광계측 이병호 서울대학교전기공학부 byoungho@snu.ac.kr Tel : 02) 880-7245 Fax : 02) 873-9953
계측시스템 Measurand ( 물리량 ) 출력단 Sensor/ Transducer Signal ( 전기신호 ) Indicator Recorder Computer Processor Controller Signal Conditioning /Processing Amplifying Attenuating Filtering Differentiating Integrating Etc.
좋은센서의요구조건 민감하게반응 (Sensitivity) 선형적으로반응 (Linearity) 선택적으로반응 (Selectivity) 폭넓은측정범위 (Dynamic Range) 빠른응답속도 (Bandwidth) 기타 ( 외란에대한안정성, 내충격성 내충격성, 방폭성, etc.)
광계측이란? 빛 (laser 또는기타광 ) 을이용하는계측 Fundamental measuring process 기준 (standard) 측정물리량 (measurand) 비교과정 결과 광센서 (optical sensor)
광계측의장점 EMI Immunity 비접촉방식 비파괴검사 고정밀도 분포센서 원격측정 잠재적경제성 거의모든물리량측정가능 Temperature Pressure Flow Liquid Level Displacement Vibration Rotation Magnetic Fields Acceleration Chemical Species Force Radiation ph Humidity Strain Velocity Electric Fields Acoustic Fields & many others.
광계측메카니즘 물리량 변위 ( 가 ) 속도 온도 스트레인 압력 전류 전압 transducer 입력광 출력광 세기 위상 파장 편광 demodulator 전기적인출력 광센서 = transducer(modulator) + demodulator
Transducer/Demodulator Combination 세기 Photo Detection - 가시도, gas, 레벨등위상 간섭계 (Interferometer) - 온도, 진동, 변위, 속도, 스트레인, 음파, 경보신호등파장 파장필터, Grating based 파장분석기 - 온도, 스트레인, 압력등편광 편광분석기 (polarization analyzer) - 전류, 전압, 광통신소자의편광의존특성등
레이저의직진성을이용한변위센서 교량, 빌딩등의변형도, 진동, 구부러짐측정 구조물의정렬 목표물의변위측정
펄스레이저를이용한거리센서 Laser diode transmits 40 pulses in 1/3 second. Light pulse hits target and reflects back to instrument. Crystal controlled time base measures flight time. Distance = Time x Speed of Light
산란을이용한가시도의측정 I out = I in e ckx c: dust concentration k: extinction coefficient x: measurement path
흡수를이용한 Gas 의측정 Gas duct monitoring Emission monitoring Process controlling
간섭계를이용한진동해석 fixed mirror Michelson 간섭계 sample laser λ/4 λ I( f ) max + + min λ/2
ESPI Laser Reference beam Electronic Speckle Pattern Interferometry Illumination direction Measuring direction Measuring object Camera, CCD Observation direction
간섭패턴을통한 3 차원형상및진동의측정 (ESPI, Shearography 등 )
진동모드측정의예
Shearography 시스템예
Interferometry
Double-Exposure Holographic Interferometry (a) (b)
레이저도플러유속계 비접촉식 3차원측정 난류유동의해석 공기역학적응용 표면속도, 진동측정
광섬유 (Optical Fiber) 센서와신호전달의역할을동시수행 분배형센서의실현이용이 원격측정가능 (~0.2 db/km loss) 기존센서기술로불가능한부분을커버
광섬유센서
Fabry-Perot 간섭계센서 In-line FP sensor φ = 4π λ ( nl) TiO 2 스트레인에의한투과파장의변화
광섬유격자 (fiber Bragg grating) 센서 Broadband source λ λ B Optical Spectrum Analyzer Λ Bragg Wavelength λ B = 2neff Λ 특정파장만을반사 반사파장의변화로부터물리량을측정 측정점의위치, 크기가고정 준분포센서
다중점광섬유격자센서의측정예 Load measurement based on multiplexed FBG sensor system FBGs
Wavelength encoding Noise 에매우강함 다중점센서 Intrinsic structure Easily embedded Easily locatable Cost-effective
광섬유센서설치작업
편광변화를이용한전류의측정
광 CT 의종류 벌크 (bulk) 형 광섬유형
광 CT 의장점 전력계통으로부터전자기적으로완전히분리 시스템해석이쉬움 ( 여자전류, 철손, 잔류자속, 2 차부담, X) 2차개방에의한파손및안전성문제가없음 1차전류정보의실시간파악이가능 자기포화 ( 磁氣飽和 ) 없음 신호처리간단및비용절감 빠른반응속도 ( ~ 10-9 sec) 써지나주변전자기장에의한잡음없음 환경친화적 (SF6 gas, Oil 등불필요 ) 절연비용절감및소형화로초고전압, 초고전류에서낮은비용으로시스템구축이가능 넓은전류감지영역
광 CT 의실험 Setup 광센서 측정전류 : 0~200 Ampere Turns 광섬유코일회전수 N = 53 56 twist/meter
광 CT 를이용한과전류보호계전기 전류원 광센서 OOCR 한국전력전력연구원
광을이용한자이로스코프 (Gyroscope) 회전에의한위상차발생 위상차의측정 회전각을초정밀측정 (100 년에 1 회전도측정가능 ) 가격, 안정성, 내구성, 빠른기동시간등이우수 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함등의항법장치, 무인자동화기기의자세제어, 자이로콤파스등의응용범위를가짐
Low-Coherence Interferometer
Low-Coherence Interferometer Applications Optical sensor for pressure and deformation Optical sensor for strain Resolution 2micron & Fiber length: 0.2 ~ 20m
Optical Coherence Tomography Experimental Set-up of OCT and Results Broadband source Detector Fiber-optic beamsplitter Tissue Scanning reference mirror light source Michelson interferometer Detector Amplifier Bandpass filter Computer Normal Eye scaned image Humphrey 250 microns W. Drexler et al., Ultrahigh-resolution ophthalmic optical coherence tomography, Nature Medicine 7, 502-507 (2001) Nominal width of scan: 2.8 mm
OCT Some Examples of OCT Imaging inside Veins Real-time cardiology OCT In-vivo human anterior eye segments Ultrasound