KR20110081444A

KR20110081444A - Optical fiber current sensor and sensing method thereof

Info

Publication number: KR20110081444A
Application number: KR1020100001612A
Authority: KR
Inventors: 조재경
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-14
Also published as: KR101094363B1

Abstract

PURPOSE: An optical fiber current sensor and a sensing method thereof are provided to allow a high precision and a high sensitivity of measurements by blocking influences due to changes of external circumstances such as temperature changes, vibrations, magnetic fields etc. CONSTITUTION: A photogeneration part modulates a generated light into a carrier frequency, and provides as an input light. A polarizing beam processing unit changes the input light into a first polarizing beam and a second polarizing beam, which rotate in opposite directions with each other. In the sensing optical fiber(150), the first polarizing beam and the second polarizing beam income from the polarizing beam processing unit are reciprocated, and a phase difference between the first polarizing beam and the second polarizing beam based on the Faraday effects by current is provided. An optical detector(170) is optically connected to the polarizing beam processing unit. If he first polarizing beam and the second polarizing beam which are reflected at the end of the sensing optical fiber are filtered to linear polarizing beams having flat polarizing surface by the polarizing beam processing unit, intereference optical signals of the filtered linear polarizing beams are received and are transformed into electric signals. A signal processing unit(180) calculates a size of the current flowing in a wire with reference to the electric signals.

Description

광섬유 전류 센서 및 그것의 센싱 방법{OPTICAL FIBER CURRENT SENSOR AND SENSING METHOD THEREOF}Optical fiber current sensor and its sensing method {OPTICAL FIBER CURRENT SENSOR AND SENSING METHOD THEREOF}

본 발명은 측정 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 페러데이 효과에 의한 광위상차를 이용하는 광섬유 전류 센서 및 그것의 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a measuring device, and more particularly, to an optical fiber current sensor using an optical phase difference due to the Faraday effect, and a sensing method thereof.

최근 산업의 고도 성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하고 있다. 증가하는 전력 수요에 대응하기 위하여 전력 설비들의 초고압화 및 대용량화가 활발히 이루어지고 있다. 전력 설비들의 초고압화 및 대용량화와 더불어 안정적인 전력 공급과 효율적인 전력 사용을 위한 기술들이 개발되고 있다.Recently, with the rapid growth of the industry, the demand for electricity is increasing rapidly. In order to cope with the increasing power demand, ultra high pressure and large capacity of electric power facilities are being actively performed. In addition to the ultra high voltage and high capacity of power facilities, technologies for stable power supply and efficient power usage are being developed.

전력 생산 설비인 발전 계통으로부터 배전 계통이나 수용가에 이르기까지 계측, 제어, 보호 기술의 고도화를 이루기 위해서 기존 전자식 센서 기술을 적용하기에는 한계가 있다. 그 이유는 고전압이나 대전력 환경에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 기상 현상에 기인한 뇌서지 등이 정전 유도나 전자 유도에 의해서 각종 계측, 제어장치에 영향을 주기 때문이다. There are limitations in applying the existing electronic sensor technology to advance the measurement, control, and protection technology from the power generation system, which is a power generation facility, to the distribution system or the consumer. This is because in high voltage and high power environments, various impulsive voltages, currents, and lightning surges caused by meteorological phenomena affect various measurement and control devices by electrostatic induction or electromagnetic induction.

이러한 문제를 해결할 수 있는 기술로서 최근 각광을 받는 것이 광센서 기술이다. 광센서 기술은 광이 지니는 광대역, 저손실, 방폭성, 고절연성, 무유도성, 소형, 경량성, 보수의 용이성, 광 응용 기술과의 정합성 등의 장점을 전력기기에 적용하기에 적합한 기술로 평가되어 왔다. As a technology to solve this problem, the optical sensor technology has recently been in the spotlight. Optical sensor technology is evaluated as a suitable technology for applying power, such as broadband, low loss, explosion-proof, high insulation, non-inductive, small size, light weight, ease of repair and matching with optical application technology. come.

광전류 센서는 전류가 흐르는 전선의 자계를 검출하는 방식에 따라 자기변형 피복코팅 방식과, 페러데이 회전자 방식으로 나누어진다. 자기변형 피복코팅 방식은 자계 중의 자기변형 피복코팅 광섬유가 전파하는 광신호의 위상변화를 검출하여 자계를 검출하는 방식이다. 자기변형 피복코팅 방식은 높은 안정도를 갖는다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 자기변형 피복코팅 방식은 외부 스트레스에 약하다는 단점이 있다. The photocurrent sensor is divided into a magnetostrictive coating coating method and a Faraday rotor method according to a method of detecting a magnetic field of an electric wire. The magnetostrictive coating method is a method of detecting a magnetic field by detecting a phase change of an optical signal propagated by the magnetostrictive coating coating optical fiber in a magnetic field. Magnetostrictive coating has the advantage of high stability. However, there is a disadvantage that the magnetostrictive coating method is weak to external stress.

페러데이 회전자 방식은 광섬유 자체를 페러데이 회전자로 사용하는 자계 검출 방식이다. 페러데이 회전자 방식에는 이밖에 가넷(Garnet) 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식이 있다. 페러데이 회전자 방식 중 가넷 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식은 구조가 간단하고 설치가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 가넷 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식은 감도가 낮고, 외부환경(온도, 진동, 외란 자계 등)에 의해 상대적으로 많은 영향을 받는다.The Faraday rotor method is a magnetic field detection method using the optical fiber itself as a Faraday rotor. Faraday rotator system in addition to the garnet (Garnet) or lead glass is used as a Faraday rotator. Among the Faraday rotor methods, the method of using garnet or lead glass as a Faraday rotor has an advantage of simple structure and easy installation. However, the method of using garnet or lead glass as a Faraday rotator has low sensitivity and is relatively affected by external environment (temperature, vibration, disturbance magnetic field, etc.).

페러데이 회전자 방식 중 광섬유 자체를 페러데이 회전자로 사용하는 방식이 있다. 광섬유 자체를 페러데이 회전자로 사용하는 검출 방식에는 광강도 검출형과 광위상 검출형이 포함된다. 광강도 검출형은 감도가 낮고 외부환경 변화에 크게 영향을 받는다. 위상 검출형의 광섬유 페러데이 회전자 방식은 감도가 높고 외부 환경의 영향에 대해 우수하다. 하지만, 광섬유를 압전 진동자에 감은 광위상 변조기나 전기광학결정을 사용하는 광위상 변조기를 사용해 왔으므로 제조공정이 복잡하고 성능 재현성이 불량하다는 단점이 있었다.Among the Faraday rotor methods, there is a method of using the optical fiber itself as a Faraday rotor. Detection methods using the optical fiber itself as a Faraday rotator include a light intensity detection type and an optical phase detection type. Light intensity detection type has low sensitivity and is greatly affected by external environment change. The phase-detecting fiber Faraday rotor method is highly sensitive and excellent against external influences. However, since optical phase modulators using optical phase modulators wound on piezoelectric vibrators or optical phase modulators using electro-optic crystals have been used, manufacturing processes are complicated and performance reproducibility is poor.

본 발명의 목적은 광위상 변조기를 사용하지 않고도 반도체 레이저 광원을 특정한 주파수의 전류로 변조함으로써, 감도가 높고 외부환경 변화에 대해 우수한 특성을 갖는 광섬유 전류센서를 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide an optical fiber current sensor having high sensitivity and excellent characteristics against external environmental changes by modulating a semiconductor laser light source with a current of a specific frequency without using an optical phase modulator.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 전류 센서는, 생성된 광을 반송 주파수로 변조하여 입사광으로 제공하는 광생성부, 상기 입사광을 서로 반대 방향으로 회전하는 제 1 원 편광빔 및 제 2 원 편광빔으로 변환하는 편광빔 처리부, 상기 편광빔 처리부로부터 입사되는 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔이 왕복하여 진행하며, 상기 전류에 의한 페러데이 효과에 따라 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔 간의 위상차를 제공하는 센싱 광섬유, 상기 편광빔 처리부에 광학적으로 연결되며, 상기 센싱 광섬유의 종단에서 반사되는 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔이 편광빔 처리부에 의하여 평행한 편광면을 가지는 직선 편광빔들로 필터링되면, 필터링된 상기 직선 편광빔들의 간섭 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기, 그리고 상기 전기적 신호를 참조하여 상기 전선에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 신호 처리부를 포함한다. The optical fiber current sensor according to the present invention for achieving the above object, the light generating unit for modulating the generated light at a carrier frequency to provide the incident light, the first circle polarization beam and the second circle to rotate the incident light in opposite directions The polarizing beam processing unit for converting into a polarizing beam, the first circularly polarized beam and the second circularly polarized beam incident from the polarizing beam processing unit proceeds reciprocally, and the first circularly polarized beam and according to the Faraday effect by the current A sensing optical fiber which provides a phase difference between the second circularly polarized beam and an optically connected portion to the polarizing beam processing unit, wherein the first circularly polarizing beam and the second circularly polarizing beam reflected from the end of the sensing optical fiber are connected to the polarizing beam processing unit; When filtered with linearly polarized beams having parallel polarization planes, the interference optical signals of the filtered linearly polarized beams are received and converted into electrical signals. Optical detector ring, and the reference to the electrical signal to a signal processing unit for calculating the magnitude of a current that flows to the wire.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전류 센싱 방법은, 광원으로부터 생성된 광을 반송 주파수로 변조하여 입력광을 생성하는 단계, 상기 입력광을 편광면이 직교하는 2개의 직선 편광빔들로 변환하는 단계, 상기 2개의 직선 편광빔들을 서로 반대 방향으로 회전하는 2개의 원 편광빔으로 변환하는 단계, 상기 2개의 원 편광빔을 상기 전선의 주위에 위치하는 센싱 광섬유에 입사시켜 페러데이 효과에 의하여 발생하는 위상차를 획득하는 단계, 상기 위상차를 측정하기 위하여 상기 2개의 원 편광빔을 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔들로 필터링하는 단계, 상기 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔들의 간섭에 의해서 생성되는 출력광을 전기적인 신호로 검출하는 단계, 그리고 상기 전기적인 신호를 처리하여 상기 전선에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함한다. The current sensing method of the present invention for achieving the above object, the step of generating the input light by modulating the light generated from the light source to the carrier frequency, converting the input light into two linearly polarized beams orthogonal to the polarization plane Converting the two linearly polarized beams into two circularly polarized beams rotating in opposite directions, and injecting the two circularly polarized beams into a sensing optical fiber positioned around the wire to generate the Faraday effect. Obtaining a phase difference, filtering the two circularly polarized beams into two linearly polarized beams having parallel polarization planes to measure the phase difference, and interference of the two linearly polarized beams having the parallel polarization planes Detecting the output light generated by the electrical signal, and processing the electrical signal to flow a current through the wire And a step of calculating the size.

이상에서 설명된 본 발명의 광섬유 전류 센서는 페러데이 효과에 의한 위상차에 따라 광섬유 전류센서의 감도가 변화하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 본 발명의 광섬유 전류 센서는 온도 변화, 진동, 외란 자계 등의 외부 환경 변화에 의한 영향을 차단하여, 고감도와 고정밀도의 측정을 가능케 한다. The optical fiber current sensor of the present invention described above can prevent the sensitivity of the optical fiber current sensor from changing according to the phase difference caused by the Faraday effect. In addition, the optical fiber current sensor of the present invention blocks the influence of external environmental changes such as temperature change, vibration, disturbance magnetic field, and enables high sensitivity and high precision measurement.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전류 센서를 보여주는 도면;
도 2는 도 1의 신호 처리부의 제 1 실시 예를 보여주는 블록도;
도 3은 도 1의 신호 처리부의 제 2 실시 예를 보여주는 블록도;
도 4는 본 발명의 광섬유 전류 센서에 의한 센싱 방법을 보여주는 순서도.1 shows an optical fiber current sensor according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram illustrating a first embodiment of the signal processor of FIG. 1;
3 is a block diagram illustrating a second embodiment of the signal processor of FIG. 1;
Figure 4 is a flow chart showing a sensing method by the optical fiber current sensor of the present invention.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary, and that additional explanations of the claimed invention are provided. Reference numerals are shown in detail in preferred embodiments of the invention, examples of which are shown in the reference figures. In any case, like reference numerals are used in the description and the drawings to refer to the same or like parts.

본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.The present invention may be implemented or applied through other embodiments as well. In addition, the detailed description may be modified or changed according to aspects and applications without departing from the scope, technical spirit and other objects of the present invention. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전류 센서를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 전선(10)에 흐르는 전류의 크기를 측정하기 위한 광섬유 전류 센서(100)는 변조부(110), 광원(120), 광아이솔레이터(130), 광커플러(135), 편광빔 처리부(140), 센싱 광섬유(150), 반사부(160), 광검출기(170) 그리고 신호 처리부(180)를 포함한다. 편광빔 처리부(140)는 다시 편광자(141), 광커플러들(142, 145), 지연기들(143, 144, 146)을 포함한다. 1 is a view showing an optical fiber current sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the optical fiber current sensor 100 for measuring the magnitude of the current flowing through the wire 10 includes a modulator 110, a light source 120, an optical isolator 130, an optical coupler 135, and polarization. The beam processor 140, the sensing optical fiber 150, the reflector 160, the photo detector 170, and the signal processor 180 are included. The polarization beam processor 140 further includes a polarizer 141, photocouplers 142 and 145, and retarders 143, 144, and 146.

변조부(110)는 광원(120)에서 생성되는 광을 변조하기 위한 변조 신호(OSC)를 생성한다. 변조에 의해서 광섬유를 통해서 진행하는 입력광(λs)의 주파수를 반송 주파수(Carrier frequency)라고 칭하기로 한다. 예를 들면, 변조부(110)는 발진기(Oscillator)를 통해서 특정 주파수의 발진 신호를 생성할 수 있다. 특정 주파수의 발진 신호(전류 또는 전압)는 반송 주파수(fc)를 갖는 변조 신호(OSC)로 조정된다. 반송 주파수(fc)를 갖는 변조 신호(OSC)는 광원(120)과 신호 처리부(180)에 제공된다. The modulator 110 generates a modulated signal OSC for modulating the light generated by the light source 120. The frequency of the input light lambda s traveling through the optical fiber by modulation is referred to as a carrier frequency. For example, the modulator 110 may generate an oscillation signal of a specific frequency through an oscillator. The oscillation signal (current or voltage) at a particular frequency is adjusted to the modulation signal OSC with carrier frequency fc. The modulated signal OSC having the carrier frequency fc is provided to the light source 120 and the signal processor 180.

광원(120)은 변조 신호(OSC)에 응답하여 반송 주파수(fc)에 대응하는 변조된 레이저 광을 생성한다. 광원(120)은, 예를 들면 반도체 레이저 다이오드(Semiconductor Laser Diode)로 구성될 수 있다. 이 경우, 변조 신호(OSC)는 반도체 레이저 다이오드의 이득을 변조하기 위한 변조 전압이나 변조 전류의 형태로 광원(120)에 제공될 수 있다. 광원(120)에서 생성된 반송 주파수(fc)를 갖는 입력광(λs)은 광섬유(Optical fiber)에 입사될 것이다. The light source 120 generates modulated laser light corresponding to the carrier frequency fc in response to the modulation signal OSC. The light source 120 may be configured of, for example, a semiconductor laser diode. In this case, the modulation signal OSC may be provided to the light source 120 in the form of a modulation voltage or modulation current for modulating the gain of the semiconductor laser diode. The input light lambda s having the carrier frequency fc generated by the light source 120 will be incident on the optical fiber.

광아이솔레이터(130)는 입력광(λs)에 대한 역반사 또는 광의 진행 방향과 역방향으로 진행하는 광을 차단 또는 억제한다. 광아이솔레이터(130)는, 예를 들면, 자성체가 갖는 큰 패러데이 회전각을 이용한다. 따라서, 입력광(λs)의 진행 방향과 역방향으로 진행하는 반사광이나 기타의 광들이 광원(120) 측으로 입사되는 것이 차단될 수 있다. 여기서, 변조부(110), 광원(120) 그리고 광아이솔레이터(130)는 입력광을 생성하는 광생성부로 명명될 수 있다. The optical isolator 130 blocks or suppresses the light reflecting back to the input light λs or traveling in the opposite direction to the traveling direction of the light. The optical isolator 130 uses the large Faraday rotation angle which a magnetic body has, for example. Therefore, the incident of the reflected light or other light traveling in the opposite direction to the advancing direction of the input light λs may be blocked to the light source 120. Here, the modulator 110, the light source 120, and the optical isolator 130 may be referred to as a light generator that generates input light.

광커플러(135)는 입력광(λs)의 광경로와 출력광(λr)의 광경로를 분기시킨다. 광커플러(135)는 입력광(λs)을 제공받아 편광빔 처리부(140)로 전달한다. 광커플러(135)는 편광빔 처리부(140)로부터 전달되는 간섭된 직선 편광빔(λr)을 광검출기(170)로 전달한다. 간섭된 직선 편광빔(λr)에는 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 대응하는 위상차 정보가 포함되어 있다.The optocoupler 135 diverges the optical path of the input light λ s and the optical path of the output light λ r. The optocoupler 135 receives the input light λs and transmits it to the polarization beam processor 140. The optocoupler 135 transfers the interfering linearly polarized light beam λr transmitted from the polarization beam processor 140 to the photodetector 170. The interfering linear polarization beam λr includes phase difference information corresponding to the magnitude of the current flowing through the wire 10.

편광빔 처리부(140)는 광원(120)으로부터 입사되는 입력광(λs)을 직교하는 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔들로 변환한다. 그리고 편광빔 처리부(140)는 직선 편광빔들을 다시 서로 반대 방향으로 회전하는 2개의 원 편광빔으로 변환하여 센싱 광섬유(150)에 전달한다. The polarization beam processor 140 converts the input light λs incident from the light source 120 into two linearly polarized beams having a polarization plane orthogonal to each other. The polarization beam processor 140 converts the linearly polarized beams into two circularly polarized beams which rotate in opposite directions to each other and transmits the linearly polarized beams to the sensing optical fiber 150.

편광빔 처리부(140)는 센싱 광섬유(150)에서 센싱의 결과에 따라 출력되는 2개의 원 편광빔들을 수신한다. 즉, 편광빔 처리부(140)는 센싱 광섬유(150)로부터 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 비례하는 위상차를 갖는 2개의 원 편광빔을 수신한다. 편광빔 처리부(140)는 수신된 위상차를 갖는 2개의 원 편광빔을 편광면이 평행한 2개의 직선 편광빔들로 변환한다. 평행한 편광면을 갖는 직선 편광빔들은 상호 간섭을 일으키고, 간섭된 직선 편광빔들은 광커플러(135)에 의해서 광검출기(170)에 제공된다. 앞서 기술한 바와 같이, 편광빔 처리부(140)는 편광자(141), 광커플러들(142, 145), 지연기들(143, 144, 146)을 포함한다.The polarization beam processor 140 receives two circularly polarized beams output by the sensing optical fiber 150 according to the sensing result. That is, the polarization beam processing unit 140 receives two circular polarization beams having a phase difference proportional to the magnitude of the current flowing through the wire 10 from the sensing optical fiber 150. The polarization beam processor 140 converts two circularly polarized beams having the received phase difference into two linearly polarized beams having parallel polarization planes. The linearly polarized beams having parallel polarization planes cause mutual interference, and the interfered linearly polarized beams are provided to the photodetector 170 by the optical coupler 135. As described above, the polarization beam processor 140 includes a polarizer 141, photocouplers 142 and 145, and retarders 143, 144, and 146.

편광자(Polarizer, 141)는 무편광 모드로 입사되는 입력광(λs)을 편광면이 단일 평면에 분포하는 직선 편광빔(Linear polarization beam)으로 필터링한다. The polarizer 141 filters the input light [lambda] s incident in the non-polarization mode into a linear polarization beam having a polarization plane distributed in a single plane.

편광자(141)로부터 출력되는 직선 편광빔은 다시 광커플러(142)에 의해서 2개의 직선 편광빔들로 분기된다. 분기된 직선 편광빔 중 하나는 λ/2 파장부(143)에 전달된다. λ/2 파장부(143)는 직선 편광빔을 지연함과 동시에 편광면을 90°회전시킨다. 반면, 분기된 직선 편광빔 중 다른 하나는 위상 지연부(144)에 전달된다. 위상 지연부(144)는 전달된 직선 편광빔에 대한 편광면의 회전 없이 위상만 지연한다. The linearly polarized beam output from the polarizer 141 is again split into two linearly polarized beams by the optical coupler 142. One of the branched linearly polarized beams is transmitted to the λ / 2 wavelength portion 143. The λ / 2 wavelength portion 143 delays the linearly polarized beam and simultaneously rotates the polarization plane by 90 °. On the other hand, the other of the branched linearly polarized beams is transmitted to the phase delay unit 144. The phase delay unit 144 delays only a phase without rotating the polarization plane with respect to the transmitted linear polarization beam.

결국, λ/2 파장부(143)와 위상 지연부(144)는 하나의 직선 편광빔을 90°회전된 편광면을 가지는 직선 편광빔과 편광면의 회전이 없이 위상만 지연된 직선 편광빔으로 분리시킨다. 편광면이 직교하는 직선 편광빔들은 광커플러(145)에 의해서 결합된다. As a result, the λ / 2 wavelength unit 143 and the phase delay unit 144 separate one linearly polarized beam into a linearly polarized beam having a polarization plane rotated by 90 ° and a linearly polarized beam delayed only in phase without rotation of the polarization plane. Let's do it. The linearly polarized beams of which the polarization planes are orthogonal are coupled by the optical coupler 145.

광커플러(145)는 상호 직교하는 편광면을 가지는 직선 편광빔들을 결합하여 λ/4 파장부(146)에 제공한다. 그리고 λ/4 파장부(146)는 상호 직교 편광면을 가지는 직선 편광빔들을 편광축이 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들로 변형시킨다. λ/4 파장부(146)에 의해서 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 전선(10)의 주위를 감싸고 있는 센싱 광섬유(150)로 진행한다. 센싱 광섬유(150)의 종단에는 반사부(160)가 형성되어 있어 센싱 광섬유(150)에 입사된 원 편광빔들을 반사시킨다. 반사된 원 편광빔들 각각은 반사 이전과는 반대로 회전하게 될 것이다. The optocoupler 145 combines the linearly polarized beams having polarization planes orthogonal to each other and provides them to the λ / 4 wavelength portion 146. The λ / 4 wavelength portion 146 transforms linearly polarized beams having mutually orthogonal polarization planes into circularly polarized beams in which polarization axes rotate in opposite directions. The circularly polarized beams rotated in opposite directions by the λ / 4 wavelength portion 146 travel to the sensing optical fiber 150 wrapped around the wire 10. The reflector 160 is formed at the end of the sensing optical fiber 150 to reflect the circularly polarized beams incident on the sensing optical fiber 150. Each of the reflected circularly polarized beams will rotate opposite to before reflection.

센싱 광섬유(150)를 진행하는 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 페러데이 효과에 의해서 전선에 흐르는 전류의 크기에 비례하는 위상차를 가진다. 즉, 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 반사부(175)에 의해서 반사되기 이전에 센싱 광섬유(150)를 진행하면서 위상차를 얻는다. 그리고, 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 반사부(175)에 의해서 반사된 후에도 센싱 광섬유(150)를 진행하면서 위상차를 얻는다. The circularly polarized beams rotating in opposite directions traveling through the sensing optical fiber 150 have a phase difference proportional to the magnitude of the current flowing through the wire by the Faraday effect. That is, the circularly polarized beams that rotate in opposite directions to obtain a phase difference while traveling through the sensing optical fiber 150 before being reflected by the reflector 175. In addition, the circularly polarized beams rotating in opposite directions acquire the phase difference while traveling through the sensing optical fiber 150 even after being reflected by the reflector 175.

센싱 광섬유(150)로부터 출력되는 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 비례하는 위상차(Phase difference)를 가지게 된다. 따라서, 본 발명의 광섬유 전류 센서(100)는 이 위상차(Phase difference)를 검출하여 전류의 크기를 측정할 수 있다. 센싱 광섬유(150)로부터 출력되는 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 λ/4 파장부(146)를 통과하면서 2개의 직교하는 직선 편광빔들로 변환된다. 하지만, 직교하는 직선 편광빔들이 센싱 광섬유(150)를 진행하면서 생긴 위상차는 유지될 것이다. The circularly polarized beams that rotate in opposite directions from the sensing optical fiber 150 have a phase difference that is proportional to the magnitude of the current flowing through the wire 10. Therefore, the optical fiber current sensor 100 of the present invention can measure the magnitude of the current by detecting this phase difference. The circularly polarized beams that rotate in opposite directions from the sensing optical fiber 150 are converted into two orthogonal linearly polarized beams while passing through the λ / 4 wavelength portion 146. However, the phase difference resulting from orthogonal linearly polarized beams traveling through the sensing optical fiber 150 will be maintained.

직교하는 직선 편광빔들은 이어서 광커플러(145)를 통해서 2개의 광경로로 분기된다. λ/2 파장부(143)를 통과하는 직교하는 직선 편광빔들은 편광면이 각각 90°회전한다. 반면, 위상 지연부(144)를 통과하는 직교하는 직선 편광빔들은 편광면의 회전없이 위상만 지연된다. Orthogonal linearly polarized beams then branch through the optical coupler 145 into two optical paths. Orthogonal linearly polarized beams passing through the [lambda] / 2 wavelength portion 143 rotate the polarization plane by 90 [deg.]. On the other hand, orthogonal linearly polarized beams passing through the phase delay unit 144 are delayed only in phase without rotation of the polarization plane.

결국, λ/2 파장부(143)와 위상 지연부(144)로부터 광커플러(142)에 전달되는 2쌍의 직선 편광빔들이 존재한다. 광커플러(142)에 의해 2쌍의 직선 편광빔들은 결합된다. 광커플러(142)에 의해 결합된 2쌍의 직선 편광빔들은 편광자(141)를 통과한다. 편광자(141)를 통과하는 2쌍의 직선 편광빔들 중에서 편광자의 투과축과 평행한 2개의 직선 편광빔만이 투과될 것이다. As a result, there are two pairs of linearly polarized beams transmitted from the λ / 2 wavelength portion 143 and the phase delay portion 144 to the optocoupler 142. Two pairs of linearly polarized beams are combined by the optocoupler 142. Two pairs of linearly polarized beams coupled by the optocoupler 142 pass through the polarizer 141. Of the two pairs of linearly polarized beams passing through the polarizer 141, only two linearly polarized beams parallel to the transmission axis of the polarizer will be transmitted.

편광자(141)를 투과한 2개의 직선 편광빔들은 상호 간섭을 일으킨다. 왜냐하면, 편광자(141)를 투과한 2개의 직선 편광빔들은 평행한 편광면을 가졌기 때문이다. 간섭된 2개의 직선 편광빔들은 다시 광커플러(135)에 의해 분기된다. 광커플러(135)에 의해 분기된 2개의 직선 편광빔들 중 광아이솔레이터(130) 측으로 전달되는 직선 편광빔들은 차단된다. 하지만, 광검출기(170)로 전달되는 간섭된 2개의 직선 편광빔들은 광검출기(170)에 의해서 전기적 신호인 검출 신호(DTC)로 전환된다. Two linearly polarized beams passing through the polarizer 141 cause mutual interference. This is because the two linearly polarized beams passing through the polarizer 141 have parallel polarization planes. The two interfering linearly polarized beams are again diverged by the optocoupler 135. The linearly polarized beams transmitted to the optical isolator 130 side of the two linearly polarized beams branched by the optocoupler 135 are blocked. However, the two interfering linearly polarized beams transmitted to the photodetector 170 are converted by the photodetector 170 into a detection signal DTC, which is an electrical signal.

신호 처리부(180)는 검출 신호(DTC)를 처리하여 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 대응하는 출력으로 변환한다. 전기적 신호에 해당하는 검출 신호(DTC)로부터 전선(10)에 흐르는 전류의 크기를 구하는 신호 처리부(180)의 상세한 구성은 후술하는 도 2 및 도 3에서 설명하기로 한다. The signal processor 180 processes the detection signal DTC and converts the detected signal DTC into an output corresponding to the magnitude of the current flowing in the wire 10. A detailed configuration of the signal processing unit 180 for obtaining the magnitude of the current flowing through the wire 10 from the detection signal DTC corresponding to the electrical signal will be described with reference to FIGS. 2 and 3 to be described later.

이상에서 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전류 센서(100)는 광위상 변조기를 추가하지 않고도 입사시킨 상호 직교하는 편광면을 가지는 광들의 위상차를 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전류 센서(100)는 제조 공정이 간단하고, 성능 재현성의 양호하다. The optical fiber current sensor 100 according to the embodiment of the present invention described above can detect the phase difference of light having mutually orthogonal polarization planes incident without adding an optical phase modulator. Therefore, the optical fiber current sensor 100 according to the embodiment of the present invention has a simple manufacturing process and good performance reproducibility.

도 2는 도 1의 신호 처리부(180)의 제 1 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 제 1 실시 예에 따른 신호 처리부(180a)는 혼합기들(210, 215, 240, 245), 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225), 제 1 및 제 2 미분기(230, 235), 차동 증폭기(250) 그리고 적분기(260)를 포함한다. 2 is a block diagram illustrating a first embodiment of the signal processor 180 of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the signal processor 180a according to the first embodiment may include mixers 210, 215, 240, and 245, first and second low pass filters 220 and 225, and first and second differentiators ( 230, 235, differential amplifier 250, and integrator 260.

먼저, 광검출기(170)에 의해서 제공되는 검출 신호(DCT)는 간섭된 2개의 직선 편광빔들에 의해서 생성되는 광전류와 같은 전기적 신호로 제공된다. 따라서, 검출 신호(DCT)는 반송 주파수(fc)에 해당하는 기본파와 반송 주파수(fc)의 정수 배의 주파수를 갖는 고조파(Harmonics) 성분을 포함한다. First, the detection signal DCT provided by the photodetector 170 is provided as an electrical signal such as a photocurrent generated by two interfering linearly polarized beams. Accordingly, the detection signal DCT includes a harmonic component having a fundamental wave corresponding to the carrier frequency fc and an integer multiple of the carrier frequency fc.

검출 신호(DCT)는 두 갈래로 분기된다. 분기된 하나의 검출 신호(DCT)는 제 1 혼합기(210)에 제공되어 변조 신호(OSC)와 믹싱된다. 분기된 다른 하나의 검출 신호(DCT)는 제 2 혼합기(215)에 제공되어 변조 신호(OSC)와 믹싱된다. 제 1 혼합기(210)에 의해서 변조 신호(OSC)와 검출 신호(DCT)의 기본파가 곱셈 변조된다. 제 2 혼합기(215)에 의해서는 변조 신호(OSC)의 제 2 고조파와 검출 신호(DCT)가 곱셈 변조된다. The detection signal DCT is bifurcated. One branched detection signal DCT is provided to the first mixer 210 and mixed with the modulation signal OSC. The other branched detection signal DCT is provided to the second mixer 215 and mixed with the modulation signal OSC. The first mixer 210 multiplies the fundamental wave of the modulation signal OSC and the detection signal DCT. The second mixer 215 multiplies the second harmonic of the modulation signal OSC and the detection signal DCT.

제 1 및 제 2 혼합기(210, 215)의 출력은 다시 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225)에 각각 제공된다. 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225) 각각에 의해서 필터링된 신호는 상호 직각 위상을 가지게 된다. 즉, 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225)의 출력 각각은 어느 하나의 성분이 최대일 때, 다른 하나의 성분은 최소가 된다. 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225)의 출력은 다시 제 1 및 제 2 미분기(230, 235)로 전달된다. 그리고 제 1 및 제 2 미분기(230, 235)의 출력과 제 1 및 제 2 저역 필터(220, 225)에 의해서 필터링된 신호는 제 3 및 제 4 혼합기(240, 245)에 의해서 교차 믹싱된다. 제 3 및 제 4 혼합기(240, 245)의 출력은 차동 증폭기(250)에 제공되고, 차동 증폭기(250)에 의해서 증폭된 신호는 적분기(260)에 의해서 적분된다. 적분기(260)의 출력은 페러데이 효과에 의해서 발생한 직교 광신호들의 위상차에 대응하는 값으로 제공된다. 적분기(260)의 출력을 이용하여 전선(10)에 흐르는 전류의 크기를 계산할 수 있을 것이다.The outputs of the first and second mixers 210, 215 are again provided to the first and second low pass filters 220, 225, respectively. The signals filtered by each of the first and second low pass filters 220, 225 have mutually perpendicular phases. That is, each of the outputs of the first and second low pass filters 220, 225 has a minimum when one component is maximum and the other component is minimum. The outputs of the first and second low pass filters 220, 225 are passed back to the first and second differentiators 230, 235. The outputs of the first and second differentiators 230, 235 and the signals filtered by the first and second low pass filters 220, 225 are cross mixed by the third and fourth mixers 240, 245. The outputs of the third and fourth mixers 240, 245 are provided to the differential amplifier 250, and the signals amplified by the differential amplifier 250 are integrated by the integrator 260. The output of the integrator 260 is provided with a value corresponding to the phase difference of the orthogonal optical signals generated by the Faraday effect. The output of the integrator 260 may be used to calculate the magnitude of the current flowing in the wire 10.

도 3은 도 1의 신호 처리부(180)의 제 2 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 제 2 실시 예에 따른 신호 처리부(180b)는 혼합기들(310, 315), 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325) 그리고 마이크로 프로세서(330)를 포함한다. 3 is a block diagram illustrating a second embodiment of the signal processor 180 of FIG. 1. Referring to FIG. 3, the signal processor 180b according to the second embodiment includes mixers 310 and 315, first and second low pass filters 320 and 325, and a microprocessor 330.

광검출기(170)에 의해서 제공되는 검출 신호(DCT)는 간섭된 2개의 직선 편광빔들에 의해서 생성되는 광전류와 같은 전기적 신호로 제공된다. 따라서, 검출 신호(DCT)는 반송 주파수(fc)에 해당하는 기본파와 반송 주파수(fc)의 정수 배의 주파수를 갖는 고조파(Harmonics) 성분을 포함한다. The detection signal DCT provided by the photodetector 170 is provided as an electrical signal such as a photocurrent generated by two interfering linearly polarized beams. Accordingly, the detection signal DCT includes a harmonic component having a fundamental wave corresponding to the carrier frequency fc and an integer multiple of the carrier frequency fc.

검출 신호(DCT)는 두 갈래로 분기된다. 분기된 하나의 검출 신호(DCT)는 제 1 혼합기(310)에 제공되어 변조 신호(OSC)와 믹싱된다. 분기된 다른 하나의 검출 신호(DCT)는 제 2 혼합기(315)에 제공되어 변조 신호(OSC)와 믹싱된다. 제 1 혼합기(310)에 의해서 변조 신호(OSC)와 검출 신호(DCT)의 기본파가 곱셈 변조된다. 제 2 혼합기(315)에 의해서는 변조 신호(OSC)의 제 2 고조파와 검출 신호(DCT)가 곱셈 변조된다. The detection signal DCT is bifurcated. One branched detection signal DCT is provided to the first mixer 310 and mixed with the modulation signal OSC. The other branched detection signal DCT is provided to the second mixer 315 and mixed with the modulation signal OSC. The first mixer 310 multiplies the fundamental wave of the modulation signal OSC and the detection signal DCT. The second mixer 315 multiplies the second harmonic of the modulation signal OSC and the detection signal DCT.

제 1 및 제 2 혼합기(310, 315)의 출력은 다시 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325)에 각각 제공된다. 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325) 각각에 의해서 필터링된 신호는 상호 직각 위상을 가지게 된다. 즉, 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325)의 출력 각각은 어느 하나의 성분이 최대일 때, 다른 하나의 성분은 최소가 된다. 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325)의 출력들 각각은 마이크로 프로세서(330)에 입력된다. The outputs of the first and second mixers 310, 315 are again provided to the first and second low pass filters 320, 325, respectively. The signals filtered by each of the first and second low pass filters 320 and 325 have mutually perpendicular phases. That is, each of the outputs of the first and second low pass filters 320, 325 has a minimum when one component is maximum and the other component is minimum. Each of the outputs of the first and second low pass filters 320, 325 is input to the microprocessor 330.

마이크로 프로세서(330)는 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325)의 출력들 각각의 위상차의 크기를 수치화하는 연산을 수행할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 프로세서(330)는 각각의 신호들의 크기를 나누어 탄젠트(Tangent) 값을 얻을 수 있다. 마이크로 프로세서(330)는 탄젠트 값에 대한 아크 탄젠트(Arc tangent) 값을 취함으로써 제 1 및 제 2 저역 필터(320, 325)의 출력들에 대한 상호 위상차를 수치적으로 맵핑할 수 있다. 마이크로 프로세서(330)의 출력은 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 대응하게 된다. The microprocessor 330 may perform an operation for quantifying the magnitude of the phase difference of each of the outputs of the first and second low pass filters 320 and 325. For example, the microprocessor 330 may obtain a tangent value by dividing the magnitude of each signal. The microprocessor 330 may numerically map the mutual phase difference for the outputs of the first and second low pass filters 320, 325 by taking an arc tangent value with respect to the tangent value. The output of the microprocessor 330 corresponds to the magnitude of the current flowing through the wire 10.

도 4는 본 발명의 광섬유 전류 센서의 센싱 방법을 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 전류 센싱 절차는 광원에 의해서 입사광을 생성하는 것으로부터 시작된다. 4 is a flowchart illustrating a sensing method of the optical fiber current sensor of the present invention. Referring to Figure 4, the current sensing procedure of the present invention begins with the generation of incident light by a light source.

단계 S110에서, 변조부(110)에서 생성된 변조 신호(OSC)에 의해서 광원(120)은 반송 주파수(fc)를 갖는 입사광을 출력한다. In step S110, the light source 120 outputs incident light having the carrier frequency fc by the modulation signal OSC generated by the modulator 110.

단계 S120에서, 무편광 빔인 입사광은 편광면이 직교하는 2개의 직선 편광빔들로 분리된다. 즉, 입사광은 편광자(141)에 의해서 편광빔으로 변환된다. 그리고 입사광은 광커플러(142), λ/2 파장부(143) 및 위상 지연부(144), 광커플러(145)에 의해서 편광면이 직교하는 2개의 직선 편광빔들로 변환된다. In step S120, the incident light which is the unpolarized beam is separated into two linearly polarized beams of which the polarization planes are orthogonal. That is, the incident light is converted into the polarized beam by the polarizer 141. Incident light is converted into two linearly polarized beams of which the polarization plane is orthogonal by the optical coupler 142, the λ / 2 wavelength unit 143, the phase delay unit 144, and the optical coupler 145.

단계 S130에서, 편광면이 직교하는 2개의 직선 편광빔들은 λ/4 파장부(146)을 투과하면서 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들로 변환된다. 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 센싱 광섬유(150)로 입사된다.In step S130, the two linearly polarized beams of which the polarization planes are orthogonal are converted into circularly polarized beams which rotate in opposite directions while transmitting the λ / 4 wavelength portion 146. The circularly polarized beams rotating in opposite directions are incident to the sensing optical fiber 150.

단계 S140에서, 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 종단면에 반사부(160)가 형성되는 센싱 광섬유(150)에 입사되고, 반사부(160)에 의해서 반사된다. 반사에 의해서 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들 각각의 회전 방향은 역전된다. 반사 이전에, 센싱 광섬유(150)를 진행하는 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들 각각은 위상차를 가지게 된다. 왜냐하면, 전선(10)에 흐르는 전류에 의해서 발생하는 페러데이 효과 때문이다. 또한, 반사 이후에도 센싱 광섬유(150)를 진행하는 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들은 페러데이 효과에 의한 위상차를 추가적으로 갖게 된다. 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들의 위상차는 전선(10)에 흐르는 전류의 크기에 비례한다.In operation S140, the circularly polarized beams that rotate in opposite directions are incident on the sensing optical fiber 150 in which the reflector 160 is formed in the longitudinal cross-section, and is reflected by the reflector 160. The direction of rotation of each of the circularly polarized beams rotating in opposite directions by reflection is reversed. Prior to reflection, each of the circularly polarized beams rotating in opposite directions traveling through the sensing optical fiber 150 has a phase difference. This is because of the Faraday effect caused by the current flowing through the wire 10. Further, even after reflection, the circularly polarized beams that rotate in opposite directions traveling through the sensing optical fiber 150 further have a phase difference due to the Faraday effect. The phase difference of the circularly polarized beams rotating in opposite directions is proportional to the magnitude of the current flowing through the wire 10.

단계 S150에서, 반사된 서로 반대 방향으로 회전하는 원 편광빔들이 다시 편광빔 처리부(140)로 전달되면, 원 편광빔들은 위상 지연에 의해서 각각 상호 직교하는 편광면을 가지는 2쌍의 직선 편광빔들로 변환된다. In step S150, when the reflected circularly polarized beams rotating in opposite directions are transmitted to the polarization beam processing unit 140, the circularly polarized beams have two pairs of linearly polarized beams each having polarization planes orthogonal to each other by phase delay. Is converted to.

단계 S160에서, 2쌍의 직선 편광빔들은 편광자(141)에 의해서 평행한 편광면을 가지는 직선 편광빔들로 필터링된다. In step S160, the two pairs of linearly polarized beams are filtered by the polarizer 141 into linearly polarized beams having parallel polarization planes.

단계 S170에서, 평행한 편광면을 가지는 직선 편광빔들은 상호 간섭을 일으키고, 간섭된 평행한 편광면을 가지는 직선 편광빔들은 광검출기(170)에 의해서 전기적 신호로 변환된다. In step S170, the linearly polarized beams having parallel polarization planes cause mutual interference, and the linearly polarized beams having interfered parallel polarization planes are converted into electrical signals by the photodetector 170.

단계 S180에서, 광검출기(170)로부터 제공되는 전기적 신호는 복조되어 센싱 광섬유(150)에서 발생한 위상차에 대응하는 값으로 출력된다. 위상차의 크기를 참조하여 전선(10)에 흐르는 전류의 크기가 결정될 수 있다.In operation S180, the electrical signal provided from the photodetector 170 is demodulated and output as a value corresponding to the phase difference generated in the sensing optical fiber 150. The magnitude of the current flowing through the wire 10 may be determined by referring to the magnitude of the phase difference.

본 발명의 전류 센싱 방법에 따르면, 센싱 광섬유를 진행하는 서로 다른 방향으로 회전하는 원 편광빔들의 위상차를 측정하여 전류의 크기를 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전류 센싱 방법에 따르면, 페러데이 효과에 의하여 발생하는 자계의 영향을 측정하기 위한 위상 변조기를 사용할 필요가 없다. 즉, 본 발명에 따른 전류 센싱 방법은 간단하고 용이한 제조 및 설정이 가능한 전류 센서를 제공할 수 있다. According to the current sensing method of the present invention, the magnitude of the current can be determined by measuring the phase difference of the circularly polarized beams rotating in different directions through the sensing optical fiber. Therefore, according to the current sensing method according to the present invention, it is not necessary to use a phase modulator for measuring the influence of the magnetic field generated by the Faraday effect. That is, the current sensing method according to the present invention may provide a current sensor that is simple and easy to manufacture and set.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, an optimal embodiment has been disclosed in the drawings and specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 전선
100 : 광섬유 전류 센서
110 : 변조부
120 : 광원
130 : 광아이솔레이터
135, 142, 145 : 광커플러
140: 편광빔 처리부
141 : 편광자
143 : λ/2 파장부
144 : 위상 지연기
146 : λ/4 파장부
150 : 센싱 광섬유
160 : 반사부
170 : 광검출기
180 : 신호 처리부
210, 215, 240, 245, 310, 315 : 혼합기
220, 225, 320, 325: 저역 필터
230, 235 : 미분기
250 : 차동 증폭기
260 : 적분기
330 : 마이크로 프로세서10: wire
100: fiber optic current sensor
110: modulator
120: light source
130: optical isolator
135, 142, 145: Optocouplers
140: polarization beam processing unit
141: polarizer
143: lambda / 2 wavelength portion
144: phase delay
146: lambda / 4 wavelength portion
150: sensing optical fiber
160: reflector
170: photodetector
180: signal processing unit
210, 215, 240, 245, 310, 315: mixer
220, 225, 320, 325: low pass filter
230, 235: Differential
250: differential amplifier
260: integrator
330: Microprocessor

Claims

전선에 흐르는 전류의 크기를 측정하기 위한 광섬유 전류 센서에 있어서:
생성된 광을 반송 주파수로 변조하여 입력광으로 제공하는 광생성부;
상기 입력광을 서로 반대 방향으로 회전하는 제 1 원 편광빔 및 제 2 원 편광빔으로 변환하는 편광빔 처리부;
상기 편광빔 처리부로부터 입사되는 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔이 왕복하여 진행하며, 상기 전류에 의한 페러데이 효과에 따라 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔 간의 위상차를 제공하는 센싱 광섬유;
상기 편광빔 처리부에 광학적으로 연결되며, 상기 센싱 광섬유의 종단에서 반사되는 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔이 편광빔 처리부에 의하여 평행한 편광면을 가지는 직선 편광빔들로 필터링되면, 필터링된 상기 직선 편광빔들의 간섭 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기; 그리고
상기 전기적 신호를 참조하여 상기 전선에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 신호 처리부를 포함하는 광섬유 전류 센서. In a fiber optic current sensor to measure the magnitude of the current through a wire:
A light generation unit modulating the generated light at a carrier frequency to provide the input light as an input light;
A polarization beam processor for converting the input light into a first circularly polarized beam and a second circularly polarized beam which rotate in opposite directions;
The first circularly polarized beam and the second circularly polarized beam which are incident from the polarizing beam processor are reciprocated, and the phase difference between the first circularly polarized beam and the second circularly polarized beam is changed according to the Faraday effect caused by the current. Providing sensing optical fiber;
When the first circularly polarized beam and the second circularly polarized beam that are optically connected to the polarizing beam processing unit and reflected at the end of the sensing optical fiber are filtered by linearly polarized beams having a parallel polarization plane by the polarizing beam processing unit A photodetector for receiving the filtered optical signals of the linearly polarized beams and converting the optical signals into electrical signals; And
And a signal processor configured to calculate a magnitude of current flowing through the wire by referring to the electrical signal.

제 1 항에 있어서,
상기 광생성부는 상기 광을 생성하는 광원; 및
상기 생성된 광을 반송 주파수(fc)를 갖는 상기 입사광으로 변조하기 위한 변조 신호를 제공하는 변조부를 포함하는 광섬유 전류 센서. The method of claim 1,
The light generating unit includes a light source for generating the light; And
And a modulator configured to provide a modulated signal for modulating the generated light into the incident light having a carrier frequency fc.

제 2 항에 있어서,
상기 광생성부는 상기 입사광을 상기 편광빔 처리부로 제공하기 위한 광아이솔레이터를 포함하는 광섬유 전류 센서.The method of claim 2,
The optical generation unit includes an optical isolator for providing the incident light to the polarization beam processing unit.

제 1 항에 있어서,
상기 편광빔 처리부는,
상기 입력광을 직선 편광빔으로 변환하기 위한 편광자;
상기 직선 편광빔을 제 1 광로 및 제 2 광로로 분기하는 제 1 광커플러;
상기 제 1 광로 상에 위치하며, 상기 직선 편광빔의 편광면을 90°회전시키는 반파장판;
상기 제 2 광로 상에 위치하며, 상기 직선 편광빔을 편광면의 회전없이 지연하는 위상 지연부;
제 1 광로와 상기 제 2 광로를 결합하되, 상기 90°회전된 편광면을 갖는 직선 편광빔과 상기 편광면의 회전없이 지연된 직선 편광빔을 결합하는 제 2 광커플러;
상기 제 2 광커플러와 상기 센싱 광섬유 사이에 연결되며, 상기 90°회전된 편광면을 갖는 직선 편광빔과 상기 편광면의 회전없이 지연된 직선 편광빔을 각각 반대방향으로 회전하는 상기 제 1 원 편광빔 및 상기 제 2 원 편광빔으로 필터링하는 사분의 일 파장판을 포함하는 광섬유 전류 센서. The method of claim 1,
The polarizing beam processing unit,
A polarizer for converting the input light into a linearly polarized beam;
A first optical coupler for splitting the linearly polarized beam into a first optical path and a second optical path;
A half-wave plate positioned on the first optical path and rotating a polarization plane of the linearly polarized beam by 90 °;
A phase delay unit positioned on the second optical path and delaying the linearly polarized beam without rotation of the polarization plane;
A second optical coupler coupling a first optical path and the second optical path, the second optical coupler coupling a linearly polarized beam having the 90 ° rotated polarization plane and a delayed linearly polarized beam without rotation of the polarized plane;
A first circularly polarized beam connected between the second optical coupler and the sensing optical fiber and rotating the linearly polarized beam having the 90 ° polarized plane and the delayed linearly polarized beam without rotation of the polarized plane, respectively; And a quarter wave plate filtering with the second circularly polarized beam.

제 4 항에 있어서,
상기 사분의 일 파장판은 센싱 광섬유로부터 반사되어 출력되는 상기 제 1 및 제 2 원 편광빔들을 각각 제 1 및 제 2 직선 편광빔들로 변환하는 광섬유 전류 센서. The method of claim 4, wherein
The quarter wave plate converts the first and second circularly polarized beams reflected from the sensing optical fiber into first and second linearly polarized beams, respectively.

제 5 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 직선 편광빔들은 상기 제 2 광커플러, 상기 반파장판, 상기 위상 지연부, 그리고 상기 제 1 광커플러를 진행하면서 각각 직교하는 편광면을 가지는 2쌍의 직선 편광빔들로 필터링되는 광섬유 전류 센서. The method of claim 5, wherein
The first and second linearly polarized beams are filtered into two pairs of linearly polarized beams each having a polarization plane orthogonal to each other while traveling through the second optical coupler, the half-wave plate, the phase delay unit, and the first optical coupler. Optical fiber current sensor.

제 6 항에 있어서,
상기 편광자는 상기 2쌍의 직선 편광빔들 중 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔을 선택하여 상기 광검출기로 출력하는 광섬유 전류 센서. The method according to claim 6,
Wherein the polarizer selects two linearly polarized beams having parallel polarization planes among the two pairs of linearly polarized beams and outputs them to the photodetector.

제 7 항에 있어서,
상기 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔은 상호 간섭되고 상기 간섭 광신호로 상기 광검출기에 제공되는 광섬유 전류 센서.The method of claim 7, wherein
And two linearly polarized beams having the parallel polarization planes interfer with each other and provided to the photodetector as the interfering optical signal.

제 1 항에 있어서,
상기 광생성부와 상기 편광빔 처리부 사이에는 상기 입력광을 상기 편광빔 처리부로 전달하고, 상기 편광빔 처리부로부터 상기 간섭 광신호를 상기 광검출기로 전달하기 위한 제 3 광커플러를 더 포함하는 광섬유 전류 센서.The method of claim 1,
The optical fiber current further includes a third optical coupler between the light generating unit and the polarizing beam processing unit for transferring the input light to the polarizing beam processing unit and transferring the interference optical signal from the polarizing beam processing unit to the photodetector. sensor.

제 1 항에 있어서,
상기 신호 처리부는,
상기 전기적 신호를 상기 반송 주파수와 상기 반송 주파수의 제 2 고조파에 동기시켜 변조시키는 제 1 및 제 2 혼합기;
상기 제 1 및 제 2 혼합기의 출력을 각각 필터링하는 제 1 및 제 2 저역 필터;
상기 제 1 및 제 2 저역 필터의 출력을 각각 미분하는 제 1 및 제 2 미분기;
상기 제 1 및 제 2 미분기 각각의 출력을 상기 제 1 및 제 2 저역 필터 각각의 출력과 교차 곱셈 변조하는 제 3 및 제 4 혼합기;
상기 제 3 및 제 4 혼합기의 출력을 차동 증폭하는 차동 증폭기; 그리고
상기 차동 증폭기의 출력을 적분하는 적분기를 포함하는 광섬유 전류 센서.The method of claim 1,
The signal processing unit,
First and second mixers for modulating the electrical signal in synchronization with the carrier frequency and a second harmonic of the carrier frequency;
First and second low pass filters for filtering outputs of the first and second mixers, respectively;
First and second differentiators for differentiating the outputs of the first and second low pass filters, respectively;
Third and fourth mixers cross-modulating the output of each of the first and second differentiators with the output of each of the first and second lowpass filters;
A differential amplifier for differentially amplifying the outputs of the third and fourth mixers; And
And an integrator integrating the output of said differential amplifier.

제 1 항에 있어서,
상기 신호 처리부는,
상기 전기적 신호를 상기 반송 주파수와 상기 반송 주파수의 제 2 고조파에 동기시켜 변조시키는 제 1 및 제 2 혼합기;
상기 제 1 및 제 2 혼합기의 출력을 각각 필터링하는 제 1 및 제 2 저역 필터; 그리고
상기 제 1 및 제 2 저역 필터의 출력을 나누고 아크 탄젠트(Arc tangent) 값을 계산하여 출력하는 마이크로 프로세서를 포함하는 광섬유 전류 센서. The method of claim 1,
The signal processing unit,
First and second mixers for modulating the electrical signal in synchronization with the carrier frequency and a second harmonic of the carrier frequency;
First and second low pass filters for filtering outputs of the first and second mixers, respectively; And
And a microprocessor dividing an output of the first and second low pass filters and calculating and outputting an arc tangent value.

전선에 흐르는 전류 센싱 방법에 있어서:
광원으로터 생성된 광을 반송 주파수로 변조하여 입력광을 생성하는 단계;
상기 입력광을 편광면이 직교하는 2개의 직선 편광빔들로 변환하는 단계;
상기 2개의 직선 편광빔들을 서로 반대 방향으로 회전하는 2개의 원 편광빔으로 변환하는 단계;
상기 2개의 원 편광빔을 상기 전선의 주위에 위치하는 센싱 광섬유에 입사시켜 페러데이 효과에 의하여 발생하는 위상차를 획득하는 단계;
상기 위상차를 측정하기 위하여 상기 2개의 원 편광빔을 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔들로 필터링하는 단계;
상기 평행한 편광면을 가지는 2개의 직선 편광빔들의 간섭에 의해서 생성되는 출력광을 전기적인 신호로 검출하는 단계; 그리고
상기 전기적인 신호를 처리하여 상기 전선에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함하는 전류 센싱 방법.

In the current sensing method flowing in the wire:
Modulating the light generated by the light source to a carrier frequency to generate input light;
Converting the input light into two linearly polarized beams orthogonal to each other;
Converting the two linearly polarized beams into two circularly polarized beams rotating in opposite directions;
Injecting the two circularly polarized beams into a sensing optical fiber positioned around the wire to obtain a phase difference generated by the Faraday effect;
Filtering the two circularly polarized beams into two linearly polarized beams having parallel polarization planes to measure the phase difference;
Detecting the output light generated by the interference of two linearly polarized beams having the parallel polarization plane as an electrical signal; And
Processing the electrical signal to calculate a magnitude of current flowing through the wire.