KR20170141150A - 광섬유 전류 센서 시스템 - Google Patents

광섬유 전류 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

광섬유 방식의 전류 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 광신호를 출사하는 광원부, 상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부 및 상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며, 상기 광섬유는 하나의 제1 원소를 중심으로 4개의 제2 원소가 일정한 제1 결합각을 가지고 형성하는 사면체의 연속으로 구성되며, 상기 사면체 중 적어도 하나는 4개의 제2 원소 중 어느 하나가 이탈되어 하나의 제1 원소 및 3개의 제2 원소로 구성된다.

Description

광섬유 전류 센서 시스템{a optic-fiber current sensor system}
본 발명은 전광식 광섬유 전류 센서에 적용되는 기술에 관한 것으로, Magneto-optic (Faraday effect)을 기반으로 하는 전류 센서에서의 센싱 정확성 및 외부 온도 및 진동에 따른 보상 기술에 관한 것이다.
전류 센서는 전류를 측정, 감지, 판별하여 신호를 생성하는 장치이다. 전류 센서는 철심 및 권선으로 구성되어 Hall 효과를 이용하는 전자계식 방식의 변류기를 센서로 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 전자계 방식의 전류 센서는 측정 범위가 작고, 전류 용량에 대한 사용의 한계가 있다. 그리고, 전자계 방식의 전류 센서는 외부 자기 및 고 전류에서의 환경 의존도가 커 실용성이 낮은 문제가 있으며, 고주파 생성으로 인한 발열 특성으로 열적 안정 확보의 필요성이 크다. 또한, 고 전류 전자계 센서는 규모가 매우 크며 무거운 단점이 있다.
상술한 전자계 방식 전류 센서의 단점을 보완하기 위해 광섬유형 전류 센서 기술이 대두되고 있다. 광섬유 방식의 전류 센서는 광섬유를 측정 대상에 감아 Faraday 효과를 사용하여 전류를 검출하는 방식을 사용한다. 광섬유형 전류 센서는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 우수한 정밀도를 나타낸다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 헌팅현상, 측정 범위 및 전류용량의 한계를 극복할 수 있다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 빠른 응답 특성을 가지며 전력 소비량이 적은 장점이 있다.
본 발명에서는 외부 환경에 따른 센싱 신호의 왜곡을 최소화 하는 광섬유를 포함하는 전류 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
광섬유 방식의 전류 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 광신호를 출사하는 광원부, 상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부 및 상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력 받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며, 상기 광섬유는 하나의 제1 원소를 중심으로 4개의 제2 원소가 일정한 제1 결합각을 가지고 형성하는 사면체의 연속으로 구성되며, 상기 사면체 중 적어도 하나는 4개의 제2 원소 중 어느 하나가 이탈되어 하나의 제1 원소 및 3개의 제2 원소로 구성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 외부 환경에 따른 센싱 신호의 왜곡을 최소화 할 수 있다.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 2는 광섬유의 일 구성요소가 방사선 조사에 의한 변형된 것을 나타낸다.
도 3은 광섬유 내 사면체 구조의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 방사선 조사에 따른 photo-elastic 상수와 전류 민감도 측정을 시뮬레이션한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.
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.
일반적인 전광식 광섬유 전류 센서 시스템의 경우, 광섬유 기반의 센싱 프로브의 외부 온도 및 진동에 따른 측정 신호의 외곡 및 신뢰성의 문제가 존재하며 이를 해결하기 위해 다양한 방법이 적용되고 있다.
특히, 이러한 광섬유 전류 센서에서 발생하는 문제의 핵심 원인은 센싱 광섬유 선형복굴절 때문이며, 이러한 선형복굴절을 최소화하기 위해 충분한 크기의 원형복굴절을 유도하여 상대적인 선형복굴절에 의한 두 편광 모드간의 위상변화를 억제하는 방식들이 소개 되었다.
이러한 선형 복굴절의 발생 원인은 광섬유 코어의 비대칭성, 외부 밴딩, 진동, 스트레인, 스트레스, 온도 등 외부 환경의 변화에 의해 기인한다, 일 원인인 광섬유 코어의 비대칭성의 경우, 광섬유 축에 따라 선형적인 굴절률 차이가 존재하여 발생한다. 또한, 일 원인인 외부 밴딩의 경우 자기 광학 효과를 위해 도선의 주위에 자기장과 같은 방향으로 광섬유를 감을 시, 구부림에 의해 선형복굴절이 발생한다. 이때 발생하는 선형복굴적은 이상적인 Faraday 소자가 가져야 하는 원형 편광이 아닌, 선형+원형으로 존재하게 된다. 또한, 일 원인인 외부 환경의 변화의 경우 Faraday소자의 선형복굴절 값이 Stress-optic 효과에 의해 변화하는 것이 주 원인이다.
이를 해결하기 위해 일반적으로 Faraday 회전각 증대, 시스템 제어를 통한 Birefringence bias 제어, 보정 기술 적용, 광섬유 열처리를 통한 광섬유 내부 잔류 응력 제거, Flint 광섬유와 같이 Pb를 광섬유 코어 영역내에 고용하여 Low stress-optic coefficient 광섬유 적용, Twisted 또는 Spun high-birefringence 광섬유 적용, 선형복굴절에 의한 광파워 및 센싱 감도의 변화보다 더 큰 수치의 원형복굴절을 유도할 수 있는 보상 회로 시스템 구현 기술이 사용된다.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.
일반적으로 반사 거울을 이용하는 전류 센서 시스템은 반사형 센서 코일 기반의 광회로 구성법으로 광섬유 끝단에 반사 거울을 장착하여 반사된 빛이 역방향으로 진행하면서 순방향에서 얻은 원형복구절의 영향과 정반대의 영향을 받게 된다. 결국 반사 거울에 의해 반사되어 역방향으로 진행하는 빛에 의해 원형복굴절에 의한 영향이 상쇄되고 Faraday 효과에 의한 회전은 그 방향이 동일하므로 회전의 정도가 배가되는 효과가 있다.
하지만, 단순 반사 거울을 이용하면 선형복굴절이 역방향으로 진행하는 경우에도 상쇄되지 않고 축적되어 선형복굴절의 영향이 존재하는 문제가 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, Faraday rotating mirror (FRM)을 사용하여 역방향으로 진행하는 빛의 x, y축 성분이 뒤바뀌게 하여 결국 출력단의 두 성분은 동일한 양의 선형복굴절을 겪게 되므로 선형복굴절의 영향을 최소화 할 수 있다.
이하에서는 광섬유를 이용하는 전류 센서 시스템에서 센싱 신호의 왜곡을 발생시키는 선형복굴절에 의한 영향을 최소화 하기 위한 본 발명의 일 실시 예를 설명한다.
도 2는 광섬유의 일 구성요소가 방사선 조사에 의한 변형된 것을 나타낸다.
도 2는 구체적으로 광섬유의 일 구성요소인 링 구조를 갖는 실리카 유리의 변형을 나타낸다. 도 2에서 점선은 링 구조의 실리카 유리의 변형 전을, 실선은 변형 후를 나타낸다. P는 외부로부터의 외력을 의미한다.
광섬유 전류 센서 시스템의 개발에서 센싱의 정확도를 저해시키는 선형복굴절에 따른 센싱 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 낮은 stress-optic coefficient를 갖는 광섬유를 개발하는 연구가 이미 수행되어 왔다. 예를 들어, Flint 광섬유와 같이 광섬유 코어 영역 내에 Pb를 함유시켜 Photo-elastic 상수 값이 낮은 광섬유를 제조하는 방식이 있을 수 있다.
이에 본 발명에서는 또 다른 방법으로 전류 센서용 광섬유의 Photo-elastic 상수를 낮게 하기 위해 레이저 및 감마선 등의 조사를 통해 이를 구현하는 방법을 설명한다.
일반적으로 Photo-elastic 상수는 단파장에서, 그리고 유리 기지내의 빈 공간(Vacant space)를 감소시키면 증대하는 경향이 있다. 광섬유의 중요한 구성요소인 SiO2 유리에서 SiO2 구조는 6SiO4 사면체(tetrahedra)의 비-평면 링(nonplanar rings)로 구성되며, 이러한 링들 내에 빈 공간(Vacant space)가 존재한다.
따라서 도 2에서 도시된 바와 같이 외부에서 압축 응력을 가하는 경우 코너에 존재하는 산소에서의 결합각이 변화하고, 이러한 변화로 인해 응력이 가해진 방향으로 빈 공간(Vacant space)가 감소한다.
도 3은 광섬유 내 사면체 구조의 변화를 나타내는 도면이다.
도 2와 같이 외부에서 압축 응력이 존재하게 되면 코너에 존재하는 산소에서의 결합각이 변화하게 되고, 이러한 변화로 인해 응력이 가해진 방향으로 빈 공간(Vacant space)가 감소하게 되고 이로 인해 Photo-elastic 상수가 증대한다.
반대로 이러한 빈 공간(Vacant space)를 증대시키면 Photo-elastic 상수가 감소하게 되므로 선형복굴절에 따른 장애를 최소화할 수 있게 된다.
도 3은 광섬유를 구성하는 물질의 일 예로 SiO4를 개시하고 있으나, 본 발명은 광섬유를 구성하는 다른 물질에도 적용될 수 있다.
도 3(a)는 방사선이 조사되기 전 사면체 구조를, 도 3(b)는 방사선이 조사된 후 사면체 구조를 나타낸다. 여기에서 방사선은 감마선으로 이온화 방사선(알파선, 베타선, 감마선, 중성자선, 엑스선)을 통칭한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 방사선이 조사되기 전에는 실리콘를 중심으로 4개의 산소가 일정한 결합각을 가지고 사면체를 형성한다. 일반적인 Si04에 방사선(예를 들어 감마선)을 조사하는 경우, 산소와 실리콘의 결합에너지가 변화하여 산소가 이탈한다. 이때, 산소가 이탈한 자리에 defect(도 3의 color center)가 형성되면서 나머지 산소와 실리콘간의 결합 에너지가 증가한다. 결합 에너지의 증가는 구조를 축소시켜 6SiO4 사면체(tetrahedra)의 비-평면 링(nonplanar rings) 내부의 빈 공간(Vacant space)를 증가 시키고, 결과적으로 이로 인해 Photo-elastic 상수가 감소한다.
도 4는 방사선 조사에 따른 photo-elastic 상수와 전류 민감도 측정을 시뮬레이션한 결과이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유에 방사선을 조사하는 경우, photo-elastic 상수가 감소하고 전류 민감도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 실제적으로 특수 광섬유나 FRM, FPR 등을 사용하여 외란의 영향을 보상한다 하더라도 온도 변화에 대한 센서 출력의 변화는 피할 수 없다.
이를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템은 파장 폭이 큰 다중모드 광원이나 LED 등을 활용한다. 파장 폭이 큰 다중모드 광원의 각 파장성분들은 광섬유 내에서 서로 다른 굴절률을 갖게 되고 이에 따라 출력의 변화가 서로 상쇄되어 전체적으로는 각 파장성분 출력의 평균값만을 내게 되어 온도에 대한 민감도 변화를 어느 정도 억제할 수 있다.
앞서 언급한 내용과 같이 파장 폭이 넓은 광원인 LED 및 SLD 등의 광폭광원 활용 시, 낮은 광파워로 인한 문제점을 해결하기 위해 고출력 LED를 광원으로 활용함에 있어 서로 다른 파장의 광원을 결합시키는 방식인 다중 파장 광원 결합을 통한 전류 센서의 온도 보상 광회로를 구성하고자 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템(1)은 광원부(10), 제어부(20) 및 센싱부(30)을 포함할 수 있다.
광원부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 광원(laser diode)를 포함할 수 있다. 여기에서 복수의 광원들은 각각 서로 다른 파장의 광을 출사할 수 있다.
광원부(10)는 복수의 광원들로부터 출사된 다중 파장 광신호들을 결합하고 분할하기 위한 커플러인 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 및 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)을 더 포함할 수 있다. WDM 및 DWDM은 여러 파장 및 종류의 빛 신호를 하나의 광섬유에 삽입시켜 파장 폭을 넓게 하는 것을 목적으로 한다.
제어부(20)는 광원부(10)에서 출사된 광신호가 도체에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장에 의해 편광이 회전된 정도를 감지하고, 이를 계산하여 전류를 측정한다. 구체적으로 광원부(10)에서 출사된 광신호는 편광 필터를 통과하면서 선편광되며, 선편광된 광신호가 도체를 통과하면서 Faraday effect에 따라 자기장에 의해 편광이 회전한다.
센싱부(30)는 광섬유가 도체를 감는 형태로 제공되며, 광섬유 끝단에는 반사 미러가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센서 시스템(1)은 복수의 서로 다른 광원로부터 출사된 다중 파장 광신호가 DWDM을 통해 결합되며, 결합된 광신호는 센싱부(30)를 거쳐 제어부(20)에 입력된다. 이때, 파장 폭이 큰 다중 모드 광신호의 각 파장 성분들은 광섬유 내에서 서로 다른 굴절률을 갖게 되며, 서로 다른 굴절률로 인하여 출력의 변화가 서로 상쇄되어 전체적으로 각 파장성분 출력의 평균값만이 제어부(20)에 입력된다. 이때, 제어부(20)에 입력되는 파장성분 출력의 평균값은 온도에 대하여 상대적으로 민감하지 않아 제어부(20)는 신뢰성있는 전류값을 계산할 수 있다.

Claims (6)

  1. 광섬유형 전류 센서 시스템에 있어서,
    광신호를 출사하는 광원부;
    상기 광원부에서부터 이어진 광섬유가 측정 대상이 감긴 형상으로 제공되는 센싱부; 및
    상기 센싱부로부터 Faraday 효과에 의해 편광 회전된 광신호 출력을 입력 받아 전류값을 센싱하는 제어부를 포함하며,
    상기 광섬유는 하나의 제1 원소를 중심으로 4개의 제2 원소가 일정한 제1 결합각을 가지고 형성하는 사면체의 연속으로 구성되며,
    상기 사면체 중 적어도 하나는 4개의 제2 원소 중 어느 하나가 이탈되어 하나의 제1 원소 및 3개의 제2 원소로 구성되는
    전류 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 제2 원소 중 어느 하나는 방사선 노출에 의해 이탈되는
    전류 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 원소는 원소 반도체 중 어느 하나인
    전류 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 복수의 광원을 포함하고, 여기에서 복수의 광원은 서로 다른 파장의 광신호를 출사하는
    전류 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 복수의 광원들로부터 출사된 다중 파장 광신호들을 결합하고 분할하기 위한 커플러를 더 포함하는
    전류 센서 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 제어부에 입력되는 광신호를 제외한 나머지 광원에서 출사되는 광신호의 반사 신호를 제거하기 위한 서큘레이터 및 아이솔레이터를 더 포함하는
    전류 센서 시스템.
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