KR102676195B1 - 광섬유 일체형 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

광섬유 일체형 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 장치가 제공된다. 내부에 코어가 형성되어 있는 제1 광섬유부에, 빈 상태로 되어 있는 중공부를 포함하고, 중공부에 광 형광물질이 삽입되어 있는 제2 광섬유부가 연결되어, 온도 센서를 형성한다.

Description

광섬유 일체형 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 장치{Optical fiber in-line temperature sensor and apparatus for measuring temperature using the sensor}

본 발명은 온도 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 광섬유 일체형 온도 센서와 이를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것이다.

종래의 전기적 방식의 온도 센서의 경우, 주변의 고전류, 자기장, 여러 장치에서 발생할 수 있는 전자파 등에 의한 영향을 받게 되어 온도를 측정하는데 잡음이 발생하여 정확도가 떨어지게 된다.

이러한 전자파 영향을 받지 않는 광섬유를 이용한 광 온도 센서는, 주로 광섬유에서 나온 광이 발산하여 온도 감지부를 지나고 다시 광섬유로 집속되는 구조를 갖는다. 그러나 이러한 광의 발산과 집속의 과정에서 고정밀의 정렬을 필요로 한다. 또한, 광의 발산과 집속을 위해 물리적인 공간을 필요로 하고, 이러한 공간은 외부의 환경, 즉, 진동 등의 영향으로 광의 발산과 집속에 영향을 미쳐, 정확한 온도 측정이 어렵거나, 이러한 것을 보정하기 위하여 부가적인 장치를 필요로 하게 된다.

이러한 단점을 제거하기 위하여 광섬유에 광섬유 격자를 새긴 것이 이용되고 있으나, 제조 가격이 높고, 동일한 특성을 가지는 광섬유 격자 제조가 어렵다. 또한, 시간에 따른 열화 특성이 있어, 이러한 것들을 보정하기 위한 부가적인 장치로 인하여 구성이 복잡해 지는 단점이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 광섬유 일체형 온도 센서와 이를 이용한 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 광섬유 일체형 온도 센서는, 내부에 코어가 형성되어 있는 제1 광섬유부; 및 상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 빈 상태로 되어 있는 중공부를 포함하고, 상기 중공부에 광 형광물질이 삽입되어 있는 제2 광섬유부를 포함한다.

상기 제2 광섬유부가 상기 제1 광섬유에 연결되지 않은 제1 측면이 막혀 있으며, 상기 제1 측면에 반사 코팅이 되어 있을 수 있다.

상기 온도 센서는, 상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 코어가 없는 제3광섬유를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 광섬유부의 길이인 제1 길이와, 상기 제2 광섬유의 길이인 제2 길이 그리고 상기 제3 광섬유의 길이인 제3 길이는, 제1 길이 > 제2 길이 > 제3 길이의 관계를 만족할 수 있다. 상기 제2 광섬유부의 제1 측면 또는 상기 제3 광섬유가 상기 제2 광섬유에 연결되는 상기 제3 광섬유의 측면에 반사 코팅이 되어 있을 수 있다. 또는, 상기 제2 광섬유에 연결되는 상기 제3 광섬유의 측면의 반대 측면에 반사 코팅이 되어 있을 수 있다.

상기 제2 광섬유부는 상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 융착 접속되어 있으며, 상기 제3 광섬유부는 상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 융착 접속되어 있을 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 온도 측정 장치는, 광원; 상기 광원으로부터 입력되는 제1 파장의 빛에 따라 제2 파장의 빛을 방출하는 광섬유 일체형 온도 센서; 및 상기 광섬유 일체형 온도 센서로부터 방출되는 제2 파장의 빛을 검출하여 온도를 측정하는 광 검출부를 포함하며, 상기 광섬유 일체형 온도 센서는, 내부에 코어가 형성되어 있는 제1 광섬유부; 및 상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 빈 상태로 되어 있는 중공부를 포함하고, 상기 중공부에 광 형광물질이 삽입되어 있는 제2 광섬유부를 포함한다.

상기 제1 파장의 빛에 상기 제2 광섬유부의 중공부의 광 형광 물질로 입사됨에 따라 상기 제2 파장의 빛이 방출되며, 주변 온도에 따라 상기 제2 파장의 빛의 세기 또는 스펙트럼이 변할 수 있다.

상기 광섬유 일체형 온도 센서는, 상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 코어 없이 클래딩으로 이루어지는 제3 광섬유를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 광섬유부의 길이인 제1 길이와, 상기 제2 광섬유의 길이인 제2 길이 그리고 상기 제3 광섬유의 길이인 제3 길이는, 제1 길이 > 제2 길이 > 제3 길이의 관계를 만족할 수 있다.

상기 제2 광섬유부의 제1 측면 또는 상기 제3 광섬유가 상기 제2 광섬유에 연결되는 상기 제3 광섬유의 측면에 반사 코팅이 되어 있으며, 상기 제2 파장의 빛이 상기 반사 코팅에 의해 반사되어 상기 광 검출부로 출력될 수 있다.

또는, 상기 제3 광섬유부의 제1 측면에 반사 코팅이 되어 있으며, 상기 제2 파장의 빛이 상기 반사 코팅에 의해 반사되어 상기 광 검출부로 출력될 수 있다.

상기 온도 측정 장치는, 상기 광원으로부터의 빛을 상기 광섬유 일체형 온도 센서로 진행시키고, 상기 광섬유 일체형 온도 센서로부터의 빛을 상기 광 검출부로 진행시키는, 광 서큘레이터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 광섬유 일체형 온도 센서에 의하여 다음과 같은 효과가 제공된다.

첫째, 광섬유 인라인 형태의 온도 센서로 구성됨에 따라, 하나의 광섬유 내부에서 광의 전송(파장 A), 온도 측정, 광의 송신(파장 B)이 가능하다.

둘째, 외부의 전자기적 환경 및 물리적 진동 환경에 영향을 받지 않는다.

셋째, 광 형광 물질의 안정적인 물질 특성을 이용한 온도 센서로써, 온도 센서부가 외부에 노출이 되어 있지 않아서 센서의 열화가 없고, 영구적인 사용이 가능하다.

이외에도, 광섬유 인라인 형태의 온도 센서로 구성됨에 따라, 광의 발산, 집속에 따른 고정밀 광 정렬 문제를 해결할 수 있으며, 하나의 광섬유로 광의 전송 및 수신을 함으로써, 간단한 구조로 온도센서 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서의 구조를 나타낸 도이다.
도 2에 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서의 코팅 상태를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서를 제작하는 과정을 나타낸 도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서의 구조를 나타낸도이다.

첨부한 도 1에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서(1)는 제1 광섬유부(10), 제2 광섬유부(20)와 제3 광섬유부(30)를 포함한다.

제1 광섬유부(10)는 내부에 코어(core)(11)가 형성되어 있는 광섬유를 포함하며, 코어(11)를 클래딩(cladding)이 둘러싸고 있는 형태의 광섬유이다.

제2 광섬유부(20)는 내부에 코어 없이 빈 상태로 되어 있는 중공부(21)를 포함하는 중공 광섬유(hollow optical fiber)이며, 중공부(21)를 클래딩이 감싸고 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 광섬유부(20)는 내부의 중공부(21)에 온도 측정을 위한 광 형광물질이 삽입되어 있다. 광 형광물질은 가루 형태일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

제3 광섬유부(30)는 코어가 막힌 상태의 광섬유(예를 들어, 무 코어 광섬유)를 포함한다.

제1 광섬유(10)의 제1 측면(예를 들어, 우측면)에 제2 광섬유부(20)가 연결되어 있으며, 제2 광섬유부(20)의 제1 측면에 제3 광섬유부(30)가 연결되어 있다.

제1 광섬유부(10)의 길이(제1 길이)에 비하여, 제2 광섬유(20)의 길이(제2 길이)가 짧으며, 제2 광섬유(20)의 길이에 비하여 제3 광섬유(30)의 길이(제3 길이)가 짧다. 즉, 제1 길이 > 제2 길이 > 제3 길이의 관계가 만족된다.

이러한 구조로 이루어지는 광섬유 일체형 온도 센서(1)에서, 광의 반사 특성을 향상 시키기 위하여. 광섬유부의 일부면에 반사 코팅이 되어 있다.

도 2에 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서의 코팅 상태를 나타낸 도이다.

첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 제2 광섬유부(20)의 제1 측면(또는 제3 광섬유가 제2 광섬유와 연결되는 제3 광섬유의 제2 측면)에 반사 코팅(c)이 되어 있을 수 있으며(도 2의 (a)), 또는 제3 광섬유부(30)의 제1 측면에 반사 코팅(c)이 되어 있을 수 있다(도 2의 (b)).

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서(1)는 제1 광섬유부(10)와 제2 광섬유부(20)만을 포함하는 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우, 제2 광섬유부(20)의 제1 측면(끝단)이 막힌 형태로 구성될 수 있다. 제2 광섬유부(20)의 끝단에 아크 방전을 가하여, 끝단이 막히도록 할 수 있다. 또한, 제2 광섬유부(20)의 끝단에 반사 코팅을 할 수 있다. 제2 광섬유부(20)의 끝단이 광섬유 렌즈 형태로 모양이 형성되는데, 여기에 직접 반사코팅을 할 수도 있다.

다음에는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서의 동작에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구조를 나타낸 도이다.

온도 측정을 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 따른 광섬유 일체형 온도 센서(1)를 이용하는 온도 측정 장치(100)는, 도 3에서와 같이, 광섬유 일체형 온도 센서(1)와, 광원(2) 그리고 광 검출부(3)를 포함한다.

온도 측정 장치(100)의 제1 방향(예를 들어, 도 3에서와 같이, 좌측 방향)에 광원(2)이 위치되며, 광 검출부(3)가 광섬유 일체형 온도 센서(1)로부터 출력되는 빛을 검출한다. 이를 위해, 온도 측정 장치(100)는 광 서큘레이터(4)를 더 포함할 수 있다. 광 서큘레이터(4)는 3개의 포트를 포함하며, 제1 포트를 통하여 입사되는 빛을 제3 포트를 통하여 진행시키고, 제2 포트를 통하여 입사되는 빛은 제1 포트를 통하여 진행시킨다. 예를 들어, 제2 포트를 통하여 광원(2)으로부터 입사되는 빛을 제1 포트로 진행시켜 광섬유 일체형 온도 센서(1)로 진행되도록 하고, 제1 포트를 통하여 광섬유 일체형 온도 센서(1)로부터 입사되는 빛을 제3 포트로 진행시켜 광 검출부(3)로 출력되도록 한다.

이러한 상태에서, 광원(2)으로부터의 광이 광섬유 일체형 온도 센서(1)로 입력되면, 광섬유 일체형 온도 센서(1)의 제2 광섬유부(20)의 광 형광 물질에 특정 A 파장의 광이 쪼이게 된다. 이에 따라 광섬유 일체형 온도 센서(1)의 광 형광 물질에 의해 다른 특정 B 파장의 빛이 방출된다. 즉, 특정 B 파장의 빛은 제2 광섬유부(20)의 제1 측면이나 제3 광섬유부(30)의 제1 측면의 반사 코팅에 의해 반사되어 광 검출부(3)로 출력된다. 이와 같이 광섬유 일체형 온도 센서(1)에 의해 방출되는 빛의 세기 또는 스펙트럼이 온도에 따라 일정하게 변하는데, 이를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.

이와 같이, 광섬유 일체형 온도 센서(1)에서, 광섬유를 통해서 특정 A 파장의 광을 광섬유에 내장되도록(Embedded) 제작된 형광물질로 보내고, 이때 방출된 특정 파장 B의 빛이 다시 반사되어 광섬유를 통해서 출력되는 것을 검출하여, 온도를 판별한다. 광 검출부(3)는 광섬유 일체형 온도 센서(1)에서 방출되는 파장 B만 선별하여 검출하여, 온도를 측정한다.

다음에는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서를 제작하는 방법에 대해서 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 일체형 온도 센서를 제작하는 과정을 나타낸 도이다.

먼저, 첨부한 도 4에 도시되어 있듯이, 코어(11)를 포함하는 클래딩으로 이루어지는 제1 광섬유부(10)(도 4의(a))와, 코어 없이 빈 중공부(21)를 포함하는 클래딩으로 이루어지는 제2 광섬유부(20)(도 4의 (b))를 접속한다. 제1 광섬유부(10)와 제2 광섬유부(20)를 접속하기 위하여, 융착접속(Fusion splicing)을 할 수 있다 (도 4의 (c)). 이후, 제2 광섬유부(20)의 일부분을 절단하며, 예를 들어, 제2 광섬유부(20)의 길이를 수 mm 자른다(도 4의 (d)).

다음, 도 5에 도시되어 있듯이, 제1 광섬유부(10)와 접속되어 있는 제2 광섬유부(20)의 중공부(21)에 광 형광물질을 삽입한다(도 5의 (a)). 형광물질이 삽입된 제2 광섬유부(20)의 제1 측면에, 코어가 없는 무코어 형태의 광섬유인 제3 광섬유부(30)(도 5의 (b))를 접속시킨다(도 5의 (c)). 이 경우에도, 제2 광섬유부(20)에 제3 광섬유부(30)를 접속하기 위하여, 융착접속을 할 수 있다. 이후, 제3 광섬유부(30)의 일부를 절단하여 제3 광섬유부(30)가 소정 길이가 되도록 한다(도 5의 (d)). 예를 들어, 제3 광섬유부(30)의 길이를 수 mm 자른다.

이러한 과정을 통하여, 제1 광섬유부(10)와 형광물질이 삽입된 제2 광섬유부(20) 그리고 제3 광섬유부(30)가 접속된, 광섬유 일체형 온도 센서가 제작된다.

한편, 이러한 제작 과정에서, 순서를 변경할 수도 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 도 4에서와 같은 과정을 거쳐서 제1 광섬유부(10)와 제2 광섬유부(20)가 서로 접속된 다음에 2 광섬유부(20)에 광 형광물질을 삽입할 수도 있고, 이와는 달리, 제2 광섬유부(20)에 광 형광물질을 먼저 삽입한 다음에 제1 광섬유부(10)와 2 광섬유부(20)를 접속시킬 수 있다. 또는, 광 형광 물질이 삽입된 제2 광섬유부(20)와 코어가 없는 제3 광섬유부(300를 먼저 접속시킨 다음에, 제2 광섬유부(20)의 제2 측면에 제1 광섬유부(10)를 접속시킬 수도 있다. 다양한 제조 과정을 통하여 도 1과 같은 형태의 광섬유 일체형 온도 센서를 생성할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

1. 광섬유 일체형 온도 센서로서,
   내부에 코어가 형성되어 있는 제1 광섬유부;
   상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 빈 상태로 되어 있는 중공부를 포함하고, 상기 중공부에 광 형광물질이 삽입되어 있는 제2 광섬유부; 및
   상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 코어가 없는 제3광섬유부
   를 포함하고,
   상기 제1 광섬유부의 길이인 제1 길이와, 상기 제2 광섬유부의 길이인 제2 길이 그리고 상기 제3 광섬유부의 길이인 제3 길이는, 제1 길이 > 제2 길이 > 제3 길이의 관계를 만족하는,
   온도 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 광섬유부가 상기 제1 광섬유부에 연결되지 않은 제1 측면이 막혀 있으며, 상기 제1 측면에 반사 코팅이 되어 있는, 온도 센서.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 광섬유부의 제1 측면 또는 상기 제3 광섬유부가 상기 제2 광섬유부에 연결되는 상기 제3 광섬유부의 측면에 반사 코팅이 되어 있거나, 또는,
   상기 제2 광섬유부에 연결되는 상기 제3 광섬유부의 측면의 반대 측면에 반사 코팅이 되어 있는, 온도 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 광섬유부는 상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 융착 접속되어 있으며, 상기 제3 광섬유부는 상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 융착 접속되어 있는, 온도 센서.
6. 광원;
   상기 광원으로부터 입력되는 제1 파장의 빛에 따라 제2 파장의 빛을 방출하는 광섬유 일체형 온도 센서; 및
   상기 광섬유 일체형 온도 센서로부터 방출되는 제2 파장의 빛을 검출하여 온도를 측정하는 광 검출부
   를 포함하며,
   상기 광섬유 일체형 온도 센서는,
   내부에 코어가 형성되어 있는 제1 광섬유부;
   상기 제1 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 빈 상태로 되어 있는 중공부를 포함하고, 상기 중공부에 광 형광물질이 삽입되어 있는 제2 광섬유부; 및
   상기 제2 광섬유부의 제1 측면에 연결되어 있으며, 코어 없이 클래딩으로 이루어지는 제3 광섬유부
   를 포함하고,
   상기 제1 광섬유부의 길이인 제1 길이와, 상기 제2 광섬유부의 길이인 제2 길이 그리고 상기 제3 광섬유부의 길이인 제3 길이는, 제1 길이 > 제2 길이 > 제3 길이의 관계를 만족하는,
   온도 측정 장치.
7. 제6항에 있어서
   상기 제1 파장의 빛에 상기 제2 광섬유부의 중공부의 광 형광 물질로 입사됨에 따라 상기 제2 파장의 빛이 방출되며, 주변 온도에 따라 상기 제2 파장의 빛의 세기 또는 스펙트럼이 변하는, 온도 측정 장치.
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 제2 광섬유부의 제1 측면 또는 상기 제3 광섬유부가 상기 제2 광섬유부에 연결되는 상기 제3 광섬유부의 측면에 반사 코팅이 되어 있으며, 상기 제2 파장의 빛이 상기 반사 코팅에 의해 반사되어 상기 광 검출부로 출력되거나, 또는,
   상기 제3 광섬유부의 제1 측면에 반사 코팅이 되어 있으며, 상기 제2 파장의 빛이 상기 반사 코팅에 의해 반사되어 상기 광 검출부로 출력되는, 온도 측정 장치.
10. 제6항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 빛을 상기 광섬유 일체형 온도 센서로 진행시키고, 상기 광섬유 일체형 온도 센서로부터의 빛을 상기 광 검출부로 진행시키는, 광 서큘레이터
    를 더 포함하는, 온도 측정 장치.
    
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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