WO2021118065A1 - Spectral pressure measuring apparatus - Google Patents
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Definitions
- the Bourdon tube is made by bending a hollow flat tube made of an elastic metal plate into an arc shape and sealing the end.
- the diaphragm measures the pressure by using the degree of deformation generated in the metallic or non-metallic elastomer film in proportion to the pressure difference.
- Bellows measures the pressure by using the degree to which the sealed corrugated pipe expands and contracts according to the surrounding pressure change by putting gas of a certain pressure inside.
- a filter for blocking transmission of a wavelength band outside the light-receiving wavelength band set for each of the light-receiving elements may be mounted.
- the spectral pressure measuring apparatus it is possible to precisely measure the pressure using a spectral signal regardless of the cavity structure of the optical pressure sensor.
- FIG. 11 is a graph showing the change according to pressure based on the absorption value when the pressure is zero in the absorption spectrum of FIG. 10;
- the calculator 180 calculates the pressure F applied to the optical pressure sensor 30 by using the light received by the light receiver 160 .
- the calculation unit 180 receives the light intensity information for each wavelength from the light receiving elements 160a to 160n of the light receiving unit 160 and calculates the pressure applied to the optical pressure sensor 30 in a set manner.
- the calculator 180 calculates the pressure from the ratio of the wavelength band in which the intensity of light decreases and the wavelength band increases in the absorption spectrum for each wavelength band, or calculates the pressure by analyzing a change in the peak on the absorption spectrum, or the absorption spectrum It may be constructed to calculate by applying any one of the methods of calculating the pressure from the Fourier-transformed information.
- the calculator 180 may be constructed to calculate the pressure by comparing the pressure value corresponding thereto from the wavelength of the peak obtained by Fourier transforming the absorption spectrum with a value previously recorded by an experiment.
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Abstract
The present invention relates to a spectral pressure measuring apparatus comprising: a light source for emitting light; an optical pressure sensor including a cavity having an empty space therein such that light transmitted through an optical transmission fiber can be incident thereto, and a separating membrane formed of a flexible material so as to close the cavity and to be curved in a direction of being pulled into the cavity according to the pressure applied thereto; an optical circulator for transmitting the light emitted from the light source to the optical transmission fiber via a transmission end, and outputting light going backward from the optical transmission fiber to an output optical fiber connected to an output end; a planar spectroscopy module that divides light output from the output optical fiber according to wavelength; a light receiving unit in which a plurality of light-receiving elements receiving light divided according to wavelength by the planar spectroscopy module are arrayed; and a calculator for calculating the pressure applied to the optical pressure sensor by using the light received by the light-receiving unit. According to the above spectral pressure measuring apparatus, the pressure can be precisely measured by using a spectroscopy signal regardless of a cavity structure of the optical pressure sensor.
Description
본 발명은 분광형 압력측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 분광 해상도를 향상시켜 압력 측정 정밀도를 높일 수 있도록 된 분광형 압력측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spectroscopic pressure measuring apparatus, and more particularly, to a spectral pressure measuring apparatus capable of increasing pressure measurement precision by improving spectral resolution.
압력센서는 각종 계측장비, 제어 시스템, 의료기기, 자동차 엔진 제어, 전자제품 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 센서들 중 하나이다. 이러한 압력센서는 압력의 변화에 따라 변위나 변형이 일어나거나, 전기저항이 변화되는 등의 특성을 이용하여 압력을 측정한다.The pressure sensor is one of the sensors widely used in various fields such as various measuring equipment, control systems, medical devices, automobile engine control, and electronic products. Such a pressure sensor measures pressure by using characteristics such as displacement or deformation or electrical resistance change according to a change in pressure.
기계식 압력센서 중 대표적인 것으로는 부르동관(Bourdon tube), 다이어프램(diaphragm) 및 벨로스(bellows)를 이용한 것이 있다. 이 중 부르동관은 탄성이 있는 금속판으로 만든 중공의 편평한 관을 원호형으로 구부려 끝을 밀폐하여 만든 것으로, 부르동관의 일단부를 고정하면 압력 변화에 따라 타단부의 위치가 변경되는 것을 이용하여 압력을 측정한다. 다이어프램은 압력차에 비례하여 금속 또는 비금속 탄성체 막에 발생되는 변형의 정도를 이용하여 압력을 측정한다. 벨로스는 내부에 일정한 압력의 기체를 넣고 밀봉한 주름관이 주변의 압력 변화에 따라 신축하는 정도를 이용하여 압력을 측정한다.Representative examples of mechanical pressure sensors include those using a Bourdon tube, a diaphragm, and a bellows. Among them, the Bourdon tube is made by bending a hollow flat tube made of an elastic metal plate into an arc shape and sealing the end. When one end of the Bourdon tube is fixed, the position of the other end changes according to the change in pressure. measure The diaphragm measures the pressure by using the degree of deformation generated in the metallic or non-metallic elastomer film in proportion to the pressure difference. Bellows measures the pressure by using the degree to which the sealed corrugated pipe expands and contracts according to the surrounding pressure change by putting gas of a certain pressure inside.
전자식 압력센서는 대부분 상술한 바와 같은 압력차에 의한 기계적인 변위를 정전용량의 변화나 압전효과 등을 이용해 전기신호로 변환하는 장치가 부가된 것으로, 압력의 측정 원리는 기계식 압력센서와 같다. 한편, 전자식 압력센서의 경우 전기적 노이즈에 의한 영향을 받을 수 있고 스파크에 의해 폭발 위험이 있는 환경에서는 사용하기 어려운 단점이 있어 최근에는 광을 이용하여 압력을 측정하는 광압력센서도 이용되고 있다.Most of the electronic pressure sensors have a device that converts mechanical displacement due to the pressure difference as described above into an electrical signal using a change in capacitance or a piezoelectric effect, and the principle of pressure measurement is the same as that of a mechanical pressure sensor. On the other hand, in the case of an electronic pressure sensor, it may be affected by electrical noise and has the disadvantage that it is difficult to use in an environment where there is a risk of explosion due to a spark. Recently, an optical pressure sensor that measures pressure using light is also used.
광을 이용한 압력센서는 한국 등록특허 제10-1514017호 등 다양하게 제안되어 있다. Various pressure sensors using light have been proposed, such as Korean Patent Registration No. 10-1514017.
한편, 공동을 갖는 공진기를 적용한 광압력센서에 대해 파장필터를 적용하여 압력을 측정하는 방식의 경우 광압력센서의 공진구조와 파장필터를 상호 매칭되게 설계 및 제작해야하는 제작상의 번거로움이 있다.On the other hand, in the case of a method of measuring pressure by applying a wavelength filter to an optical pressure sensor to which a resonator having a cavity is applied, there is a manufacturing inconvenience in designing and manufacturing the resonance structure of the optical pressure sensor and the wavelength filter to match each other.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광압력센서로부터 압력변화에 대응하여 검출된 광신호를 파장별로 분광하여 압력을 정밀하게 산출할 수 있는 분광형 압력측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and to provide a spectroscopic pressure measuring device capable of accurately calculating pressure by dividing an optical signal detected in response to a pressure change from an optical pressure sensor for each wavelength. There is this.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치는 광을 출사하는 광원과; 전송광섬유를 통해 전송된 광이 입사될 수 있게 속이 빈 공동을 갖으며 상기 공동을 폐쇄하면서 인가되는 압력에 따라 상기 공동 내측으로 인입되는 방향으로 휘어지는 플렉서블한 소재로 된 격막을 갖는 광압력센서와; 상기 광원에서 출사된 광을 전송단을 통해 상기 전송광섬유에 전송하고, 상기 전송광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단에 접속된 출력광섬유에 출력하는 광써큘레이터와; 상기 출력광섬유로부터 출력되는 광을 파장별로 분광하는 평판분광모듈과; 상기 평판분광모듈에서 분광된 광을 파장별로 수신하는 다수의 수광소자가 어레이된 수광부와; 상기 수광부에서 수신된 광을 이용하여 상기 광압력센서에 인가된 압력을 산출하는 산출부;를 구비하고, 상기 평판분광모듈은 광을 도파하는 광도파판과, 상기 광도파판 상부 및 하부에 형성된 상부 및 하부 클래드층과, 상기 상부 클래드층 상부 및 상기 하부 클래드층 하부에 상기 광도파판과 동일 소재로 상기 광도파판과 동일 형상으로 형성된 상부 및 하부 버퍼판을 갖으며 광이 입사되는 광입사면 반대편은 상기 광입사면을 통해 입사된 광을 상기 광입사면과 직교하는 제1측면으로 반사시키되 상기 광입사면의 광축을 기준으로 상기 제1측면의 길이가 길고 상기 제1측면과 대향되는 제2측면의 길이가 짧게 호형으로 형성된 반사면을 갖는 도파 본체와; 상기 도파 본체의 상기 제1측면에 형성된 회절격자;를 구비하고, 상기 수광부는 상기 도파본체의 상기 제2측면에 설치되어 상기 회절격자를 통해 분광된 광을 검출하도록 되어 있고, 상기 출력광섬유와 상기 도파본체의 광입사면 사이에 설치되어 상기 도파 본체의 광입사면에 입사되는 광의 스폿 사이즈를 제한하는 슬릿이 형성된 광스폿 조정판;을 구비한다.In order to achieve the above object, a spectral pressure measuring apparatus according to the present invention comprises: a light source for emitting light; an optical pressure sensor having a hollow cavity so that light transmitted through the transmission optical fiber can be incident, and having a diaphragm made of a flexible material that is bent in a direction to be introduced into the cavity according to a pressure applied while closing the cavity; an optical circulator for transmitting the light emitted from the light source to the transmission optical fiber through a transmission end and outputting the light propagating in reverse from the transmission optical fiber to an output optical fiber connected to the output end; a flat panel spectroscopy module for splitting the light output from the output optical fiber for each wavelength; a light receiving unit in which a plurality of light receiving elements are arrayed for receiving the light divided by the flat panel spectroscopy module for each wavelength; and a calculator for calculating the pressure applied to the optical pressure sensor by using the light received from the light receiving part, wherein the flat plate spectroscopy module includes an optical waveguide plate for guiding light, upper and lower portions of the optical waveguide plate; It has a lower clad layer, upper and lower buffer plates formed in the same shape as the optical waveguide plate from the same material as the optical waveguide plate on the upper part of the upper clad layer and the lower part of the lower clad layer, and the opposite side of the light incident surface on which the light is incident is the Reflecting the light incident through the light incidence surface to a first side orthogonal to the light incidence surface, the length of the first side is long with respect to the optical axis of the light incidence surface and the second side opposite to the first side a waveguide body having a short arc-shaped reflective surface; a diffraction grating formed on the first side of the waveguide body, wherein the light receiving unit is installed on the second side of the waveguide body to detect the light split through the diffraction grating, the output optical fiber and the and a light spot adjusting plate provided between the light incident surfaces of the waveguide body and provided with a slit for limiting the spot size of the light incident on the light incident surface of the waveguide body.
바람직하게는 상기 광스폿 조정판의 상기 슬릿은 가로의 길이가 45 내지 55㎛ 이고, 세로의 길이가 450 내지 550㎛인 것을 적용한다.Preferably, the slit of the light spot control plate has a horizontal length of 45 to 55 μm and a vertical length of 450 to 550 μm.
또한, 상기 도파본체의 상기 제2측면과 상기 수광소자 사이에는 상기 수광소자 각각에 대해 설정된 수광파장 대역을 벗어난 파장의 대역에 대해서는 투과를 차단하는 필터가 장착될 수 있다.Also, between the second side of the waveguide body and the light-receiving element, a filter for blocking transmission of a wavelength band outside the light-receiving wavelength band set for each of the light-receiving elements may be mounted.
본 발명에 따른 분광형 압력측정장치에 의하면, 광압력센서의 공동구조와 관계없이 분광신호를 이용하여 압력을 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the spectral pressure measuring apparatus according to the present invention, it is possible to precisely measure the pressure using a spectral signal regardless of the cavity structure of the optical pressure sensor.
도 1은 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치를 나타내 보인 도면이고,1 is a view showing a spectroscopic pressure measuring device according to the present invention,
도 2는 도 1의 평판분광모듈의 사시도이고,Figure 2 is a perspective view of the flat plate spectroscopy module of Figure 1,
도 3은 도 1의 슬릿의 크기변화에 따른 파장별 반치폭을 측정하여 나타내 보인 그래프이고,3 is a graph showing the measurement of half-width for each wavelength according to the change in the size of the slit of FIG. 1;
도 4는 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치를 통해 획득된 압력에 따른 흡광스펙트럼의 제1예를 나타내 보인 그래프이고,4 is a graph showing a first example of an absorption spectrum according to a pressure obtained through a spectroscopic pressure measuring device according to the present invention;
도 5는 도 4의 흡광스펙스럼을 압력제로일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보인 그래프이고,5 is a graph showing the change according to the pressure based on the absorption value when the pressure is zero in the absorption spectrum of FIG. 4;
도 6은 도 4의 흡광스펙트럼에 대해 850 내지 950nm 파장대역에 대한 적분값에 대한 750 내지 850nm 파장대역까지의 적분값의 비율과 압력과의 관계를 나타내 보인 그래프이고,6 is a graph showing the relationship between the ratio of the integral value up to the 750 to 850 nm wavelength band to the integral value for the 850 to 950 nm wavelength band with respect to the absorption spectrum of FIG. 4 and the pressure;
도 7은 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치를 통해 획득된 압력에 따른 흡광스펙트럼의 제2예를 나타내 보인 그래프이고,7 is a graph showing a second example of an absorption spectrum according to a pressure obtained through a spectroscopic pressure measuring device according to the present invention;
도 8는 도 7의 흡광스펙스럼을 압력제로일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보인 그래프이고,8 is a graph showing the change according to pressure based on the absorption value when the pressure is zero in the absorption spectrum of FIG. 7;
도 9는 도 8의 흡광스펙트럼에 대해 압력에 따른 피크값들의 피크차수별 변화를 나타내 보인 그래프이고,9 is a graph showing the change of the peak values according to the peak order according to the pressure with respect to the absorption spectrum of FIG. 8;
도 10은 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치를 통해 획득된 압력에 따른 흡광스펙트럼의 제3예를 나타내 보인 그래프이고,10 is a graph showing a third example of an absorption spectrum according to a pressure obtained through a spectroscopic pressure measuring device according to the present invention;
도 11은 도 10의 흡광스펙스럼을 압력제로일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보인 그래프이고,11 is a graph showing the change according to pressure based on the absorption value when the pressure is zero in the absorption spectrum of FIG. 10;
도 12는 도 10의 흡광스펙트럼에 대해 퓨리에 변환시 발생되는 피크의 일 예를 나타내 보인 그래프이다.12 is a graph showing an example of a peak generated during Fourier transform with respect to the absorption spectrum of FIG. 10 .
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분광형 압력측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a spectroscopic pressure measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 평판분광모듈의 사시도이다.1 is a view showing a spectroscopic pressure measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the flat plate spectroscopic module of FIG. 1 .
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 분광형 압력측정장치는 광원(10), 광써큘레이터(20), 광압력센서(30), 광스폿 조정판(50), 평판분광모듈(100), 수광부(160), 필터(170) 및 산출부(180)를 구비한다.1 and 2 , the spectral pressure measuring device according to the present invention includes a light source 10 , an optical circulator 20 , an optical pressure sensor 30 , an optical spot adjustment plate 50 , and a flat plate spectroscopic module 100 . , a light receiving unit 160 , a filter 170 , and a calculation unit 180 .
광원(10)은 광을 출사한다. 광원(10)은 광대역 광을 출사하는 발광다이오드가 적용될 수 있다.The light source 10 emits light. The light source 10 may be a light emitting diode emitting broadband light.
광써큘레이터(20)는 광원(10)에서 출사된 광을 입력단(20a)을 통해 입사받아, 전송단(20b)으로 전송한다. 광써큘레이터(20)의 전송단(20b)에는 후술되는 광압력센서(30)에 광을 입사하도록 연장된 전송광섬유(25)가 접속되어 있다. 또한, 광써큘레이터(20)는 전송단(20b)에서 역으로 진행되는 광을 출력단(20b)을 통해 출력한다. 광써큘레이터(20)의 출력단(20c)에는 출력광섬유(27)가 접속되어 있다.The optical circulator 20 receives the light emitted from the light source 10 through the input terminal 20a, and transmits it to the transmission terminal 20b. The transmission end 20b of the optical circulator 20 is connected to a transmission optical fiber 25 extending so as to inject light into an optical pressure sensor 30 to be described later. In addition, the optical circulator 20 outputs the light traveling in reverse from the transmission terminal 20b through the output terminal 20b. An output optical fiber 27 is connected to the output terminal 20c of the optical circulator 20 .
광압력센서(30)는 내부에 광이 입사될 수 있는 속이빈 공동(32)을 갖는 본체(31)와, 본체의 공동(32)을 폐쇄하면서 인가되는 압력(F)에 따라 공동(32) 내측으로 인입되는 방향으로 휘어지는 플렉서블한 소재로 된 격막(33)을 갖는 구조로 되어 있다. 본체(31)의 전송광섬유(25)와 대향되는 면(31a)은 투광이 가능한 투명소재 예를 들면 유리소재로 형성된다. 여기서, 격막(33)은 다이아프램에 해당한다.The optical pressure sensor 30 has a body 31 having a hollow cavity 32 into which light can be incident, and a cavity 32 according to the pressure F applied while closing the cavity 32 of the body. It has a structure having a diaphragm 33 made of a flexible material that is bent in the inward direction. The surface 31a of the main body 31 opposite to the transmission optical fiber 25 is made of a transparent material that can transmit light, for example, a glass material. Here, the diaphragm 33 corresponds to the diaphragm.
광압력센서(30)는 본체(31)의 격막(33)과 대향되는 면(31a)에 전송광섬유(25)를 통해 전송된 광이 입사되게 배치된다. 이러한 광압력센서(30)는 공동(32)내로 입사된 광에 대해 격막(33)의 인가된 압력(F)에 따른 변형에 대응되어 공동(32)의 깊이 변화로부터 전송광섬유(25)로 진행되는 광의 파장별 세기가 달라진다. The optical pressure sensor 30 is disposed so that the light transmitted through the transmission optical fiber 25 is incident on the surface 31a opposite to the diaphragm 33 of the main body 31 . This optical pressure sensor 30 responds to the deformation according to the applied pressure F of the diaphragm 33 with respect to the light incident into the cavity 32, and proceeds from the change in the depth of the cavity 32 to the transmission optical fiber 25. The intensity of the light varies depending on the wavelength.
광스폿 조정판(50)은 출력광섬유(27)와 평판분광모듈(100)의 도파본체(110)의 광입사면(114) 사이에 설치되어 도파 본체(110)의 광입사면(114)에 입사되는 광의 스폿 사이즈를 제한하는 슬릿(52)이 형성되어 있다. 여기서, 출력광섬유(27)와 광스폿 조정판(50)의 슬릿(52)은 상호 중심이 일치되면서 후술되는 도파 본체(110) 광입사면(114)의 중앙에서 반사면(118)을 향하여 출사하도록 배치된다. 슬릿(52)은 파장별 분광 해상도를 높일 수 있도록 광스폿 사이즈를 줄이기 위해 적용된 것으로 평판분광모듈(100)로 입사되는 광량을 지나치게 줄이지 않는 범위에서 적절하게 적용한다. 바람직하게는 광스폿 조정판(50)의 광이 통과되는 투과홀에 해당하는 슬릿(52)은 가로의 길이가 45 내지 55㎛ 이고, 세로의 길이가 450 내지 550㎛가 되게 형성된 것을 적용한다. 즉, 도 3을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 슬릿(52)의 가로길이에 대한 크기 변화에 따른 파장별 반치폭(FWHM;full width at half maximum)을 측정한 경우 55㎛를 초과하면 해상도가 급격하게 감쇠하고, 20 내지 55㎛ 범위까지는 비슷한 해상도를 제공하고 있어 광량감쇠를 고려하여 슬릿(52)은 가로의 길이가 45 내지 55㎛ 또는 50㎛로 적용한다. 또한, 슬릿(52)의 세로 길이는 광도파판(111)의 두께에 대응되게 적용하면 되고, 앞서 예시된 바와 같이 450 내지 550㎛를 적용한다.The light spot adjusting plate 50 is installed between the output optical fiber 27 and the light incident surface 114 of the waveguide body 110 of the flat plate spectroscopy module 100 to be incident on the light incident surface 114 of the waveguide body 110 . A slit 52 is formed to limit the spot size of the light to be used. Here, the output optical fiber 27 and the slit 52 of the optical spot adjusting plate 50 are aligned with each other and emit from the center of the light incident surface 114 of the waveguide body 110, which will be described later, toward the reflective surface 118. are placed The slit 52 is applied to reduce the size of a light spot so as to increase the spectral resolution for each wavelength, and is appropriately applied in a range that does not excessively reduce the amount of light incident to the flat plate spectroscopy module 100 . Preferably, the slit 52 corresponding to the transmission hole through which the light of the light spot control plate 50 passes has a horizontal length of 45 to 55 μm and a vertical length of 450 to 550 μm. That is, as can be seen from FIG. 3 , when the full width at half maximum (FWHM) for each wavelength according to the size change with respect to the horizontal length of the slit 52 is measured, the resolution is rapidly attenuated when it exceeds 55 μm. and, in the range of 20 to 55 μm, similar resolution is provided, so that the slit 52 has a horizontal length of 45 to 55 μm or 50 μm in consideration of light attenuation. In addition, the vertical length of the slit 52 may be applied to correspond to the thickness of the optical waveguide plate 111 , and 450 to 550 μm is applied as exemplified above.
평판분광모듈(100)은 출력광섬유(27)에서 출력되어 광스폿 조정판(50)의 슬릿(52)을 통과하여 입사된 광을 파장별로 분광한다.The flat plate spectroscopy module 100 divides the light output from the output optical fiber 27 and incident through the slit 52 of the optical spot adjusting plate 50 for each wavelength.
평판분광모듈(100)은 도파 본체(110), 회절격자(150)를 구비한다.The flat plate spectroscopy module 100 includes a waveguide body 110 and a diffraction grating 150 .
도파 본체(110)는 광을 도파하는 광도파판(111), 광도파판(111) 상부 및 하부에 에폭시 소재로 형성된 상부 클래드층(121) 및 하부 클래드층(122), 상부 클래드층(121) 상부 및 하부 클래드층(122) 하부에 광도파판(111)과 동일 소재로 광도파판(111)과 동일 형상으로 형성된 상부 버퍼판(131) 및 하부 버퍼판(132)을 갖는 구조로 되어 있다.The waveguide body 110 includes an optical waveguide plate 111 for guiding light, an upper clad layer 121 and a lower clad layer 122 formed of an epoxy material on the upper and lower portions of the optical waveguide plate 111 , and the upper clad layer 121 . and an upper buffer plate 131 and a lower buffer plate 132 formed in the same shape as the optical waveguide plate 111 using the same material as the optical waveguide plate 111 under the lower cladding layer 122 .
여기서, 광도파판(111), 상부 버퍼판(131) 및 하부 버퍼판(132)은 실리카소재(SiO2)의 웨이퍼로 형성된다.Here, the optical waveguide plate 111 , the upper buffer plate 131 , and the lower buffer plate 132 are formed of a silica material (SiO 2 ) wafer.
또한, 도파 본체(110)는 수평상으로 연장된 제1측면(113)과, 제1측면(113)과 직교하는 방향으로 연장된 광입사면(114)과, 광입사면(114)과 직교하며 제1측면(113)과 나란하게 연장되되 광입사면(114)을 기준으로 제1측면(113)보다 길이가 짧게 연장된 제2측면(115)과, 광입사면(114) 반대편에서 제1측면(113)의 종단과 제2측면(115)의 종단을 호형으로 연결하는 호형부분(116)을 갖게 형성되어 있다.In addition, the waveguide body 110 has a first side surface 113 extending horizontally, a light incident surface 114 extending in a direction orthogonal to the first side surface 113 , and orthogonal to the light incidence surface 114 . and a second side 115 extending in parallel with the first side 113 but having a shorter length than the first side 113 based on the light incident surface 114, and the second side 115 from the opposite side of the light incident surface 114 It is formed to have an arc-shaped portion 116 connecting the end of the first side 113 and the end of the second side 115 in an arc shape.
여기서, 호형부분(116)은 광입사면(114)의 중간부분에 대향되게 설치된 슬릿(52)으로부터 출사되는 광의 광축을 기준으로 제1측면(113)의 길이가 길고 제1측면(113)과 대향되는 제2측면(115)의 길이가 짧게 호형으로 형성되어 있다.Here, the arc-shaped portion 116 has a long length of the first side surface 113 with respect to the optical axis of the light emitted from the slit 52 installed opposite to the middle portion of the light incident surface 114 and the first side 113 and The length of the opposite second side surface 115 is short and formed in an arc shape.
또한, 호형부분(116)의 외측면에 반사소재로 코팅된 반사면(118)이 형성되어 있다.In addition, a reflective surface 118 coated with a reflective material is formed on the outer surface of the arc-shaped portion 116 .
이러한 도파 본체(110)는 광입사면(114) 통해 입사된 광이 광입사면(114) 반대편에 있는 반사면(118)을 통해 광입사면(114)과 직교하는 방향에 회절격자(150)가 설치된 제1측면(113)으로 반사시킨다. The waveguide body 110 has a diffraction grating 150 in a direction perpendicular to the light incident surface 114 through a reflective surface 118 opposite to the light incident surface 114 in which light incident through the light incident surface 114 is directed. is reflected to the first side 113 where is installed.
회절격자(150)는 도파 본체(110)의 제1측면(113)상의 광도파판(111)에 설치되어 있다. 회절격자(150)는 광의 파장에 따른 회절각이 연속적으로 가변될 수 있도록 격자 간격이 불균일하게 형성된다. 회절격자의 상세 구조 및 분광 특성은 본 출원인에 의해 제안된 한국 등록특허 제10-1154714호에 상세히 개시되어 있어 상세한 설명은 생략한다.The diffraction grating 150 is installed on the optical waveguide plate 111 on the first side 113 of the waveguide body 110 . The diffraction grating 150 has a non-uniform grating interval so that the diffraction angle according to the wavelength of light can be continuously varied. The detailed structure and spectral characteristics of the diffraction grating are disclosed in detail in Korean Patent Registration No. 10-1154714 proposed by the present applicant, and thus a detailed description thereof will be omitted.
수광부(160)는 도파본체(110)의 제2측면(115)에 설치되어 회절격자(150)를 통해 분광된 광을 파장별로 수신하는 다수의 수광소자(160a 내지 160n)가 어레이 되어 있다. 각 수광소자(160a 내지 160n)는 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.The light receiving unit 160 is installed on the second side 115 of the waveguide body 110, and a plurality of light receiving elements 160a to 160n for receiving the light divided by the diffraction grating 150 for each wavelength are arrayed. Each of the light receiving elements 160a to 160n outputs an electrical signal corresponding to the detected light.
필터(170)는 도파본체(110)의 제2측면(115)과 수광소자(160a 내지 160n) 사이에 설치되어 각 수광소자(160a 내지 160n) 각각에 대해 설정된 수광파장 대역을 벗어난 파장의 대역에 대해서는 투과를 차단하고, 설정된 수광파장대역의 광을 투과시킨다. 필터(170)는 수광소자(160a 내지 160n)에서 파장별로 수광해야하는 1차 회절광은 투과시키고, 2차 회절광의 투과를 차단시키도록 적용하는 것이 바람직하다.The filter 170 is installed between the second side 115 of the waveguide body 110 and the light-receiving elements 160a to 160n, and is in a band of a wavelength outside the light-receiving wavelength band set for each of the light-receiving elements 160a to 160n. It blocks transmission and transmits light in the set light receiving wavelength band. The filter 170 is preferably applied to transmit the first diffracted light to be received by wavelength in the light receiving elements 160a to 160n and block the transmission of the second diffracted light.
도시된 예에서는 도파본체(110)의 제2측면(115)에 광입사면(114)으로부터 호형부분(116)을 향하는 광축과 나란한 방향을 따라 1차 회절광에 대해 500nm 내지 1100nm의 수광파장 대역에 대해 각각 할당된 파장 대역의 광을 검출하도록 수광소자(160a 내지 160n)들이 배치되어 있다. 이 경우 500nm 내지 800nm의 수광파장대역의 광을 수광하는 수광소자에 대향되게 배치된 제1필터(171)는 900nm 이상의 대역에 대해서는 광의 투과를 차단하고 800nm이하의 광에 대해서는 투과시키는 것이 적용되고, 800nm 내지 1100nm의 수광파장대역의 광을 수광하는 수광소자에 대향되게 배치된 제2필터(172)는 700nm 이하의 대역에 대해서는 광의 투과를 차단하고 700nm를 초과한 광에 대해서는 투과시키는 것이 적용될 수 있다.In the illustrated example, a light receiving wavelength band of 500 nm to 1100 nm for the first diffracted light along a direction parallel to the optical axis from the light incident surface 114 to the arc-shaped portion 116 on the second side surface 115 of the waveguide body 110 The light receiving elements 160a to 160n are arranged to detect light of each assigned wavelength band. In this case, the first filter 171 disposed opposite to the light receiving element for receiving light in the light receiving wavelength band of 500 nm to 800 nm blocks transmission of light for a band of 900 nm or more and transmits light of 800 nm or less is applied, The second filter 172 disposed opposite to the light receiving element for receiving light in the light receiving wavelength band of 800 nm to 1100 nm blocks light transmission for a band of 700 nm or less, and transmits light exceeding 700 nm It can be applied. .
이 경우 2차 이상의 회절광을 필터링할 수 있어 파장별 세기에 대한 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. In this case, it is possible to filter the second or higher-order diffracted light, so that the measurement precision for the intensity for each wavelength can be improved.
산출부(180)는 수광부(160)에서 수신된 광을 이용하여 광압력센서(30)에 인가된 압력(F)을 산출한다. 산출부(180)는 파장별 광의 세기정보를 수광부(160)의 수광소자(160a 내지 160n)로부터 제공받아 설정된 방식으로 광압력센서(30)에 인가된 압력을 산출한다. 일 예로서, 산출부(180)는 파장대역별 흡광 스펙트럼에서 광의 세기가 감소하는 파장대역과 증가하는 파장대역의 비율로부터 압력을 산출하거나, 흡광스펙트럼상의 피크 변화를 분석하여 압력을 산출하거나, 흡광스펙트럼을 퓨리에 변환한 정보로부터 압력을 산출하는 방식 중 어느 하나의 방식을 적용하여 산출하도록 구축될 수 있다. The calculator 180 calculates the pressure F applied to the optical pressure sensor 30 by using the light received by the light receiver 160 . The calculation unit 180 receives the light intensity information for each wavelength from the light receiving elements 160a to 160n of the light receiving unit 160 and calculates the pressure applied to the optical pressure sensor 30 in a set manner. As an example, the calculator 180 calculates the pressure from the ratio of the wavelength band in which the intensity of light decreases and the wavelength band increases in the absorption spectrum for each wavelength band, or calculates the pressure by analyzing a change in the peak on the absorption spectrum, or the absorption spectrum It may be constructed to calculate by applying any one of the methods of calculating the pressure from the Fourier-transformed information.
이를 더욱 상세하게 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이 압력에 따른 파장대역별 흡광 스펙트럼이 획득된 경우 압력제로(Zero)일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보면 도 5와 같이 획득되고, 압력이 증가할수록 흡광스펙트럼의 흡광세기가 감소하는 파장대역과 증가하는 파장대역의 비율 즉, 850 내지 950nm 파장대역에 대한 적분값에 대한 750 내지 850nm 파장대역까지의 적분값의 비율을 산출하면 도 6과 같이 나타나며 이로부터 산출부(180)는 앞서 설명된 바와 같이 압력이 증가할수록 흡광스펙트럼의 흡광세기가 감소하는 파장대역과 증가하는 파장대역의 비율을 산출하고, 미리 기록된 비율값에 대응되는 압력값으로부터 압력을 산출하도록 구축되면 된다.To explain this in more detail, when the absorption spectrum for each wavelength band according to the pressure is obtained as shown in FIG. 4, the change according to the pressure is obtained as shown in FIG. 5 based on the absorption value when the pressure is zero. When the pressure increases, the ratio of the wavelength band in which the absorption intensity of the absorption spectrum decreases and the wavelength band increases, that is, the ratio of the integral value to the integral value in the 850 to 950 nm wavelength band to the integral value in the 750 to 850 nm wavelength band is calculated. 6 and from this, the calculator 180 calculates the ratio of the wavelength band in which the absorption intensity of the absorption spectrum decreases and the wavelength band increases as the pressure increases, as described above, and corresponds to the previously recorded ratio value. What is necessary is just to construct so that a pressure may be calculated from the pressure value used.
또 다르게는 도 7에 도시된 바와 같이 압력에 따른 파장대역별 흡광 스펙트럼이 획득된 경우 압력제로(Zero)일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보면 도 8과 같이 획득되었을 때 다수의 피크를 갖는 패턴으로 나타난다. 이 경우 가장 큰 값을 갖는 피크(peak3), 그 다음으로 큰 값을 갖는 피크(peak2), 3번째로 큰 값을 갖는 피크(peak1) 각각에 대해 압력별로 분석해보면 도 9와 같이 각 피크 차수별로 압력에 따라 피크값이 달라짐을 알 수 있고, 이로부터 산출부(180)는 피크 차수와 그에 대응되는 피크값을 실험에 의해 미리 기록된 값과 비교하여 압력을 산출하도록 구축되면 된다. Alternatively, when the absorption spectrum for each wavelength band according to the pressure is obtained as shown in FIG. 7, the change according to the pressure is shown based on the absorption value when the pressure is zero. When obtained as shown in FIG. 8, a number of It appears as a pattern with peaks. In this case, if the peak having the largest value (peak3), the peak having the next largest value (peak2), and the peak having the third largest value (peak1) are analyzed by pressure, each peak order is analyzed as shown in FIG. 9 . It can be seen that the peak value varies according to the pressure, and from this, the calculator 180 may be constructed to calculate the pressure by comparing the peak order and the corresponding peak value with a value previously recorded by an experiment.
또 다르게는 도 10에 도시된 바와 같이 압력에 따른 파장대역별 흡광 스펙트럼이 획득된 경우 압력제로(Zero)일 때의 흡광값을 기준으로 압력에 따른 변화를 나타내보면 도 11과 같이 획득되었을 때 흡광스펙트럼을 퓨리에 변환하여 얻은 데이터로부터 도 12에 도시된 바와 같은 피크 파장을 확인할 수 있고, 이러한 피크 파장은 압력에 따라 달라진다. 따라서 산출부(180)는 흡광스펙트럼을 퓨리에 변환하여 얻은 피크의 파장으로부터 그에 대응되는 압력값을 실험에 의해 미리 기록된 값과 비교하여 압력을 산출하도록 구축되면 된다. Alternatively, when the absorption spectrum for each wavelength band according to the pressure is obtained as shown in FIG. 10, when the absorption spectrum is obtained as shown in FIG. 11, if the change according to the pressure is shown based on the absorption value when the pressure is zero. A peak wavelength as shown in FIG. 12 can be confirmed from the data obtained by Fourier transforming, and this peak wavelength varies according to pressure. Therefore, the calculator 180 may be constructed to calculate the pressure by comparing the pressure value corresponding thereto from the wavelength of the peak obtained by Fourier transforming the absorption spectrum with a value previously recorded by an experiment.
이와 같이 수광부(180)부를 통해 파장별 흡광스펙트럼 정보를 제공받을 수 있어 산출부(180)의 압력산출 방식에 대한 선택 자유도도 향상된다.As described above, absorption spectrum information for each wavelength can be provided through the light receiving unit 180 , so that the degree of freedom in selecting the pressure calculation method of the calculating unit 180 is also improved.
이상에서 설명된 분광형 압력측정장치에 의하면, 광압력센서의 공동구조와 관계없이 분광신호를 이용하여 압력을 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the spectral pressure measuring device described above, it is possible to precisely measure the pressure using the spectral signal regardless of the cavity structure of the optical pressure sensor.
Claims (3)
- 광을 출사하는 광원과;a light source emitting light;전송광섬유를 통해 전송된 광이 입사될 수 있게 속이 빈 공동을 갖으며 상기 공동을 폐쇄하면서 인가되는 압력에 따라 상기 공동 내측으로 인입되는 방향으로 휘어지는 플렉서블한 소재로 된 격막을 갖는 광압력센서와;an optical pressure sensor having a hollow cavity so that light transmitted through the transmission optical fiber can be incident, and having a diaphragm made of a flexible material that is bent in a direction to be introduced into the cavity according to a pressure applied while closing the cavity;상기 광원에서 출사된 광을 전송단을 통해 상기 전송광섬유에 전송하고, 상기 전송광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단에 접속된 출력광섬유에 출력하는 광써큘레이터와;an optical circulator for transmitting the light emitted from the light source to the transmission optical fiber through a transmission end and outputting the light propagating in reverse from the transmission optical fiber to an output optical fiber connected to the output end;상기 출력광섬유로부터 출력되는 광을 파장별로 분광하는 평판분광모듈과;a flat panel spectroscopy module for splitting the light output from the output optical fiber for each wavelength;상기 평판분광모듈에서 분광된 광을 파장별로 수신하는 다수의 수광소자가 어레이된 수광부와;a light receiving unit in which a plurality of light receiving elements are arrayed for receiving the light divided by the flat panel spectroscopy module for each wavelength;상기 수광부에서 수신된 광을 이용하여 상기 광압력센서에 인가된 압력을 산출하는 산출부;를 구비하고, a calculator for calculating the pressure applied to the optical pressure sensor by using the light received by the light receiving unit; and상기 평판분광모듈은 The flat panel spectroscopy module광을 도파하는 광도파판과, 상기 광도파판 상부 및 하부에 형성된 상부 및 하부 클래드층과, 상기 상부 클래드층 상부 및 상기 하부 클래드층 하부에 상기 광도파판과 동일 소재로 상기 광도파판과 동일 형상으로 형성된 상부 및 하부 버퍼판을 갖으며 광이 입사되는 광입사면 반대편은 상기 광입사면을 통해 입사된 광을 상기 광입사면과 직교하는 제1측면으로 반사시키되 상기 광입사면의 광축을 기준으로 상기 제1측면의 길이가 길고 상기 제1측면과 대향되는 제2측면의 길이가 짧게 호형으로 형성된 반사면을 갖는 도파 본체와;An optical waveguide plate for guiding light, upper and lower cladding layers formed above and below the optical waveguide plate, and formed in the same shape as the optical waveguide plate with the same material as the optical waveguide plate on the upper clad layer and on the lower clad layer It has upper and lower buffer plates, and the opposite side of the light incident surface on which the light is incident reflects the light incident through the light incident surface to a first side orthogonal to the light incident surface, and the optical axis of the light incident surface is the reference. a waveguide body having a reflective surface formed in an arc shape with a long first side and a short second side opposite to the first side;상기 도파 본체의 상기 제1측면에 형성된 회절격자;를 구비하고,and a diffraction grating formed on the first side of the waveguide body;상기 수광부는 상기 도파본체의 상기 제2측면에 설치되어 상기 회절격자를 통해 분광된 광을 검출하도록 되어 있고,The light receiving unit is installed on the second side of the waveguide body to detect the light scattered through the diffraction grating,상기 출력광섬유와 상기 도파본체의 광입사면 사이에 설치되어 상기 도파 본체의 광입사면에 입사되는 광의 스폿 사이즈를 제한하는 슬릿이 형성된 광스폿 조정판;을 구비하는 것을 특징으로 하는 분광형 압력측정장치.and a light spot adjustment plate provided between the output optical fiber and the light incident surface of the waveguide body and formed with a slit for limiting the spot size of the light incident on the light incident surface of the waveguide body.
- 제1항에 있어서, 상기 광스폿 조정판의 상기 슬릿은 가로의 길이가 45 내지 55㎛ 이고, 세로의 길이가 450 내지 550㎛인 것을 특징으로 하는 분광형 압력측정장치.The spectroscopic pressure measuring apparatus according to claim 1, wherein the slit of the light spot control plate has a horizontal length of 45 to 55 μm and a vertical length of 450 to 550 μm.
- 제1항에 있어서, 상기 도파본체의 상기 제2측면과 상기 수광소자 사이에는 상기 수광소자 각각에 대해 설정된 수광파장 대역을 벗어난 파장의 대역에 대해서는 투과를 차단하는 필터가 장착된 것을 특징으로 하는 분광형 압력측정장치.The spectral type according to claim 1, wherein a filter for blocking transmission is mounted between the second side surface of the waveguide body and the light receiving element for a band of a wavelength out of the light receiving wavelength band set for each of the light receiving elements. pressure measuring device.
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