광전자 공학의 응용:광계측(Optical Measurement)

광전자공학의응용: 광계측(Optical Measurement) 광전자공학의응용: 광계측(Optical Measurement) 계측이란? “Whatever exists, exists in some amount.” Measurement: determination of the amount 계측이란? “Whatever exists, exists in some amount.” Measurement: determination of the amount Qrio by Sony CCD 카메라 적외선 센서 마이크 7 58 cm, 7 kg 핀치 센서 가속도 센서 핀치 센서 Tokyo Philharmonic Orchestra 베토벤 운명교향곡 압력 센서 8 계측시스템계측시스템 Sensor/ Transducer Signal Conditioning /Processing Measurand (물리량) 출력단 Signal (전기신호) Indicator Recorder Computer Processor Controller Amplifying Attenuating Filtering Differentiating Integrating Etc. 예) 온) 온도 계측시스템 What is Sensor ? What is Sensor ? . 감각기능읁 실현하기 위한 검출소자 . 물리량이나 그 변화량읁 검출하는 소자 또는 장치 넓은 의미 . 센서란 어떤 정보나 에너지의 검출수단 What is Sensor ? What is Sensor ? 좁은 의미 측정물리량읁 전기신호의 형태로 변환하는 소자 또는 장치 측정대상 물리량(Measurand) Temperature Chemical Species Pressure Force Flow Radiation Liquid Level pH Displacement Humidity Vibration Strain Rotation Velocity Magnetic Fields Electric Fields Acceleration Acoustic Fields 화학적 센서 생물학적 물리적 & many others. 전기신호 출력 Transducer Sensor .센서를포함하는개념What is Transducer ? 전류.소리.물리량형태변환장치 소리 .자기장 .전류 Transducer Sensor .센서를포함하는개념What is Transducer ? 전류.소리.물리량형태변환장치 소리 .자기장 .전류 트랜스듀서는물리량의형태변환을통하여센서로직접측정할수없는계측을가능하게함. 트랜스듀서는물리량의형태변환을통하여센서로직접측정할수없는계측을가능하게함. 하중(질량)읁 직. 측정하는 센서는 없음! 저울 = 트랜스듀서+압력(스트레인)센서 하중읁 압력이나 스트레인으로 변환 . 센서/트랜스듀서의 적절. 조합이 목적. 계측읁 위하여 매욪 중요 . 계측엔지니어의 창의성이 요구됨 What do we do in Measurement? What do we do in Measurement? 1. Input/Output specification 3. Design signal conditioning 4. Do the measurements 2. Design sensor/transducer combination 가장 중요한 부분 Good Sensor Good Sensor . 민감하게 반응 (Sensitivity) . 선형적으로 반응 (Linearity) . 선택적으로 반응 (Selectivity) . 폭 넓은 측정범위 (Dynamic Range) . 빠른 응답속도 (Bandwidth) . 기타 (외란에 대. 안정성, 내충격성, 방폭성, etc.) What is Dynamic Range? resolutionrangetmeasuremenRangeDynamic. What is Dynamic Range? resolutionrangetmeasuremenRangeDynamic. Example) 0 ~ 100 oC 의 범위륹 0.1 oC의 해상도로 측정하는 시스템은 ..60dB10000.10100 . . 와 같이 최소 1000개의 값읁 표현. 수 있어야 한다. 이 경욪 시스템의 dynamic range 륹 1000 ( 보통은 dB 단위륹 써서 60dB)이라 한다. What is Bandwidth? 정상적인사용에서증폭기또는기타회로의gain 이3 dB 이상변화하지않는주파수범위What is Bandwidth? 정상적인사용에서증폭기또는기타회로의gain 이3 dB 이상변화하지않는주파수범위 차단주파수 @ -3 dB Cut-off frequency Frequency bandwidth referencesignalVVdBlog20. -3 dB . Vo = 0.707.Vi 예) 100 MHz Oscilloscope? What does 100 MHz mean? ) 100 MHz Oscilloscope? What does 100 MHz mean? 100 MHz, 1 V peak-peak 사인파륹 입력하면, 0.707 V peak-peak 출력읁 나타냄. 입력주파수가낮을수록정확한크기입력주파수가높을수록작아지는크기 주의) 100 MHz 구형파를100 MHz oscilloscope 로측정한경우100 MHz 구형파를300 MHz oscilloscope 로측정한경우 100 MHz 구형파를500 MHz oscilloscope 로측정한경우 100 MHz 구형파를700 MHz oscilloscope 로측정한경우 광계측: 빛을이용하는계측광계측: 빛을이용하는계측 광계측의 장점 . EMI Immunity . 비접촉 방식 . 고정밀도 . 분배센서 . 원격측정 . 잠재적 경제성 . 거의 모든 물리량 측정가능 Temperature Chemical Species Pressure Force Flow Radiation Liquid Level pH Displacement Humidity Vibration Strain Rotation Velocity Magnetic Fields Electric Fields Acceleration Acoustic Fields & many others. 광계측메카니즘광계측메카니즘 물리량 . 변위 . (가)속도 . 온도 . 스트레인 . 압력 . 전류 . 전압 . …. 출력광 . Intensity . 위상 . 파장 . 편광 입력광 전기적인출력transducer demodulator 광센서= transducer(modulator) + demodulator Transducer Transducer 물리량을빛의특성변화로변환 Intensity 위상 파장 )cos()cos(),(21.........tAtAtryx편광 Ex) 온도변화에 따른 광신호의 위상변화 진공 광섬유내부 .T .n .. Demodulator Demodulator 빛의 특성변화륹 전기적인 신호로 변환 . Intensity . 위상 . 파장 전류, 전압, etc. (. 물리량) . 편광 Ex) Mach-Zehnder 간섭계 . 위상차이륹 전류의 차이로 변환 iEoE 광센서=Transducer+Demodulator 광센서=Transducer+Demodulator 간섭계+PD(demodulator) 레이저 센서코일(transducer) 물리량 Transducer/Demodulator combination Transducer/Demodulator combination Intensity . Photo Detection -가시도, gas, 레벨 등 위상 . 간섭계(Interferometer) -온도, 진동, 변위, 속도, 스트레인, 음파, 경보신호 등 파장 . 파장필터, Grating based 파장분석기 -온도, 스트레인, 압력 등 편광 . 편광분석기(polarization analyzer) -전류, 전압, 광통신소자의 편광의존 특성 등 레이저의직진성을이용한변위센서레이저의직진성을이용한변위센서 . 교량, 빌딩 등의 변형도, 진동, 구부러짐 측정 . 구조물의 정렬 . 목표물의 변위측정 펄스레레이이저저를를이이용용한한거거리리센센서서 . 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 산란을이용한가시도의측정산란을이용한가시도의측정 ckxinouteII... c: dust concentration k: extinction coefficient x: measurement path 흡수를이용한Gas의측정흡수를이용한Gas의측정 Gas duct monitoring Emission monitoring Process controlling 간섭계를이용한진동해석간섭계를이용한진동해석 fixed mirror Michelson 간섭계 sample ./4 laser )(fI . max + + min ./2 간섭패턴분석을통한3차원형상, 진동의측정(ESPI, Shearography 등) 간섭패턴분석을통한3차원형상, 진동의측정(ESPI, Shearography 등) 레이저도플러유속계(Laser Doppler Anemometry) 레이저도플러유속계(Laser Doppler Anemometry) . 비접촉식 3차원 측정 . 난류유동의 해석 . 공기역학적 응용 . 표면 속도, 진동 측정 동작원리동작원리 Velocity = distance/time Flow with particles d (known) t (measured) Signal Time LaserBragg Cell backscattered light measuring volume Detector Processor 광섬유유((OOppttiiccaall FFiibbeerr)) . 센서와 신호전달의 역할읁 동시수행 . 분배형 센서의 실현이 용이 . 원격측정가능 (~0.2 dB/km loss) . 기존 센서기술로 불가능. 부분읁 커버 광섬유센서(Fiber-Optic Sensor) 광섬유센서(Fiber-Optic Sensor) Fabry-Perot 간섭계센서In-line FP sensor TiO2 .. . . . nL. .. 4Fabry-Perot 간섭계센서In-line FP sensor TiO2 .. . . . nL. .. 4 Fiber-Optic Gyroscope Fiber-Optic Gyroscope 회전에 의. 위상차 발생 . 위상차의 측정 . 회전각읁 초정밀측정(100 년에 1회전도 측정가능) . 가격, 안정성, 내구성, 빠른 기동 시간 등이 우수 . 비행기, 미사일, 우주선, 잠수. 등의 항법장치, 무인자동화기기의 자세제어, 자이로 콤파스 등의 응용범위륹 가짐 광섬유격자(fiber Bragg grating) 센서광섬유격자(fiber Bragg grating) 센서 . 특정 파장만읁 반사 . 반사파장의 변화로부터 물리량읁 측정 . 측정점의 위치, 크기가 고정 . 준분배센서 .직·병렬트리구조로센서네트워크구성이가능 .수십, 수백개의센서를하나의시스템으로신호처리 .준분배형센서시스템 .직·병렬트리구조로센서네트워크구성이가능 .수십, 수백개의센서를하나의시스템으로신호처리 .준분배형센서시스템 Strain gage 륹 이용. 여객기의 안전도 검사 OFS-15 OFS-15 . Wavelength encoding . Noise에 매욪 강. . 다중. 센서 . Intrinsic structure . Easily embedded . Easily locatable . Cost-effective Luzzon Dam : Temperature distribution measured with the LASBI system 15 and 55 days after concrete pouring. Fiber-Optic Sensor Installation Fiber-Optic Sensor Installation 편광변화를이용한전류의측정편광변화를이용한전류의측정 의광학학((BBiioo--PPhhoottoonniiccss)) OCT: Optical Coherence Tomography 비침습적인 방법으로 생체조직의 입체 형상읁 구현 4.7T MRI (1.8 x 1.3 cm) OCT (2 x 1.8 mm) Histology Summary Summary 거의 모든 형태의 물리량읁 높은 정밀도로 측정가능 광센서 = Transducer + Demodulator Transducer: 물리량 . 광특성변화 (Intensity, 위상, 파장, 편광) Demodulator: 광특성변화 . 전기신호