[논문]투과형 EFPI 광섬유 센서를 이용한 변형률 및 온도의 측정

김상훈; 이정주; 허증수

문제 정의

본 연구에서는 기존의 반사형 EFPI 광섬유 센서와는 다른 투과형의 구조를 갖는 EFPKTEFPI) 광섬유 센서의 원리와 이를 이용한 변형률 및 온도의 측정 방법을 제시하였다. 투과형 EFPI 광섬유 센서의 간섭프린지는 출력신호 수준 변화와 동시에 나타나기 때문에 간섭프린지진폭의 신호수준에 대한 크기 비를 나타내는 가시도 (visibility)는 반사형 EFPI 광섬유 센서에 비해 작은 값을 갖는다.
본 연구에서는 단일 센서 신호 자체에서 측정방향의 정보를 얻어 기존의 방법보다 간단하고 효과적으로 측정방향을 구별할 수 있는 투과형 구조의 EFPI 광섬유 센서에 대한 개발 내용과 이를 이용한 변형률 및 온도의 측정, 검증 결과를 소개한다.

제안 방법

9µm, 125m 250µm인 단일모드 광섬유가 사용되었으며, 광섬유 끝부분의 피복을 벗기고 광섬유 수직절단기를 이용하여 축 방향에 수직하게 절단한 후 128〜130µm 내경, 300〜350µm 외경의 모세유리관에 삽입하여 그림 1과 같이 구성하였다. 모세유리관 내의 두 광섬유 초기 간극길이를 70µm 정도가 되도록 설치하고 유리관의 양끝에서 에폭시 접착제를 이용하여 고정하였다. 이때 일부의 에폭시 접착제가 스며들어가게 되며, 림 1에서와 같이 접착제에 의해 고정되지 않는 모세유리관의 내부길이 #가 실제 외부물리량 변화를 전달하여 측정을 수행하는 측정길이로 정의된다.
측정한 온도변화를 비교한 것이다. 변형률의 측성과 마찬가지로 간섭프린지의 P-V발생회수를 이용하여 식(7)의 온도변화를 결정하고 출력신호 수준의 증감경향으로부터 온도변화의 증가, 감소를 구분하였다. 그결과 투과형 EFPI 광섬유 센서의 측정온도는 열전대의 측정온도에 근접함을 확인할 수 있었으며, 55℃정도의 온도변화지점에서 2℃ 정도의 차이를 보였다.
변형률의 측정을 위해 투과형 EFPI 광섬유 센서를 제작, 실험을 수행하였다. 투과형 EFPI 광섬유 센서의 광섬유1, 2로는 고어, 클래딩, 피복 직경이 각각 7.
센서가 부착된 인장시편은 유압식 인장시험기 MTS를 이용하여 valley의 하중이 0인 삼각파의 하중형태로 반복하였다.
온도의 측정은 그림 6과 같이 작은 크기의 알루미늄판에 투과형 EFPI 광섬유 센서를 에폭시 접착제를 이용하여 부착, 온도 변화에 의한 열팽창으로부터 전달되는 센서의 간극길이 변화를 이용하여 수행되었다.
구분이 어려운 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해서 2개의 EFPKextrinsic Fabry-Perot interferometer) 시스템을 이용하는 quadrature phase-shifted EFPI 광섬유 센서[7]와 스펙트럼 분석을 통해 절대측정이 가능한 AEFPI (absolute EFPI) 광섬유 센서[8]가 제안되었다.

대상 데이터

실험에는 파장 1315nm의 단일모드 레이저 다이오드가 광원으로 사용되었다. 표 1과 같이 4531mm에서 12.
02mm 지의 측정길이를 갖는 센서가 제작되었으며, 그림 4와 같이 인장시편의 한쪽 표면에 에폭시를 이용하여 부착되었다. 인장 시편의 반대쪽 같은 위치에는 투과형 EFPI 광섬유 센서의 비교, 검증을 위해서 Kyowa사의 저항형 스트레인 게이지를 설치하였다.
실험을 수행하였다. 투과형 EFPI 광섬유 센서의 광섬유1, 2로는 고어, 클래딩, 피복 직경이 각각 7.9µm, 125m 250µm인 단일모드 광섬유가 사용되었으며, 광섬유 끝부분의 피복을 벗기고 광섬유 수직절단기를 이용하여 축 방향에 수직하게 절단한 후 128〜130µm 내경, 300〜350µm 외경의 모세유리관에 삽입하여 그림 1과 같이 구성하였다. 모세유리관 내의 두 광섬유 초기 간극길이를 70µm 정도가 되도록 설치하고 유리관의 양끝에서 에폭시 접착제를 이용하여 고정하였다.
사용되었다. 표 1과 같이 4531mm에서 12.02mm 지의 측정길이를 갖는 센서가 제작되었으며, 그림 4와 같이 인장시편의 한쪽 표면에 에폭시를 이용하여 부착되었다. 인장 시편의 반대쪽 같은 위치에는 투과형 EFPI 광섬유 센서의 비교, 검증을 위해서 Kyowa사의 저항형 스트레인 게이지를 설치하였다.

성능/효과

변형률의 측성과 마찬가지로 간섭프린지의 P-V발생회수를 이용하여 식(7)의 온도변화를 결정하고 출력신호 수준의 증감경향으로부터 온도변화의 증가, 감소를 구분하였다. 그결과 투과형 EFPI 광섬유 센서의 측정온도는 열전대의 측정온도에 근접함을 확인할 수 있었으며, 55℃정도의 온도변화지점에서 2℃ 정도의 차이를 보였다. 일반적으로 열전대는 작은 크기의 비드를 측정부로 이용하기 때문에 측정범위가 작은 반면, 광섬유 센서는 측정길이가 상대적으로 길기 때문에 평균적인 측정을 수행하게 된다.
이는 센서 시스템에서 발생할 수 있는 잡음에 다소 취약함을 의미하지만, 본 연구의 실험 결과에서 간섭프린지는 측정을 수행하기에 충분함을 확인할 수 있었다. 또한 투과형 EFPI 광섬유 센서는 제작 및 센서 시스템 부품, 신호처리 면에서 기존 EFPI 광섬유 센서의 측정 방향 구별을 위한 방법보다 우수하다.
본 연구의 온도 측정 실험결과로부터 투과형 EFPI 광섬유 센서는 상온에서 85℃정도의 온도 범위까지의 사용에 지장이 없음을 확인할 수 있었다. 하지만 광섬유 센서의 제작 및 부착에 사용한 에폭시 접착제는 고온에서 불안정한 거동을 보이기 때문에, 추후 이에 적절한 접착제나 접착방법을 고안한다면 보다 넓은 범위에서의 온도측정이 가능할 것이다.
비교한 것이다. 스트레인 게이지의 신호는 변형률에 비례하는 반면, 광섬유 센서의 신호는 해석 및 그림 3의 결과에서와 같이 인장방향 변형률에 대해서 신호의 수준이 감소하면서 간섭프린지가 발생하며, 압축방향 변형률에 대해서는 반대의 경향을 보였다. 그림 5(b)는 신호의 수준변화에 의한 측정 방향과 식(4)에 의한 변형률 측정을 이용하여 광섬유 센서의 출력신호를 변형률로 변환한것으로, 스트레인 게이지를 이용하여 측정한 값과 일치하는 것을 알 수 있다.
투과형 EFPI 광섬유 센서의 간섭프린지는 출력신호 수준 변화와 동시에 나타나기 때문에 간섭프린지진폭의 신호수준에 대한 크기 비를 나타내는 가시도 (visibility)는 반사형 EFPI 광섬유 센서에 비해 작은 값을 갖는다. 이는 센서 시스템에서 발생할 수 있는 잡음에 다소 취약함을 의미하지만, 본 연구의 실험 결과에서 간섭프린지는 측정을 수행하기에 충분함을 확인할 수 있었다. 또한 투과형 EFPI 광섬유 센서는 제작 및 센서 시스템 부품, 신호처리 면에서 기존 EFPI 광섬유 센서의 측정 방향 구별을 위한 방법보다 우수하다.
특히 60〜80µm의 영역에서 일정한 간섭프린지 진폭과 선형성이 우수한 신호수준의 변화가 나타났다. 이러한 특성의 투과형 EFPI 광섬유 센서의 신호에서 간섭프린지의 개수를 이용하여 측정량을 결정할 수 있으며, 감쇄하는 신호수준으로 인장방향, 증가하는 신호수준으로 압축방향을 알 수 있게 된다.

후속연구

하지만 광섬유 센서의 제작 및 부착에 사용한 에폭시 접착제는 고온에서 불안정한 거동을 보이기 때문에, 추후 이에 적절한 접착제나 접착방법을 고안한다면 보다 넓은 범위에서의 온도측정이 가능할 것이다. 또한 이러한 온도측정 방법은 변형률의 측정에 있어서 온도에 의한 오차를 보상할 수 있는 방법으로 이용될 수 있을 것이다.
지장이 없음을 확인할 수 있었다. 하지만 광섬유 센서의 제작 및 부착에 사용한 에폭시 접착제는 고온에서 불안정한 거동을 보이기 때문에, 추후 이에 적절한 접착제나 접착방법을 고안한다면 보다 넓은 범위에서의 온도측정이 가능할 것이다. 또한 이러한 온도측정 방법은 변형률의 측정에 있어서 온도에 의한 오차를 보상할 수 있는 방법으로 이용될 수 있을 것이다.

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