by analyzing the interference fringe of FIG.
6 is a diagram illustrating a structure of a voltage sensor system according to another embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a structure of a voltage sensor system according to another embodiment of the present invention.
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.
도 1은 일반적인 역압전 방식의 전압 측정 기술을 나타낸다. Fig. 1 shows a general reverse-piezo voltage measuring technique.
도 1에 도시된 바와 같이, 역압전 방식의 전압센서 시스템(100)은 실린더 모양의 석영 단결정(Quartz, 121)과 여기에 감겨진 센서 광섬유(sensor fiber, 122)를 포함한다. 센서 광섬유(102)의 코어에는 광경로가 다른 두 개의 코어모드(core mode)가 형성되어 있고 이들이 간섭계를 구성하도록 되어 있다. As shown in FIG. 1, an inverted piezoelectric
따라서, 전압이 석영 단결정(121)에 인가될 경우, 역압전 효과에 의하여 실린더 모양의 석영 단결정의 지름이 늘어나게 되며, 그에 따라 석영 단결정 (Quartz) 주변에 감겨진 센서 광섬유에 스트레인(strain, 변형)이 가해지고 그에 따라 간섭특성이 변화하게 된다. 최종적으로, 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 간섭특성 변화에 따른 광신호를 분석하여 전압을 측정하게 된다. Therefore, when a voltage is applied to the quartz
센서 광섬유(122)는 접지 및 고전압 부위에 이르기까지 석영 단결정(121) 주변 전체부위에 감겨 있기 때문에 전압분포를 전반적으로 감지할 수 있다. 따라서 국부적인 다른 전압 측정 기술과 달리 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 광섬유를 이용한 적분식(integral) 측정기술이라 할 수 있으며, 그에 따라 측정 정확도 및 안정성이 매우 높다는 장점을 가지고 있다. Since the sensor
또한, 역압전 방식의 전압 센서 시스템(100)은 석영 단결정 및 광섬유를 같은 소재로 구성하므로 고전압 내구성이 매우 높다는 장점을 가지고 있어 고성능 전압 측정 기술로서 많은 관심을 받고 있다. In addition, since the quasi-single crystal and the optical fiber are composed of the same material, the
도 1에 도시된, 역압전 방식의 광학식 전압 측정 시스템(100) 전압 측정 원리에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 역압전 방식의 광학식 전압 측정 시스템(100)은 신호분석부(110), 센서부(120) 및 단일모드 리드 광섬유(130)를 포함한다.The principle of voltage measurement of the optical
레이저 광원(laser diode, 111)에서 출사된 레이저 광이 그림과 같이 편광유지 기능을 가진 단일모드 리드 광섬유(single mode polarization maintaining lead fiber, 130)를 지나 석영 단결정(121)에 감겨진 센서 광섬유(122)에 전달되고 센서 광섬유(122)를 지나 이어서 수신부 광섬유(receiver fiber, 112)를 거쳐 감지기(photodiode, 113)까지 전달된다. The laser light emitted from the
센서부(120)에 사용된 센서 광섬유(122)는 타원형 코어를 가진 광섬유로서 기본 모드인 LP01 모드와 2차 모드인 LP11 모드를 가지고 있으며, 이들 두 종류의 모드가 만나 마흐젠더(Mach-Zehnder)형 광섬유 간섭계가 형성되게 하므로써, 전압 인가에 따른 간섭특성의 변화를 관찰하고 이로부터 인가된 전압을 계측하는 것이 주요 기술 특성 중 하나이다. The sensor
센서 광섬유(122)의 타원형 코어 모양은 굴절률 분포가 타원형 임을 의미하며 타원형 코어의 광축 방향을 장축 및 단축 방향으로 정의할 수 있고, LP01 모드와 LP11 모드 또한 편광방향에 따라 각각 장축으로 정렬된 모드 및 단축으로 정렬된 모드로 각각 나뉘며 결과적으로 4가지 다른 모드로 나뉘게 된다. 이러한 경우 편광방향을 잘 조절하지 못하면 간섭계의 광학적 구조에 따라 4가지 모드가 서로 뒤엉킨 다중 간섭에 의하여 복잡한 간섭신호를 만들 수 있다. The elliptical core shape of the sensor
간섭계를 이용한 측정 기술에 있어 이와 같은 간섭 현상을 제어하여 분석을 용이하게 하고 노이즈 발생을 최소화 하여 측정의 정확도를 높이는 것이 매우 중요한 부분이다. It is very important to increase the accuracy of the measurement by controlling the interference phenomenon in the measurement technique using the interferometer to facilitate the analysis and minimize the noise generation.
도 1에 도시된 바와 같이, 리드 광섬유에서 전달된 빛의 편광 방향이 센서 광섬유의 광축, 즉 장축이나 단축과 일치하도록 하여 이러한 문제를 없애는 방식을 사용한다. As shown in FIG. 1, the polarization direction of the light transmitted from the lead optical fiber coincides with the optical axis of the sensor optical fiber, that is, the long axis or the short axis.
또한, 정확한 전압 측정에 있어 온도, 진동 과 같은 추가적인 외분 교란에 의한 신호 왜곡을 방지하는 기술의 확보가 매우 중요하다. Also, it is very important to acquire technology to prevent signal distortion due to additional external disturbance such as temperature and vibration in accurate voltage measurement.
특히 온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있는데, 도 1에 도시된 석영 단결정(121) 및 이중 모드 광섬유(122)를 이용한 전압 측정 기술의 경우에도 석영 단결정 및 광섬유의 온도 의존 특성에 의하여 교란이 발생하게 되며 이를 해결하는 것이 필요하다. In particular, in the case of the voltage measurement technique using the quartz
온도에 의한 신호 왜곡을 방지하는 방안으로서 온도 모니터링 센서를 추가로 장착하는 방법, 또는 온도 의존성이 낮은 압전소재 및 광섬유를 사용하는 방법 등 을 생각할 수 있겠으나, 이처럼 부가적이거나 복잡한 방법 대신 간섭계 자체의 광학적 특성을 활용하여 이러한 문제를 해결하는 방안이 확보된다면 전압 센서 성능 개선에 있어 더욱 편리하고 효율적인 방법이 될 수 있을 것이다.As a measure to prevent signal distortion due to temperature, a method of mounting a temperature monitoring sensor or a method of using a piezoelectric material and an optical fiber having a low temperature dependency may be considered. However, instead of the additional or complex method, If optical properties are used to solve these problems, it will be a more convenient and efficient way to improve the performance of voltage sensors.
또한, 광학식 전압 측정을 위한 기존 기술로서 압전소재와 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating, FBG)를 이용하는 방법이 제안된 바 있다. 압전소재 측면에 광섬유 브래그 격자를 붙이고 압전소재 양단에 전압이 인가될 경우 압전소재의 역압전 효과에 의하여 압전소재가 변형되고 그에 따라 광섬유 브래그 격자에 스트레인이 가해져 공진파장이 이동하게 되는데 이로부터 전압을 측정하는 방식이다. As a conventional technique for optical voltage measurement, a method using a piezoelectric material and a fiber Bragg grating (FBG) has been proposed. When a voltage is applied to both ends of a piezoelectric material by applying a fiber Bragg grating to the side of the piezoelectric material, the piezoelectric material is deformed due to the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric material, and strain is applied to the optical fiber Bragg grating to move the resonant wavelength. It is a measurement method.
이방법의 경우 광섬유 기술을 적용하므로써 구조가 간단하고 계측이 용이하다는 단점이 있으나, 정확한 전압 측정을 위해서는 고전압에서 저전압부위까지 보든 부위의 스트레인 변화를 측정해야 하지만은 통상적으로 FBG 의 경우 길이가 20 mm 정도에 불과해, 역압전 소재의 길이가 수백 mm 이상 요구되는 고전압 측정용으로는 적합하지 않다는 한계를 가지고 있다. 또한 FBG 공진파장 이동 특성 자체가 온도의존성일 갖기 때문에 이를 보상해야 하는 문제점도 동시에 가지고 있다.However, in order to measure the voltage accurately, it is necessary to measure the strain change at the high voltage to low voltage region. However, in general, the FBG has a length of 20 mm It is not suitable for high voltage measurement where the length of reverse piezoelectric material is required to be several hundreds of millimeters or more. Also, since the FBG resonance wavelength shift characteristic itself is temperature dependent, it also has a problem that it must be compensated.
광섬유 간섭계를 이용한 전압센서 시스템의 경우 센서의 성능을 개선하기 위해서는 간섭특성을 제어하는 것이 필요한데, 이를 위하여 도 1과 같은 기존 기술의 경우 단일 코어 기술을 사용하므로 두 가지 모드 사이의 광특성을 차별적으로 제어하기가 어렵다. In the case of a voltage sensor system using a fiber optic interferometer, it is necessary to control the interference characteristic in order to improve the performance of the sensor. For this purpose, in the conventional technology as shown in FIG. 1, since the single core technology is used, It is difficult to control.
예를 들어, 간섭계를 이용한 전압센서의 경우 간섭무늬의 간격에 따라 측정감도가 달라지게 된다. 이를 위하여 단일 코어 광섬유를 사용하는 기존 기술의 경우 센서 광섬유 길이를 조절하게 되는데 이러한 경우 센서 광섬유 길이 변화는 측정감도에 영향을 주고 또한 센서부의 크기 제한에 따라 센서 광섬유 길이 조정이 어려울 수 있다. For example, in the case of a voltage sensor using an interferometer, the measurement sensitivity varies depending on the interval of the interference fringes. In this case, the change of the length of the sensor fiber affects the measurement sensitivity and it may be difficult to adjust the length of the sensor fiber according to the size limitation of the sensor part.
이처럼 기존 기술에서 볼 수 있듯이, 광섬유 기반의 전압 센서의 기술에 있어서 전체 측정시스템의 성능은 센서 시스템을 구성하는 센서부 및 신호분석부의 광학 구조 그리고 그에 따른 센서부의 광학적 특성에 의하여 크게 좌우된다. As can be seen from the existing technology, the performance of the entire measurement system in the technology of the optical fiber-based voltage sensor depends greatly on the optical structure of the sensor unit and the signal analysis unit constituting the sensor system, and accordingly, the optical characteristics of the sensor unit.
아래에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 소정의 광특성 확보를 위하여 고안된 새로운 광학구조를 사용하고 이를 통하여 이러한 문제를 해결하는 방법을 도면과 함께 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, a method for solving such a problem using a new optical structure designed to secure a predetermined optical characteristic according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 제 1 실시예에 따른 전압 센서 시스템을 설명하는 도면이다. 2 is a view for explaining a voltage sensor system according to the first embodiment.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압센서 시스템(200)은 광원부(210), 센서부(220), 신호분석부(230)를 포함한다. 광원부(210)의 광원(211)에서 출사된 신호광은 광연결부를 거쳐 센서부(220)의 센서 광섬유(221)로 입사된다. Referring to FIG. 2, the
센서부(220)는 그림과 같이 원통형 압전소재(222) 주변에 간섭계를 구성하는 센서 광섬유(221)가 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 신호광은 센서 광섬유(221)의 출력단을 지나 광분기소자(233)에 도달한다. 광분기소자(233)는 서로 수직한 편광 방향에 다라 신호광을 분리한다. 광분기소자(233)에서 분리된 신호광은 각각 제1 광신호분석기(231) 및 제2 광신호분석기(232)에 전달된다.The
도2에 도시된 바와 같이, 압전소재(222)의 위쪽과 아래쪽 양단에는 전극이 설치되어 있고 양단간에 측정하고자 하는 전압(제1전압, 제2전압)을 인가하게 된다. 전압이 인가될 경우 압전소재(222)의 역압전(converse piezoelectric) 효과에 의하여 지름 방향 길이가 가변하게 된다. 그에 따라 전압소재 주변에 감겨 있는 센서 광섬유(221)는 스트레인 및 스트레스(stress)를 받게 되고 그에 따라 센서 광섬유로 구성된 광섬유 간섭계의 간섭특성이 영향을 받아 변하게 되고 이러한 변화를 측정 분석하여 역으로 인가된 전압의 크기를 측정할 수 있다. As shown in FIG. 2, electrodes are provided on both upper and lower ends of the
도 2에서 F2, F3으로 표시된 광 전송라인은 자유공간(free space) 전송 방식 또는 광섬유를 사용할 수 있다. 광 전송라인 배치의 자유도가 높은 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여 광섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 편광을 일정하게 유지하고 진동에 따른 노이즈 발생을 억제하기 위하여 전송라인 F2, F3, F4 일부 또는 전체를 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 최소한 광 전송라인 F3는 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.In FIG. 2, the optical transmission lines denoted by F2 and F3 may use a free space transmission scheme or an optical fiber. It is preferable to use an optical fiber in order to take advantage of the optical fiber system having a high degree of freedom in the arrangement of the optical transmission lines. More preferably, the transmission lines F2, F3, F4 It is preferable to use a polarization maintaining optical fiber partially or entirely. At least the optical transmission line F3 preferably uses a polarization maintaining optical fiber.
광분기소자(233)는 편광빔을 편광방향에 따라 분리하는 편광빔분리기 또는 이와 동일한 특성을 가진 광소자의 조합일 수 있다. 보다 편리하게는 편광빔분리기로서 입력단과 출력단이 광섬유로 피그테일된 광섬유 편광빔분리기를 사용할 수 있다. 광원으로는 목적에 따라 넓은 파장 밴드를 가진 광원 ( 브로드 밴드 광원, 파장 가변 광원, sweep source) 또는 레이저 다이오드와 같은 단일파장 광원을 사용할 수 있다. The optical branching
신호분석부(230)는 제1 광신호 분석기(231) 및 제2 광신호 분석기(232)를 포함할 수 있다. 신호분석부는 제1 광신호 분석기(231) 및 제2 광신호 분석기(232)가 측정한 스펙트럼으로부터 간섭무늬 이동 도는 이로부터 발행한 소정의 파장에서의 광출력 변화를 모니터링하고, 모니터링된 간섭 무늬 이동 또는 광출력 변화에 기초하여 전압값을 계산할 수 있다. 이때, 제1 및 2 광신호분석기(231, 232)는 광스펙트럼분석기 (분광기), 광출력검출기(optical detector, photodiode), CCD (charge coupled device) 중 어느 하나일 수 있다. The signal analyzer 230 may include a first
간섭무늬 스펙트럼을 측정하여 간섭무늬의 이동을 분석하고 이로부터 인가된 전압을 계측하는 방식으로 시스템을 구성할 경우, 광원 및 광신호분석기로서 각각 넓은 파장밴드 광원 및 광스펙트럼 분석기 나 CCD 조합을 사용하는 것이 바람직하다. 특정파장에서 광출력의 변화를 측정하여 간접적으로 간섭무늬의 이동을 계산하고 이로부터 인간된 전압을 산출하는 방식으로 시스템을 구성할 경우, 단일파장 광원 및 광출력검출기 조합을 사용하는 것이 바람직하다.When a system is constructed by measuring the interference fringe spectrum and analyzing the movement of the interference fringes and measuring the applied voltage from the system, a wide wavelength band light source, optical spectrum analyzer or CCD combination is used as a light source and optical signal analyzer . It is preferable to use a combination of a single wavelength light source and an optical output detector when the system is constructed by measuring a change in light output at a specific wavelength and indirectly calculating the movement of the interference fringes and calculating the humanized voltage therefrom.
광원으로 시간에 따라 파장이 스캔되는 형태인 파장 가변 광원이나 sweep source을 사용할 경우, 시간에 따른 주기적인 모듈레이션 신호 즉 진동 주파수를 디텍터를 사용하여 측정할 수 있다. 그리고 전압 인가에 따른 진동 주파수의 변화량로부터 인가 전압을 계측할 수 있다. 또한 앞에서 설명한 바와 같이 간섭무늬 스펙트럼을 측정할 경우 간섭무늬 간격을 모니터링하고 간섭무늬 간격의 변화로부터 인가된 전압을 계측할 수 있다. 이를 위하여 측정된 간섭무늬 스펙트럼을 푸리에 변환(Fourier transform)하여 간섭무늬 간격에 대한 정보를 얻을 수 있다.When using a wavelength variable light source or a sweep source, which is a type of wavelength scanned by a light source over time, periodic modulation signals over time can be measured using a detector. And the applied voltage can be measured from the variation amount of the vibration frequency according to the voltage application. As described above, when the interference fringe spectrum is measured, it is possible to monitor the interference fringe spacing and to measure the applied voltage from the variation of the fringing spacing. For this purpose, information on the interference fringe spacing can be obtained by performing Fourier transform on the measured interference fringe spectrum.
단일코어 광섬유의 이중모드를 이용하는 기존의 기술과 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센싱 시스템(200)은 타원형 코어 모드를 갖는 두개의 코어를 갖는 센서 광섬유(221)을 포함한다. 그리고 각각의 코어에는 하나의 모드만 형성되어 있다. 따라서, 동일한 광섬유 내에서 신호광이 전송되더라도 두 개의 코어 모드를 지나는 광이 느끼는 유효굴절률이 서로 다른바, 광경로 차이가 발생되며, 이로 인하여 간섭 현상이 발생된다. 광경로 차에 의한 간섭현상 발생한 마흐젠더 간섭계로서 아래와 같은 수식을 사용하여 설명할 수 있다.Unlike the prior art which utilizes the dual mode of single core optical fiber, the
두 가지 광경로를 형성하여 구성되는 광섬유 마흐젠더 간섭계에 있어서, 파장에 따른 투과 광특성 즉, 광투과 세기 I 는 다음과 같이 주어진다.In the optical fiber Mach-Zehnder interferometer formed by forming two optical paths, the transmitted light characteristic according to the wavelength, that is, the light transmission intensity I, is given as follows.
여기에서 I 1 , I 2 는 각각 두가지 광경로를 지나는 광신호의 세기를 나타낸다. 또한 
여기서 본 발명에 따른 센서 시스템의 경우 센서 광섬유의 코어에 형성되는 두 가지 모드가 상기 두 가지 광경로를 형성한다. 따라서 두 개의 코어 및 해당 클래딩 각각의 모양, 크기 굴절률, 조성을 조절하여 편광방향에 따른 유효 굴절률 차이를 제어하고, 그에 따라 센서부(220)의 간섭 특성을 용이하게 조절할 수 있다. 특히 타원형 코어 광섬유의 경우 편광방향에 따라서 유효 굴절률 크기가 상이하므로 그에 따른 광섬유 간섭계의 투과 특성도 상이한 것을 이해하는 것이 중요하다.In the case of the sensor system according to the present invention, the two modes formed in the core of the sensor optical fiber form the two optical paths. Accordingly, by controlling the shape, the refractive index, and the composition of each of the two cores and the cladding, the effective refractive index difference according to the polarization direction can be controlled, and the interference characteristic of the
센서 광섬유의 모드 형태 및 편광 방향에 따른 간섭현상 발생에 대해서는 도 3과 함께 좀 더 자세히 설명하기로 한다. The occurrence of the interference phenomenon according to the mode type and the polarization direction of the sensor optical fiber will be described in more detail with reference to FIG.
도 3은 센서부에 사용되는 센서 광섬유의 구조를 나타낸다.3 shows the structure of the sensor optical fiber used in the sensor unit.
센서 광섬유는 두 개의 코어를 가지고 있으며 각각의 코어에 형성되는 코어모드의 한 쪽 길이 (장축)가 다른 쪽 (단축) 길이보다 긴 코어 형태를 갖는다. 또한 본 발명의 의도에 따라 각각의 코어에는 하나의 모드만 형성된다. 바람직하게는 각각의 코어에는 기본모드(LP01)만 형성되는 것이 좋다. 또한, 바람직하게는 센서부에 사용되는 센서 광섬유는 각각의 코어는 타원형 코어모드를 가지는 것이 좋다. 광섬유 코어와 클래딩의 모양, 크기, 굴절률 그리고 조성 분포를 조절하여 타원형 코어 모드를 만들 수 있다. The sensor optical fiber has two cores, and each core has a core mode in which one of the lengths (major axis) of the core mode is longer than the other (minor axis) length. Also, according to the intention of the present invention, only one mode is formed in each core. Preferably, only the basic mode LP01 is formed in each core. Preferably, each of the sensor optical fibers used in the sensor portion has an elliptical core mode. The elliptical core mode can be made by adjusting the shape, size, refractive index and composition distribution of the optical fiber core and cladding.
광섬유는 코어와 클래딩상이 상대적인 유효 굴절률 차이에 의하여 광특성이 결정 되므로 클래딩의 구조 즉, 모양, 크기, 조성, 굴절률을 조절할 경우에도 코어의 구조를 조절하는 것 같은 효과를 만들수 있다. 타원형 코어모드는 코어의 물리적 모양이 타원형 구조인 타원형 코어 광섬유에서 용이하게 형성된다. 따라서 상기 센서 광섬유는 타원형 코어 광섬유일 수 있다. Since the optical characteristics of the optical fiber are determined by the relative effective refractive index difference between the core and the cladding phase, the core structure can be controlled even if the structure, shape, size, composition and refractive index of the cladding are controlled. The elliptical core mode is easily formed in an elliptic core optical fiber in which the physical shape of the core is an elliptical structure. Therefore, the sensor optical fiber may be an elliptic core optical fiber.
하지만 상기 센서 광섬유로서 반드시 타원형 코어 광섬유일 필요는 없으며 코어 각각 하나의 모드만을 가지며 그리고 편광방향에 따라 서로 다른 유효굴절률 차이를 갖는 구조이면 충분하다. 그리고 코어 각각 편광유지 기능을 가지는 구조이면 더욱 바람직하다. 따라서, 예를 들어 상기 센서 광섬유로서 일부 변형된 타원형 코어 모드를 가지거나 일부 다각형 형태의 코어 구조를 가진 광섬유일 수 있다. 또한, 센서 광섬유로서 링 형태의 코어 모드가 형성되는 두 개의 코어를 가진 광섬유가 사용될 수 있다. However, the sensor optical fiber does not necessarily have to be an elliptic core optical fiber, but a structure having only one mode of each core and different effective refractive indexes depending on the polarization direction is sufficient. It is further preferable that each of the cores has a polarization maintaining function. Thus, for example, the sensor optical fiber may be an optical fiber having a partially modified elliptical core mode or a core structure of some polygonal shape. Further, an optical fiber having two cores in which a core mode of a ring shape is formed as a sensor optical fiber can be used.
본 발명의 목적에 따라 센서 광섬유에 두 개의 코어는 각각 하나의 모드만 형성시켜 다중 간섭에 의하여 복잡한 간섭무늬 발생 그에 따른 신호 분석의 어려움을 방지할 수 있다. 특히, 코어에 타원형 코어모드를 형성시킬 경우 광섬유 자체가 편광유지 기능을 갖기 때문에 외부 진동에 광신호가 쉽게 교란을 받지 않는 부가적인 장점을 가질 수 있다. According to the object of the present invention, the two cores of the sensor optical fiber form only one mode, respectively, so that complex interference fringes can be generated by multiple interferences, thereby preventing the difficulty of signal analysis due to the interference fringes. In particular, when the elliptical core mode is formed in the core, since the optical fiber itself has the polarization maintaining function, the optical signal can have an additional advantage that the optical signal is not easily disturbed.
상기 센서 광섬유는 광섬유의 코어나 클래딩 부분에 구멍을 뚫어 만든 홀구조 광섬유 일 수 있다. 센서용 홀구조 광섬유로서 광자결정 광섬유(photonic crystal optical fiber) 또는 매달린 구조의 광섬유(suspended core optical fiber)를 사용할 수 있다. 광섬유 전체가 동일한 물질로 만들어진 홀구조 광섬유를 이용할 경우 센서 광섬유의 온도 민감도를 상당히 낮출 수 있다는 데 장점이 있다.The sensor optical fiber may be a hole-structured optical fiber formed by perforating a core or a cladding portion of an optical fiber. A photonic crystal optical fiber or a suspended core optical fiber can be used as the hole structure optical fiber for the sensor. The advantage of using a hole-structured optical fiber made of the same material as the entire optical fiber is that the temperature sensitivity of the sensor optical fiber can be significantly reduced.
도 3에 도시된 센서 광섬유의 경우에는 두 개의 타원형 코어모드의 장축이 평행한 방향으로 정렬되어 있다. 하지만 두 개의 타원형 코어모드 의 장축이 반드시 평행한 방향일 필요는 없다. 간섭무늬의 간섭특성의 분석을 용이하게 하기 위해서는 두 개의 타원형 코어모두의 장축이 서로 평행하거나 수직인 것이 바람직하다. 이렇게 하므로써 두 개의 코어에는 각각 하나의 모드가 형성되고, 편광방향에 따라 서로 다른 유효굴절률 차이를 가지며, 편광방향에 따라 다른 간섭특성을 갖게 되며, 또한 복잡한 간섭무늬 발생을 막을 수 있다.In the case of the sensor optical fiber shown in FIG. 3, the long axes of the two elliptic core modes are aligned in parallel directions. However, the long axes of the two elliptical core modes do not necessarily have to be parallel directions. In order to facilitate analysis of the interference pattern of the interference fringes, it is preferable that the long axes of both of the two elliptical cores are parallel or perpendicular to each other. Thus, one mode is formed in each of the two cores, different effective refractive indexes are different according to the polarization direction, different interference characteristics are obtained according to the polarization direction, and complex interference fringes can be prevented.
일예로서 센서부에 사용되는 센서 광섬유로 도 3의 좌측 그림에 도시된 바와 같이 장축이 서로 평행하게 정렬된 타원형 코어를 사용할 수 있으며, 이를 사용하여 보다 상세한 설명을 하도록 한다. 편의상 코어의 장축 과 단축 방향을 각각 광축 y 및 광축 x로 정의한다. For example, as shown in the left-hand side of FIG. 3, an elliptic core having long axes aligned in parallel with each other may be used as a sensor optical fiber used in the sensor unit. For convenience, the long axis and short axis direction of the core are defined as optical axis y and optical axis x, respectively.
편광 방향이 광축 y 와 일치할 경우 y 편광으로 광축 x와 일치할 경우 x 편광을 나타낸다. 도 3의 우측 그림에 도시한 바와 같이 두 개의 광섬유 코어에는 각각 기본 모드가 형성되어 있다. 또한 각각의 타원형 코어에는 편광 방향에 따라 다른 분포를 가진 모드가 형성된다. y 편광의 경우 코어1과 코어2의 장축 길이가 서로 상이 하므로 유효굴절률 차이가 매우 크며 y 축 방향 광세기 분포의 크기 또한 상이하다. When the polarization direction coincides with the optical axis y, it is y polarized light, and when it coincides with the optical axis x, it shows x polarization. 3, a basic mode is formed in each of the two optical fiber cores. Further, in each elliptical core, a mode having a different distribution depending on the polarization direction is formed. In the case of y-polarized light, since the major axis lengths of the core 1 and the
반면에 x 편광의 경우 두 개의 코어의 단축 길이가 비슷하므로 유효굴절률 차이가 비슷하며 광센기 분포의 x 축 방향 광세기 분포 크기 또한 서로 비슷하다. 코어 및 클래딩의 모양, 크기, 조성 그리고 굴절률 분포를 제어하여 이와 같이 편광 방향에 따라 다른 특성을 가지는 광섬유를 만들 수 있다. On the other hand, in the case of x-polarized light, the short axis lengths of the two cores are similar to each other, so that the effective refractive index difference is similar, and the magnitude distribution of the light intensity distribution in the x- By controlling the shape, size, composition and refractive index distribution of the core and cladding, it is possible to produce an optical fiber having different characteristics according to the polarization direction.
본 발명의 목적에 따라 입력광이 두 개의 코어에 고르게 배분되도록 한다. 또한 입력광의 편광을 조절하여 상기 센서 광섬유의 각 코어의 편광 방향에 대해서도 고르게 광출력이 배분되도록 한다. 이를 위하여 광원과 광연결부 사이에는 센서 광섬유에 입사되는 신호광, 즉 입력광의 편광을 제어하기 위하여 편광자(polarizer) 나 편광조절기 (polarization controller)를 추가로 구비하여 사용할 수 있다. 이를 위하여 상기 4가지 다른 코어 모드에 고른 광출력 배분을 위하여 F2에서 출사되는 레이저 광의 편광을 센서 광섬유의 광축에 45 도 방향으로 입사하도록 할 수 있다. 이를 위하여, F2에 편광유지 광섬유를 사용하고 입사광의 편광방향을 편광유지 광섬유(F2)의 광축에 일치시키며 편광유지 광섬유의 광축과 센서 광섬유의 광축을 45도로 어긋나게 연결하는 방법을 용이하게 사용할 수 있다. 또한 두 코어 사이의 고른 광출력 배분을 위하여 연결부에 다중모드 광섬유, 코어 확장 광섬유 등과 같은 모드 변환 및 제어용 광섬유를 사용할 수 있다. For the purposes of the present invention, the input light is evenly distributed to the two cores. Also, the polarization of the input light is controlled to distribute the light output evenly with respect to the polarization direction of each core of the sensor optical fiber. To this end, a polarizer or a polarization controller may be additionally provided between the light source and the optical connection unit to control the signal light incident on the sensor optical fiber, that is, the polarization of the input light. For this purpose, the polarized light of the laser beam emitted from F2 may be incident on the optical axis of the sensor optical fiber in a direction of 45 degrees in order to distribute the light output uniformly to the four different core modes. To this end, a method of using a polarization maintaining optical fiber in F2 and matching the polarization direction of the incident light with the optical axis of the polarization maintaining optical fiber F2 and connecting the optical axis of the polarization maintaining optical fiber and the optical axis of the sensor optical fiber at 45 degrees is easily used . In addition, mode conversion and control optical fibers such as multimode optical fiber and core extended optical fiber can be used for connection in order to distribute even optical power between two cores.
도 4는 일례로 두 개의 타원 코어 광섬유를 이용한 편광 방향에 따른 센서부용 광섬유 간섭계의 광투과 스펙트럼을 나타낸다. 4 shows a light transmission spectrum of an optical fiber interferometer for a sensor unit according to a polarization direction using two elliptical core optical fibers.
광섬유 편광빔 분리기를 사용하여 각각 y 편광 (도 4a) 및 x 편광 (도 4b)으로 분리하여 얻어진 스펙트럼이다. 간섭계를 이용한 센서 시스템에서 간섭무늬의 특성 센서의 성능을 좌우하게 되므로, 주기적이고 일정한 형태의 깨끗한 간섭무늬를 확보하는 것이 매우 중요한데, 도 4에서 보면 편광 방향에 따라 각각 주기적이고 일정한 형태의 간섭무늬 패턴이 확보된 것을 알 수 있다.(Fig. 4A) and x-polarized light (Fig. 4B) using a fiber optic polarization beam splitter, respectively. In the sensor system using the interferometer, it is very important to secure a clean interfering pattern of periodic and constant shape because the performance of the characteristic sensor of the interfering pattern is determined. In FIG. 4, Can be obtained.
도 4a 도시된 바와 같이, 전압이 인가될 경우 광섬유에 스트레인이 발생하게 되고 그에 따라 도 4a에서 볼 수 있듯이 간섭무늬가 이동하게 된다. 따라서, 이러한 전압인가에 의한 간섭무늬의 이동 특성을 분석하므로써, 역으로 간섭무늬 이동량으로부터 인가된 전압의 크기를 도출할 수 있다.As shown in FIG. 4A, when a voltage is applied, a strain is generated in the optical fiber, so that the interference fringe moves as shown in FIG. 4A. Therefore, by analyzing the movement characteristics of the interference fringe by applying such a voltage, the magnitude of the applied voltage can be deduced from the interference fringe movement amount.
도 4a 도시된 y 편광 방향에서 얻어지는 간섭무늬의 경우 두 개의 코어모드 사이의 유효굴절률 차이가 크므로 간섭무늬의 간격이 41.16 nm 이다. 반면에 도 4b에 도시된 x 편광 방향에서 얻어지는 간섭무늬의 경우 두 개의 코어모드 사이의 유효굴절률 차이가 y 편광 방향에 비하여 상대적으로 작으므로 간섭무늬의 간격이 50.92 nm 로 상대적으로 넓다. In the case of the interference fringes obtained in the y polarization direction shown in FIG. 4A, since the effective refractive index difference between the two core modes is large, the interval of the interference fringes is 41.16 nm. On the other hand, in the case of the interference fringes obtained in the x polarization direction shown in FIG. 4B, since the difference in effective refractive index between the two core modes is relatively small as compared with the y polarization direction, the interval of the interference fringes is relatively large as 50.92 nm.
이처럼 편광 방향에 따라 간섭무늬 특성이 달라지게 되며 이처럼 편광방향에 따른 차별적인 광특성을 활용하는 것이 본 발명에 따른 구성의 중요한 부분이다.In this way, the interference fringe characteristics are changed according to the polarization direction, and it is an important part of the configuration according to the present invention to utilize different optical characteristics according to the polarization direction.
본 발명의 경우 이중 코어 광섬유를 이용한 간섭계 기술을 사용하므로 2개의 코어의 구조 즉, 코어와 클래딩의 모양, 크기, 굴절률, 조성 분포를 개별적으로 조절하므로써 코어 사이의 유효 굴절률 차이 및 편광에 따른 간섭 특성 등을 조절하고 그에 따라 센서 특성 즉, 간섭무늬 간격, 측정 민감도, 투과 특성 등을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 반면에 도 1과 같은 기존 기술의 경우 단일 코어 내의 이중 모드 기술을 사용하므로 두 가지 모드 사이의 광특성을 차별적으로 제어하기가 어렵다. In the present invention, since the structure of two cores, that is, the shape, the size, the refractive index, and the composition distribution of the core and the cladding are individually controlled by using the interferometer technology using the dual core optical fiber, the effective refractive index difference between the cores, And thus, it is possible to easily control the sensor characteristics such as the interference fringe spacing, the measurement sensitivity, and the transmission characteristics. On the other hand, in the conventional technology as shown in FIG. 1, since the dual mode technology is used in a single core, it is difficult to differentiate the optical characteristics between the two modes.
간섭계를 이용한 전압센서의 경우 간섭무늬의 간격에 따라 측정감도가 달라지게 된다. 본 발명의 경우 이중 코어 광섬유 기술을 사용하므로 개별 코어의 유효굴절률을 제어하여 간섭무늬 간격을 쉽게 제어할 수 있다. 반면에 단일 코어 광섬유를 사용하는 기존 기술의 경우 간섭무늬 간격을 조정하기 위해서는 센서 광섬유 길이를 조절하게 되는데 이러한 경우 센서 광섬유 길이 변화는 측정감도에 영향을 주고 또한 센서부의 크기 제한에 따라 센서 광섬유 길이 조정이 어려울 수 있다.In the case of a voltage sensor using an interferometer, the measurement sensitivity varies depending on the interval of the interference fringes. In the present invention, since the dual core optical fiber technology is used, it is possible to easily control the interference fringe spacing by controlling the effective refractive index of individual cores. On the other hand, in the case of the existing technology using a single core optical fiber, the length of the sensor fiber is adjusted to adjust the distance of the interference fringe. In this case, the change of the length of the sensor fiber affects the sensitivity of the sensor. This can be difficult.
도 5는 도4 의 간섭무늬를 분석하여 전압인가에 따른 스트레인 변화에 의한 간섭무늬 이동량을 y 편광 및 x 편광 방향에서 그래프로 나타낸 것이다. 도 5에서 볼 수 있듯이 편광방향에 따라 각기 다른 간섭무늬 이동 특성을 볼 수 있다. 센서에 인가되는 물리량이 
여기서 
식 3 및 4를 행렬식으로 정리하면 다음과 같이 되고
이것의 역행렬을 계산할 경우 다음과 같이 정리진다.The inverse of this is calculated as follows.
여기서 DET 는 행렬식(determinant)을 의미한다.Here, DET means a determinant.
따라서, 본 발명에 따라 편광 방향에 따라 두 종류의 간섭무늬 이동특성을 파악하므로써 두 가지 다른 물리량을 구할 수 있다. Therefore, according to the present invention, two different physical quantities can be obtained by grasping two kinds of interference fringe movement characteristics according to the polarization direction.
여기서, 두 개의 물리량 중 하나는 전압이고 나머지 하나는 제거해야 하는 외부의 교란요소 즉 온도 또는 진동 등을 의미한다. 일례로 도 3에 도시된 타원형 코어 광섬유를 사용할 경우 내제적으로 코어의 복굴절 특성에 의하여 편광유지 특성을 가지므로 진동에 의한 교란을 크게 받지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서, 다른 외부 교란요소 특히 온도에 의한 영향을 식 3에 의하여 분리할 수 있으며 결론적으로 온도 변화와 무관하게 정확한 전압을 측정할 수 있다는 것이 본 발명의 또 하나의 중요한 장점이다. Here, one of the two physical quantities means a voltage and the other one means an external disturbance element to be removed, i.e., temperature or vibration. For example, when the elliptical core optical fiber shown in FIG. 3 is used, it has polarization maintaining property due to the birefringence characteristic of the core and thus has a merit of not being disturbed by vibration greatly. Therefore, another important advantage of the present invention is that it is possible to separate the influence of other external disturbing elements, in particular temperature, by
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다. 6 is a diagram illustrating a structure of a voltage sensor system according to another embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 센서 시스템(300)은 상기 제 1 실시예와 다른 부분은 동일하나, 제1분기소자(312) 및 제2분기소자(333)를 포함하며, 거울면을 포함한다. 도 6의 실시 예에 따른 전압 센서 시스템(300)은 제1 분기소자(312)를 통해 신호분석부(330)가 센서부(320)에 연결된다. 6, the
도 6을 참조하면, 광원부의 광원에서 출사된 신호광은 제1분기소자(312)를 거쳐 센서부(320)의 센서 광섬유(321)로 입사된다. 센서부(320)는 원통형 압전소재 주변에 간섭계를 구성하는 센서 광섬유가 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 센서 광섬유(321)의 끝단은 신호광을 반사하도록 거울면 구조로 되어 있다. Referring to FIG. 6, the signal light emitted from the light source of the light source unit is incident on the sensor
거울면에서 반사된 신호광은 다시 제1분기소자(312)를 거쳐 제2분기소자(333)를 지나게 된다. 제2분기소자(312)에 의하여 수직한 편광 방향에 따라 분리된 신호광은 각각 제1 광신호분석기(331) 및 제 2 광신호분석기(332)에 전달된다. The signal light reflected from the mirror surface passes through the second branching
제1분기소자(312)로서 광커플러나 광서큘레이터 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여, 제1분기소자는 입력단과 출력단이 광섬유로 피크테일된 형태인 것이 바람직하다. 따라서 광커플러는 광섬유커플러인 것이 바람직하다. As the first branching
도 6에서 F1, F2, F3, F4 로 표시된 광 전송라인은 free space 또는 광섬유를 사용할 수 있다. 광 전송라인 배치의 자유도가 높은 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여 광섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 편광을 일정하게 유지하고 진동에 따른 노이즈 발생을 억제하기 위하여 전송라인 일부 또는 전체를 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.In FIG. 6, the optical transmission lines indicated by F1, F2, F3 and F4 can use free space or optical fiber. It is preferable to use an optical fiber in order to take advantage of the optical fiber system having a high degree of freedom in the arrangement of the optical transmission lines and more preferably to partially or entirely polarize the transmission line in order to keep the polarization constant and suppress noise generation due to vibration It is preferable to use a holding optical fiber.
목적에 따라 광원(311)과 제1분기소자(312) 사이에 편광자 및 편광조절기와 같은 편광제어소자가 사용될 수 있다. 도 6에서 도시된 실시예의 경우 제 1 실시예와 달리 광신호가 센서 광섬유(321)를 지나 투과 방식으로 제2분기소자(333)에 직접 전달되는 것이 아니라 센서 광섬유(321)의 끝단에서 거울면에 의하여 반사된 후 제1분기소자(312)를 거쳐 제2분기소자(333)에 전달되는 것에 특징이 있다. A polarization control element such as a polarizer and a polarization controller may be used between the
도 6과 같은 시스템 구조를 사용할 경우 광원부(310) 및 신호분석부(330)에서 센서부(320)에 연결되는 광전송라인이 하나이므로 센서부(320) 구조가 간단하여 센서 시스템 설치가 용이해지는 장점을 가지고 있다.6, since there is one optical transmission line connected to the
도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 설명하는 도면이다. 7 is a diagram illustrating a structure of a voltage sensor system according to another embodiment of the present invention.
도 7과 함께 설명되는 실시예는 상기 도 2 및 6와 함께 설명하는 실시예와 다른 부분은 동일하나, 편광을 분리하는 기능을 가진 제2 분기소자 및 광을 분기하는 제1 분기소자를 사용하지 않는 것에 그 특징이 있다. 따라서, 구체적인 설명이 없는 부분은 상기 도 2 및 6에 따른 실시예의 설명된 구동원리가 적용되는 것으로 한다. The embodiment described with reference to FIG. 7 is the same as the embodiment described with reference to FIGS. 2 and 6, except that a second branching element having a function of separating polarized light and a first branching element for branching light are not used There are those features that do not. Therefore, it is assumed that the driving principle described in the embodiment according to Figs. 2 and 6 is applied to the portion without any specific explanation.
도 7에 따른 실시예의 경우 광신호 분석기와 동기화된 편광제어소자를 사용하여 반복적으로 서로 번갈아 가면서 x 편광 및 y 편광의 광신호 만을 통과 시키므로서 제2 분기소자의 편광 분리기능을 대신하게 하는데 그 특징이 있다. 편광제어소자를 사용하여 능동적으로 편광을 제어하고 일정한 시간 주기의 광신호를 확보하므로써 해당 시간주기와 맞지 않는 광신호를 노이즈로 분리하여 제거하므로써 보다 정확한 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.In the embodiment according to FIG. 7, by using the polarization control element synchronized with the optical signal analyzer, the polarization separating function of the second branching element is replaced by passing only the optical signals of x polarization and y polarization while alternating with each other repeatedly. . The polarization control device actively controls the polarization and secures the optical signal of a predetermined period of time, thereby separating the optical signal that does not match the time period into noise and removing the optical signal.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications other than those described above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented.
본 발명은 광섬유를 이용하여 전압을 측정하는 기술 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정확하고 안정적인 전압 센서 및 이를 활용한 전압 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 전압측정 시스템은 발전소, 변전소, 배전소와 같은 전력망 뿐 만 아니라 기차, 전철과 같은 수송 장치 및 공장 과 같이 곳에 적용되어 안정성 확보와 경제성을 높이는데 활용 될 수 있다.The present invention relates to a technique for measuring a voltage using an optical fiber and a voltage sensor using the same. The accurate and stable voltage sensor according to the present invention and the voltage measurement technique utilizing the same can be used for protection and efficient operation of high voltage electrical apparatuses and power systems ranging from a few tens to several hundreds of V to a few hundreds of kV or more. The voltage measuring system according to the present invention can be applied not only to a power network such as a power station, a substation, an electric power station, but also to a transportation device such as a train, a train, and a factory, thereby enhancing stability and improving economy.
Claims (8)
신호광을 출사하는 광원부;
상기 광원부에서 출사된 신호광을 수신하여 간섭특성을 발생시키는 센서부; 및
상기 센서부에서 발생한 간섭특성을 감지하여 전압을 센싱하는 신호분석부를 포함하고,
상기 센서부는 전압이 인가되면 역압전 효과에 의해 지름 방향 길이가 달라지는 압전소재 및 압전소재에 감겨져 있는 형태로 제공되는 센서 광섬유를 포함하고,
상기 센서 광섬유는 타원형 코어 모드를 갖는 제1 코어 및 제2 코어를 포함하고,
상기 제1 코어 및 상기 제2 코어에는 각 코어 별로 하나의 모드만 형성되어 있는
전압 센서 장치.In a voltage sensor device using an inverse piezoelectric method,
A light source unit for emitting signal light;
A sensor unit receiving the signal light emitted from the light source unit and generating an interference characteristic; And
And a signal analyzing unit for sensing an interference characteristic generated in the sensor unit and sensing a voltage,
Wherein the sensor unit includes a piezoelectric material having a length in the radial direction different from that of the piezoelectric material when the voltage is applied thereto and a sensor optical fiber wound on the piezoelectric material,
Wherein the sensor optical fiber comprises a first core and a second core having an elliptical core mode,
In the first core and the second core, only one mode is formed for each core
Voltage sensor device.
상기 센서부와 상기 신호 분석부사이에 서로 수직한 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 분기소자를 더 포함하고,
상기 신호분석부는 제1 광신호 분석기 및 제2 광신호 분석기를 포함하고,
상기 제1 광신호 분석기 및 제2 광신호 분석기는 상기 분기소자에 의해 분리된 신호광 각각의 광간섭 특성을 측정하여 전압을 센싱하는
전압 센서 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a branching element for separating the signal light according to a polarization direction perpendicular to the sensor part and the signal analysis part,
Wherein the signal analyzer comprises a first optical signal analyzer and a second optical signal analyzer,
The first optical signal analyzer and the second optical signal analyzer measure the optical interference characteristics of the signal light separated by the branching element and sense the voltage
Voltage sensor device.
상기 제1 코어는 상기 제2 코어보다 큰 유효굴절률을 갖도록 제공되는
전압 센서 장치.The method according to claim 1,
Wherein the first core is provided to have an effective refractive index larger than that of the second core
Voltage sensor device.
상기 제1 광신호분석기 및 제2 광신호분석기는 광스펙트럼분석기 및 광출력검출기 중 적어도 하나인
전압 센서 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the first optical signal analyzer and the second optical signal analyzer are at least one of an optical spectrum analyzer and an optical output detector
Voltage sensor device.
상기 센서 광섬유는 홀구조 광섬유인
전압 센서 장치.The method according to claim 1,
The sensor optical fiber is a hole-structured optical fiber
Voltage sensor device.
상기 제1 코어의 장축과 상기 제2 코어의 장축은 서로 평행하거나, 서로 수직인
전압 센서 장치.The method according to claim 1,
Wherein the long axis of the first core and the long axis of the second core are parallel to each other,
Voltage sensor device.
상기 광원부와 상기 센서부 사이에 상기 광원으로부터 출사된 신호광을 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어에 고르게 배분하기 위한 편광자를 더 포함하는
전압 센서 장치.The method according to claim 1,
And a polarizer for evenly distributing the signal light emitted from the light source between the light source unit and the sensor unit to the first core and the second core
Voltage sensor device.
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