구조물의 변형률 측정을 위한 광섬유 TR-EFPI 센서의 개발 Development of Fiber Optic Total Reflected Extrinsic Fabry-Perot Interferometric Sensor for Structural Strain Measurement원문보기
광섬유 TR-EFPI(total reflected extrtinsic Fabry-Perot interferometric) 센서가 빌딩, 교량, 항공기 등의 구조물의 변형률을 측정하기 위하여 개발되어졌다. 기존의 광섬유 EFPl(extrinsic Fabry-Perot interferometric) 센서는 그 신호가 변형률의 변화에 따라 정현파 형태로 출력되기 때문에 변형률의 증가 또는 감소를 구별하기 어렵다. 또한 절대 변형률은 이러한 단순한 광섬유 EFPI 센서로는 측정이 불가능하다. 본 연구에서는 변형률의 크기와 방향을 측정하기 위해서 광섬유 EFPI 센서를 전반사형 탐촉자로 개조한 광섬유 TR-EFPI 센서를 구성하였다. 이 광섬유 TR-EFPI 센서의 탐촉자는 모세유리관 안에 공기간극을 이루는 단일모드 광섬유(single mode fiber)와 거울코팅 광섬유(mirror coated fiber)에 의하여 구성된다. 이 광섬유 TR-EFPI 센서의 광출력 신호로부터 변형률의 크기와 방향을 결정하기 위하여 필요한 정보를 얻을 수 있다. 광섬유 TR-EFPI 센서로부터 구한 변형률과 전기저항형 변형률 게이지에 의한 변형률을 비교하기 위하여 광섬유 TR-EFPI 센서를 구성하고 알루미늄보 위에 전기저항형 변형률 게이지와 동일한 위치에 적용하여 만능시험기를 사용하여 하중 증가-감소에 따른 변형률 측정 실험을 수행하였다. 이 실험을 통하여 광섬유 TR-EFPI 센서에 의하여 구한 변형률은 전기저항형 변형률 게이지에 의한 변형률과 잘 일치함을 확인하였다.
광섬유 TR-EFPI(total reflected extrtinsic Fabry-Perot interferometric) 센서가 빌딩, 교량, 항공기 등의 구조물의 변형률을 측정하기 위하여 개발되어졌다. 기존의 광섬유 EFPl(extrinsic Fabry-Perot interferometric) 센서는 그 신호가 변형률의 변화에 따라 정현파 형태로 출력되기 때문에 변형률의 증가 또는 감소를 구별하기 어렵다. 또한 절대 변형률은 이러한 단순한 광섬유 EFPI 센서로는 측정이 불가능하다. 본 연구에서는 변형률의 크기와 방향을 측정하기 위해서 광섬유 EFPI 센서를 전반사형 탐촉자로 개조한 광섬유 TR-EFPI 센서를 구성하였다. 이 광섬유 TR-EFPI 센서의 탐촉자는 모세유리관 안에 공기간극을 이루는 단일모드 광섬유(single mode fiber)와 거울코팅 광섬유(mirror coated fiber)에 의하여 구성된다. 이 광섬유 TR-EFPI 센서의 광출력 신호로부터 변형률의 크기와 방향을 결정하기 위하여 필요한 정보를 얻을 수 있다. 광섬유 TR-EFPI 센서로부터 구한 변형률과 전기저항형 변형률 게이지에 의한 변형률을 비교하기 위하여 광섬유 TR-EFPI 센서를 구성하고 알루미늄보 위에 전기저항형 변형률 게이지와 동일한 위치에 적용하여 만능시험기를 사용하여 하중 증가-감소에 따른 변형률 측정 실험을 수행하였다. 이 실험을 통하여 광섬유 TR-EFPI 센서에 의하여 구한 변형률은 전기저항형 변형률 게이지에 의한 변형률과 잘 일치함을 확인하였다.
Fiber optic TR-EFPI(total reflected extrtinsic Fabry-Perot interferometric) sensor was developed to measure the strain of structures, such as building, bridge, aircraft, etc. It has been difficult to distinguish the increase and decrease of the strain from the conventional fiber optic EFPI sensor be...
Fiber optic TR-EFPI(total reflected extrtinsic Fabry-Perot interferometric) sensor was developed to measure the strain of structures, such as building, bridge, aircraft, etc. It has been difficult to distinguish the increase and decrease of the strain from the conventional fiber optic EFPI sensor because their signals only have a sinusoidal wave pattern related to the change of strain. Also, the absolute strain could not be measured by the simple fiber optic EFPI sensor. In this study, in order to measure the magnitude of strain with the direction of strain, the fiber optic sensor was simply constructed with the total reflected EFPI sensor probe. This probe was manufactured with a single mode fiber and a mirror coated fiber in a silica glass capillary tube. The output signal of this fiber optic TR-EFPT sensor can give the information about the magnitude and the direction of strain. The loading-unloading test was performed by the universal testing machine with alluminum beam specimen to compare the strain from fiber optic TR-EFPI sensor with the value from electrical strain gauge. In the result of this experiment. the strain from fiber optic TR-EFPI sensor had a good agreement with the values from the electrical strain gauge.
Fiber optic TR-EFPI(total reflected extrtinsic Fabry-Perot interferometric) sensor was developed to measure the strain of structures, such as building, bridge, aircraft, etc. It has been difficult to distinguish the increase and decrease of the strain from the conventional fiber optic EFPI sensor because their signals only have a sinusoidal wave pattern related to the change of strain. Also, the absolute strain could not be measured by the simple fiber optic EFPI sensor. In this study, in order to measure the magnitude of strain with the direction of strain, the fiber optic sensor was simply constructed with the total reflected EFPI sensor probe. This probe was manufactured with a single mode fiber and a mirror coated fiber in a silica glass capillary tube. The output signal of this fiber optic TR-EFPT sensor can give the information about the magnitude and the direction of strain. The loading-unloading test was performed by the universal testing machine with alluminum beam specimen to compare the strain from fiber optic TR-EFPI sensor with the value from electrical strain gauge. In the result of this experiment. the strain from fiber optic TR-EFPI sensor had a good agreement with the values from the electrical strain gauge.
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문제 정의
본 연구에서는 광섬유 TR-EFPI 센서를 개발하고 외부 물리량으로 대표적인 구조물의 변형률 변화 크기와 방향을 부가적인 광학 부품 또는 스펙트럼 등의 신호처리를 위한 부수적인 장비가 필요없이 간편한 디지털 계산에 의하여 알아낼 수 있도록 하였다. 이 TR-EFPI 센서 탐촉자는 한 개의 단일모드.
제안 방법
TR-EFPI 센서이 광출력 신호 특성을 파악하기 위하여 Fig. 3과 같이 광섬유 축을 정렬할 수 있는 광섬 유 접속기를 정밀한 광섬유 정밀이송장치(precise optical fiber translation device)로 사용하였다' 이 정밀 이송장치 위에 단일모드 광섬유와 거울코팅 광섬유를 위치시킨 후에 공기간극을 변화시키면서 신호특성을 관찰하였다. 그 결과 Fig.
만능시험기는 1 mm/min 의 속도로 변위를 제어하면서 하중을 증가시켰다가 다시 감소시키도록 작동시켰다. 광섬유 센서의 신호는 광 검출기 (Lasertron, QDFTTX)5)를 사용하여 전기신호로 바꾸고, 변형률 게이지 신호와 함께 A/D 변환기를 통하여 PC에서 신호를 취득하였다.
구조물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유 TR-EFPI 센서를 개발하기 위하여 광출력 신호 특성을 수치 해석 및 실험을 통하여 조사하고, 단일모드 광섬 유와 거울코팅 광섬유를 모세 유리관에 삽입한 탐촉자 를 제작하여 외부 물리량으로 변형률을 가하면서 광출 력 신호 변화를 관찰하였다. 이러한 연구를 통하여 광 섬유 TR-EFPI 센서는 변형률의 크기 및 방향을 측정 할 수 있는 광출력 신호에 신호 수준의 변화 및 간섭 파형을 동시에 출력함을 확인하였다.
광섬유 (single mode fiber)와 한 개의 거울코팅 광섬유(mirior coated fiber)를 모세 유리관 안에 고정하여 공기 간극을 형성함에 의하여 만들어진다. 구조물의 변형률을 측정하는 실험을 위하여 알루미늄 시험편의 표면에 광섬유 TR-EFPI 센서와 전기저항형 변형률 게이지를 부착하고, 만능시험기를 사용하여 하중을 증감시키면서 변형률의 변화를 측정하도록 하였다.
등은 두 개의 EFPI 센서를 한 조로 구성하여 변형률의 방향이 변화하는 시점을 감지하는 광섬유 센서 (quadrature phase-shifted EFPI sensor)를 사용할 수 있음을 보였다3). 이러한 두 개의 EFPI 센서를 한 조로 제작하여 사용하는 구조의 광섬유 센서는 하나의 EFPI 센서로는 구별하기 어려운 0°의 위상에서 방향 변화를 다른 EFPI 센서의 출력신호를 이용하여 감지함으로써, 작동방향 변화 위치를 알 수 있게 하였다. 그러나, 광원과 수광부가 2 조가 있어야 하고 현재 방향을 알려면 방향 변화 위치를 계속적으로 확인해야 하기 때문에 사용에 효율적이지 못하다는 단점을 가진다.
에폭시 접착제는 모 세 유리관 위에 묻히면 모세유리관 안으로 약 2 정도 흘러 들어가므로 게이지 길이는 약 10 #로 조정된다. 이러한 탐촉자 제작과정을 거쳐서 Fig. 7과 같은 탐촉자를 제작하였으며 PIKA 독취 현미경을 사용하여 10 ㎛ 정도의 정확도로 게이지 길이를 측정하였다.
8과 같이 길이는 290 # 폭은 25 tnm, 두께 는 5 #인 알루미늄 시험편 위에 에폭시를 사용하여 시험편의 중앙 부위에 부착하였다. 전기저항형 변형률 게이지는 게이지 길이 5 an의 Kyowa 제품을 광섬유 센서 옆에 부착하였4 변형률 측정 실험은 이 알루미 늄 시험편을 Fig. 9와 같은 만능시험기에 설치하여 하 중을 증감시키면서 수행하였다. 만능시험기는 1 mm/min 의 속도로 변위를 제어하면서 하중을 증가시켰다가 다시 감소시키도록 작동시켰다.
6 (2)와 같이 고정한다. 현미경의 낮은 배율(X30)로 미세 이송 장치를 사용하여 최대로 모세 유리관을 광섬유에 접근시킨 후 높은 배율-(X60) 을 사용하여 광섬유의 단면이 모세 유리관에 닿지 않 도록 주의하며 미세 이송 장치를 이용하여 모세 유리 관에 삽입하고 광섬유가 모세 유리관의 끝단부터 약 7 # 정도 삽입되어 위치하도록 한다. 모세 유리관과 광 섬유의 접착은 CIBA-GEIGY 사의 5분 경화 에폭시 (epoxy)를 사용하였다.
대상 데이터
그림 8. 광섬유 TR-EFPI 센서와 전기저항형 변형률 게이지를 접착한 알루미늄 시험편.
현미경의 낮은 배율(X30)로 미세 이송 장치를 사용하여 최대로 모세 유리관을 광섬유에 접근시킨 후 높은 배율-(X60) 을 사용하여 광섬유의 단면이 모세 유리관에 닿지 않 도록 주의하며 미세 이송 장치를 이용하여 모세 유리 관에 삽입하고 광섬유가 모세 유리관의 끝단부터 약 7 # 정도 삽입되어 위치하도록 한다. 모세 유리관과 광 섬유의 접착은 CIBA-GEIGY 사의 5분 경화 에폭시 (epoxy)를 사용하였다. 완전히 경화가 끝난 후 모세 유 리관의 광섬유가 삽입되지 않은 반대편을 게이지 길이 10 IM1 보다 약간 더 길게 약 14 BU) 정도로 바이트 날 을 사용하여 절단한다.
단일모드 광섬유는 광원의 파장에 의하여 코어직 경을 적합한 것으로 선정하면 된다. 본 연구에서는 1300 ra 파장의 광원에 적합한 약 8 #의 코어직경을 갖는 (주) LG광통신의 단일모드 광섬유를 사용하였다. 거울코팅 광섬유는 순도 약 99%의 금이나 은을 증착 세로 하여 진공증착기 안에 증착제의 위치와 수직하게 광섬유 단면을 위치시켜 코팅두께 약 0.
성능/효과
만능시험기를 사용한 변형률을 측 정하는 실험을 통하여 개발된 광섬유 TR-EFPI 센서가 전기 저항형 변형률 게이지와 함께 변형률을 잘 측정 할 수 있음을 보였다. 또한 변형률이 증가할 때와 감소 할 때 변형률을 계산하기 위한 게이지 상수가 다름을 알 수 있었다. 향후 이러한 변형률 증감에 따른 게이 지 상수 차이가 발생하는 원인 및 센서의 반복특성에 대한 정밀한 검토를 수행할 예정이다.
또한 변형률을 측 정하기 위한 유효 공기간극의 길이는 약 200 ㎛ 이하 임을 알 수 있었다. 만능시험기를 사용한 변형률을 측 정하는 실험을 통하여 개발된 광섬유 TR-EFPI 센서가 전기 저항형 변형률 게이지와 함께 변형률을 잘 측정 할 수 있음을 보였다. 또한 변형률이 증가할 때와 감소 할 때 변형률을 계산하기 위한 게이지 상수가 다름을 알 수 있었다.
구조물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유 TR-EFPI 센서를 개발하기 위하여 광출력 신호 특성을 수치 해석 및 실험을 통하여 조사하고, 단일모드 광섬 유와 거울코팅 광섬유를 모세 유리관에 삽입한 탐촉자 를 제작하여 외부 물리량으로 변형률을 가하면서 광출 력 신호 변화를 관찰하였다. 이러한 연구를 통하여 광 섬유 TR-EFPI 센서는 변형률의 크기 및 방향을 측정 할 수 있는 광출력 신호에 신호 수준의 변화 및 간섭 파형을 동시에 출력함을 확인하였다. 또한 변형률을 측 정하기 위한 유효 공기간극의 길이는 약 200 ㎛ 이하 임을 알 수 있었다.
후속연구
이와 같이 게이지 상수가 변형률 증가 구간과 감 소 구간에서 차이가 발생하는 원인은 광섬유 센서를 알루미늄 시험편에 접착한 에폭시 접착제의 점소성 특 성으로 인하여 알루미늄의 변형률이 감소할 때 광섬유 의 공기간극 길이가 감소하도록 에폭시 접착제가 거동 하여야 하는데 그렇지 않기 때문에 나타나는 현상으로 사려된다. 따라서 향후에는 이러한 점소성 특성이 최소 화된 접착제를 적용하여 변형률 측정을 편리하게 할 필요가 있다. 또한 접착제 특성에 따른 광섬유 센서의 변형률 즉정을 위한 게이지 상수의 변화에 대하여 반 복적인 변형률 측정에 대하여 조사해야 할 것이다.
따라서 향후에는 이러한 점소성 특성이 최소 화된 접착제를 적용하여 변형률 측정을 편리하게 할 필요가 있다. 또한 접착제 특성에 따른 광섬유 센서의 변형률 즉정을 위한 게이지 상수의 변화에 대하여 반 복적인 변형률 측정에 대하여 조사해야 할 것이다.
또한 변형률이 증가할 때와 감소 할 때 변형률을 계산하기 위한 게이지 상수가 다름을 알 수 있었다. 향후 이러한 변형률 증감에 따른 게이 지 상수 차이가 발생하는 원인 및 센서의 반복특성에 대한 정밀한 검토를 수행할 예정이다.
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