국부적인 측정을 수행하는 일반적인 광섬유 센서에 비해 분포형 광섬유 센서는 광섬유의 길이방향을 따라 모든 위치에서 측정이 가능하며 보다 넓은 영역의 측정을 수행할 수 있다. 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서를 구조물의 건전성 감시에 이용할 때에는 광섬유 센서의 일반적인 부착 방법인 에폭시를 이용한 표면부착 방법을 사용하게 된다. 본 논문에서는 에폭시를 이용하여 브릴루인 분포형 광섬유 센서를 구조물의 표면에 부착하였을 때 구조물의 변형률 변화를 광섬유 센서가 정확히 측정해 낼 수 있는지에 대해 유한요소법을 통한 검증을 수행하였다. 구조물로부터 에폭시, 광섬유 코팅, 클래딩을 통해 코어로 전달되는 변형률의 전달률을 해석을 통해 확인하였으며 변형률 분포로부터 에폭시 끝 단의 자유 경계면이 미치는 영향을 살펴보았다.
국부적인 측정을 수행하는 일반적인 광섬유 센서에 비해 분포형 광섬유 센서는 광섬유의 길이방향을 따라 모든 위치에서 측정이 가능하며 보다 넓은 영역의 측정을 수행할 수 있다. 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서를 구조물의 건전성 감시에 이용할 때에는 광섬유 센서의 일반적인 부착 방법인 에폭시를 이용한 표면부착 방법을 사용하게 된다. 본 논문에서는 에폭시를 이용하여 브릴루인 분포형 광섬유 센서를 구조물의 표면에 부착하였을 때 구조물의 변형률 변화를 광섬유 센서가 정확히 측정해 낼 수 있는지에 대해 유한요소법을 통한 검증을 수행하였다. 구조물로부터 에폭시, 광섬유 코팅, 클래딩을 통해 코어로 전달되는 변형률의 전달률을 해석을 통해 확인하였으며 변형률 분포로부터 에폭시 끝 단의 자유 경계면이 미치는 영향을 살펴보았다.
Comparing with general optical fiber sensors performing localized measurement, distributed optical fiber sensors can measure along an optical fiber, and they have large measuring range. The surface-mounting method with epoxy adhesive is general in attaching optical fiber sensors to structures, This ...
Comparing with general optical fiber sensors performing localized measurement, distributed optical fiber sensors can measure along an optical fiber, and they have large measuring range. The surface-mounting method with epoxy adhesive is general in attaching optical fiber sensors to structures, This is also appliable to the structural integrity monitoring with Brillouin-scattering distributed optical fiber sensors. In this paper, Brillouin-scattering distributed optical fiber sensors, which are attached to the surface of a structure with epoxy adhesive, was verified with the finite element method. From the analysis results of strain transfer through the structure, optical fiber coating, cladding and core, the strain transfer rates were calculated. And the influence of the epoxy free-end was also studied.
Comparing with general optical fiber sensors performing localized measurement, distributed optical fiber sensors can measure along an optical fiber, and they have large measuring range. The surface-mounting method with epoxy adhesive is general in attaching optical fiber sensors to structures, This is also appliable to the structural integrity monitoring with Brillouin-scattering distributed optical fiber sensors. In this paper, Brillouin-scattering distributed optical fiber sensors, which are attached to the surface of a structure with epoxy adhesive, was verified with the finite element method. From the analysis results of strain transfer through the structure, optical fiber coating, cladding and core, the strain transfer rates were calculated. And the influence of the epoxy free-end was also studied.
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문제 정의
브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서는 수 km에서 수 십 km에 이르는 측정 길이에 대해서 에폭시를 이용하여 표면 부착된다. 본 연구에서는 강 구조물의 표면에 상대적으로 강성이 낮은 에폭시를 이용하여 광섬유 센서를 부착하였을 때의 변형률 측정에 대한 평가를 수 행하였다.
본 연구에서는 구조물의 표면에 에폭시 접착제를 이용하여 브릴루인 산란 분포형 광섬유센서를 부착할 때 센서가 구조물의 변형을 정확히 측정할 수 있는지 를 유한요소법으로 확인하였다. 그 결과 구조물로부터 에폭시, 광섬유의 피복, 클래딩을 거쳐 광섬유 코어로 전달되는 변형률은 그 전달률이 100%에 근접함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서로 써 사용되는 폴리이마이드 코팅의 단일모드 광섬유를 인장 하중을 받고 있는 강구조물의 한쪽 표면에 에폭 시 접착제를 이용하여 부착하는 적용 방법에 대해 유 한요소 모델을 설계하였다. 해석에 이용된 각 재료의 물성은 표 1과 같다.
가설 설정
광섬유 센서가 부착되는 강구 조물은 폭 12mm, 두께 6mm의 직각 사각 단면을 갖는 길이 20mm의 인장시편으로 모델링하였다. 강구조 시편의 길이방향으로 에폭시를 이용, 광섬유를 표면 부착하였 기 때문에 모델은 폭 방향에 대해 대칭이며, 자유단으로부터 일정 거리 이상에서는 강구조물과 에폭시, 광섬유 모두 길이 방향 변형률이 같다고 가정하여 그림 2 과 같이 두 축에 대한 대칭 모델을 만들었다. 그림에서 모델의 1축의 왼쪽 면, 3축의 뒷면의 변위를 고정하였 으며 3축의 앞쪽 면의 강구조물 부분에 일정한 인장하 중을 가하였다.
강구조물과 에폭시, 광섬유의 피복, 클래딩, 코어의 각 경계면은 완전 결합되어 미끄러짐이 존재하지 않는 것으로 가정하였다. 하중은 모든 재료가 탄성 거동을 보이도록 강구조물에 IMPa의 인장응력을 가하였다.
실제 에폭시의 자유 경계면 쪽의 길이방향 형상은 그림 1의 단면과 마찬가지로 원호의 일부 형태로 곡률 을 갖게 나타나지만 본 유한 요소 해석에서는 3차원 모델링의 단순화를 위해서 끝 단의 자유 경계면 형상이 수직하게 나타나는 것으로 가정하였다.
광섬유 센서를 구조물의 표면에 부착할 때 작업의 편의를 위해 광섬유의 크기에 비해 많은 양의 에폭시를 광섬유에 덮어 부착하게 된다. 에폭시 단면의 형상은 그림 1와 같으며, 폭과 두께의 비는 에폭시 접착제의 양에 따라 다소 차이가 있지만 오른쪽 그림과 같이 에폭시 접착제 의 단면 형상을 원호의 일부로 가정할 수 있음을 알 수 있었다.
제안 방법
에폭시 접착제의 두 께와 폭은 광섬유 센서를 충분히 덮어 접착하기 위해 서 600um의 피복 직경의 경우는 각각 2um, 10um로, 1000um와 2000um의 피복 직경의 경우는 각각 4m, 20m 로 설정하였다. 광섬유의 위치는 에폭시 접착제의 중심 으로 하였으며, 강구조 시편의 폭은 에폭시 접착제의 크기를 고려하여 600um의 피복 직경의 경우는 12顺, 1000um와 2000um의 피복 직경의 경우는 24剛로 정했다.
하지만 에폭시 접착제를 사용하는 과정 에서 광섬유와 구조물 사이에 발생하는 간격은 불가피 하다. 따라서 광섬유는 강구조물의 표면으로부터 25um 떨어진 것으로 모델링하였으며, 실제 광섬유 센서의 부착 작업 시의 허용 정도를 확인하기 위해서 광섬유를 강구조물의 표면으로부터 25um를 포함, 200, 375, 500, 725/um 떨어지도록 모델링 하여 비교하였다. 이는 각각 광섬유의 중심 위치로 볼 때 두께 1mm 에폭시의 15, 32.
만일 피복의 직경을 크게 한다면 분포형 광섬유 센서의 부착 작업이 보다 용이해질 것 이다. 따라서 앞에서의 해석 모델과 같은 조건에 광섬 유의 피복 직경이 600um, 1000um, 2000um인 모델에 대 한 추가적인 해석을 수행하였다. 에폭시 접착제의 두 께와 폭은 광섬유 센서를 충분히 덮어 접착하기 위해 서 600um의 피복 직경의 경우는 각각 2um, 10um로, 1000um와 2000um의 피복 직경의 경우는 각각 4m, 20m 로 설정하였다.
먼저 에폭시 접착제의 부착 형상을 확인하기 위해 광섬유 없이 에폭시 접착제를 강구조물인 인장 시편의 표면에 부착한 후 그 단면을 관찰하였다. 광섬유 센서를 구조물의 표면에 부착할 때 작업의 편의를 위해 광섬유의 크기에 비해 많은 양의 에폭시를 광섬유에 덮어 부착하게 된다.
분포형 광섬유 센서의 부착에 이용하는 에폭시 접착제 크기의 영향을 확인하기 위해서 앞의 해석 모델과 같은 형상이며 크기가 두 배인 두께 2m, 폭 10mm인 에 폭시 접착제에 대해 추가로 모델링하였다. 측정대상이 되는 강구조 시편은 두께는 그대로이며 폭과 길이는 두 배로 하였다.
실제 관찰한 에폭시 부착 단면의 형상을 바탕으로 폭과 두께가 각각 5mm와 1m인 원호 일부 형태로 유한 요소 모델을 설계하였다. 광섬유 센서가 부착되는 강구 조물은 폭 12mm, 두께 6mm의 직각 사각 단면을 갖는 길이 20mm의 인장시편으로 모델링하였다.
따라서 앞에서의 해석 모델과 같은 조건에 광섬 유의 피복 직경이 600um, 1000um, 2000um인 모델에 대 한 추가적인 해석을 수행하였다. 에폭시 접착제의 두 께와 폭은 광섬유 센서를 충분히 덮어 접착하기 위해 서 600um의 피복 직경의 경우는 각각 2um, 10um로, 1000um와 2000um의 피복 직경의 경우는 각각 4m, 20m 로 설정하였다. 광섬유의 위치는 에폭시 접착제의 중심 으로 하였으며, 강구조 시편의 폭은 에폭시 접착제의 크기를 고려하여 600um의 피복 직경의 경우는 12顺, 1000um와 2000um의 피복 직경의 경우는 24剛로 정했다.
93%로 나타났다. 이러한 결과의 원인을 확인하기 위해서 1000um와 2000/um의 피 복 직경에 대한 모델에서의 강구조 시편 두께를 두 배로 증가하여 해석을 수행하였다. 그림 7과 그림 8는 그 결과를 비교한 것으로 시편의 두께가 큰 경우 수렴되는 변형률 전달 값이 더 큰 것을 알 수 있었다.
강구조물과 에폭시, 광섬유의 피복, 클래딩, 코어의 각 경계면은 완전 결합되어 미끄러짐이 존재하지 않는 것으로 가정하였다. 하중은 모든 재료가 탄성 거동을 보이도록 강구조물에 IMPa의 인장응력을 가하였다. 이 는 강구조물에 길이방향으로 5x104%의 수직 변형률을 유발한다.
해석된 유한요소 모델의 길이에 대한 타당성을 확인하기 위하여 1 mm 에폭시 접착제 두께의 0.5m 광섬유 위치 모델의 길이를 두 배로 확장하여 해석을 수행하였다. 그림 6은 광섬유 코어로 전달된 변형률의 분포를 나타낸 것이다.
5의 포아송비를 갖 는다. 해석에서는 에폭시 접착제의 탄성계수와 포아송 비를 각각 2.5GPa, 0.35로 설정하였다. 광섬유의 코어와 클래딩은 실리카 유리의 물성으로 동일하다고 보며 클 래딩 외부의 코팅은 폴리이마이드로 구성되어 있다.
대상 데이터
실제 관찰한 에폭시 부착 단면의 형상을 바탕으로 폭과 두께가 각각 5mm와 1m인 원호 일부 형태로 유한 요소 모델을 설계하였다. 광섬유 센서가 부착되는 강구 조물은 폭 12mm, 두께 6mm의 직각 사각 단면을 갖는 길이 20mm의 인장시편으로 모델링하였다. 강구조 시편의 길이방향으로 에폭시를 이용, 광섬유를 표면 부착하였 기 때문에 모델은 폭 방향에 대해 대칭이며, 자유단으로부터 일정 거리 이상에서는 강구조물과 에폭시, 광섬유 모두 길이 방향 변형률이 같다고 가정하여 그림 2 과 같이 두 축에 대한 대칭 모델을 만들었다.
분포형 광섬유 센서의 부착에 이용하는 에폭시 접착제 크기의 영향을 확인하기 위해서 앞의 해석 모델과 같은 형상이며 크기가 두 배인 두께 2m, 폭 10mm인 에 폭시 접착제에 대해 추가로 모델링하였다. 측정대상이 되는 강구조 시편은 두께는 그대로이며 폭과 길이는 두 배로 하였다. 이 경우에는 광섬유 센서의 중심 위치를 에폭시 두께의 85%인 와 에폭시 두께 1mm 모델에서의 중간 위치였던 0.
데이터처리
각 모델에 대해 ABAQUS를 이용하여 유한요소 해 석을 수행하였다. 에폭시 접착제 두께 1皿인 모델에 대한 해석 결과 광섬유 코어의 길이방향 대칭면 쪽 요소의 길이 방향 수직 변형률 전달을 정리하면 표 2과 같 다.
이론/모형
에폭시 접착제 및 광섬유의 코팅은 다른 부분에 비해 강성이 낮으며 에폭시 접착제의 끝단에서는 광섬유 길이 방향으로의 구속이 없다. 따라서 광섬유 코어에 분포되는 변형률의 크기는 구조물과 같지 않을 수 있으며 이를 유한요소법을 이용하여 확인하였다.
성능/효과
본 연구에서는 구조물의 표면에 에폭시 접착제를 이용하여 브릴루인 산란 분포형 광섬유센서를 부착할 때 센서가 구조물의 변형을 정확히 측정할 수 있는지 를 유한요소법으로 확인하였다. 그 결과 구조물로부터 에폭시, 광섬유의 피복, 클래딩을 거쳐 광섬유 코어로 전달되는 변형률은 그 전달률이 100%에 근접함을 알 수 있었다. 또한 광섬유 센서가 어느 정도 구조물의 표면으로부터 떨어져 있더라도 변형률의 전달에는 그다지 영향을 주지 않았으며, 이러한 사실은 실제 구조물에 광섬유 센서를 설치할 때 어느 정도의 간격은 충분히 허용할 수 있는 것을 의미한다.
하지만 2, 3, 4배 조밀한 길이방향 요소에 대한 모델을 비교해 본 결과 변형률 분포는 동일하게 나타났으며, 모델에서는 특별한 특이점이 존재하지 않으므로 요소 조밀도에는 큰 영향을 받지 않게 된다. 또한 구조물과 에폭시, 광섬유 클래딩과 피복 경계에서의 강성차에 의한 응력 집중을 확인하기 위해 부분적으로 조밀한 요소로 모델을 구성해 보았으나 광섬유 코어로 전달되는 변형률에는 전혀 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
변형률 분포의 결과로부터 광섬유 센서가 구조물의 표면에서 멀리 떨어질수록 자유 경계면 쪽 요소의 변형 률 전달이 작게 나타나고 있음을 알 수 있다. 광섬유 중 심 위치가 850um인 경우 자유 경계면 쪽 요소의 전달률 은 42.
본 유한요소해석의 결과로부터 구조물에서 에폭시 접착제로 부착된 광섬유 센서로 길이 방향 수직 변형률이 100%에 가깝게 전달되는 것을 확인하였다. 이는 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서를 구조물의 표면에 부착하여 변형률을 측정할 때 측정값을 신뢰할 수 있 다는 것을 의미한다.
또한 광섬유 센서가 어느 정도 구조물의 표면으로부터 떨어져 있더라도 변형률의 전달에는 그다지 영향을 주지 않았으며, 이러한 사실은 실제 구조물에 광섬유 센서를 설치할 때 어느 정도의 간격은 충분히 허용할 수 있는 것을 의미한다. 에폭시 접착제의 끝 부분에서는 자유 경계면의 영향으로 변형률의 전달이 작게 나타나는 부분이 있었는데 이 길이는 대략 에폭시 두께의 5배 정도이기 때문에 에폭시의 두께를 작게 설치를 하면 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서의 거리 분해능 정도로 보아 무시할 수 있는 정도임을 알 수 있었다.
에폭시의 자유 경계면 쪽으로 변형률 전달이 낮아지 는 것은 해석 결과 에폭시 두께의 5배 정도 길이로 한정되는 것을 알 수 있었는데, 이것은 광섬유 센서가 구조물의 표면에 가까이 있을수록 그리고 에폭시의 두께가 작을수록 그 효과를 줄일 수 있음을 나타낸다. 하지만 에폭시의 두께를 지나치게 크게 하지 않는 이상 변형률 전달이 낮게 나타나는 길이는 브릴루인 산란 분포형 광섬유 센서의 수십 cm에서 수 이에 이르는 거리 분해능에 비하면 아주 짧기 때문에 무시할 수 있다.
그림 7과 그림 8는 그 결과를 비교한 것으로 시편의 두께가 큰 경우 수렴되는 변형률 전달 값이 더 큰 것을 알 수 있었다. 이는 측정 대상의 두께와 에폭시 접착제의 두께의 비가 광섬유 센서로의 변형률 전달에 영향을 미치는 것을 의미하며, 에폭시 접착제의 두께를 상대적으로 작게 할수록 변형률 전달에 유리한 것을 확인할 수 있다. 600um 의 피복 직경과 일반 피복 직경의 경우, 1000um의 피복 직경과 2000um의 피복 직경의 경우를 각각 비교해 볼 때 광섬유 피복이 커질수록 변형률 전달률이 작아지기는 하지만 그 영향은 그리 크지 않은 것을 알 수 있다.
에폭시 접착제 두께 1皿인 모델에 대한 해석 결과 광섬유 코어의 길이방향 대칭면 쪽 요소의 길이 방향 수직 변형률 전달을 정리하면 표 2과 같 다. 표 2의 결과는 유한요소해석의 오차 정도로써 모든 모델의 변형률 전달은 거의 100%에 가깝게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 광섬유 센서가 구조물의 표면으로부터 어느 정도 떨어져 있어도 광섬유의 코어로 전달되는 길이방향 수직 변형률에는 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
유한요소 모델에서 길이방향으로의 요소가 조밀해짐에 따라 광섬유 코어의 자유 경계면 쪽에서는 경계조건에 가까운 결과를 보인다. 하지만 2, 3, 4배 조밀한 길이방향 요소에 대한 모델을 비교해 본 결과 변형률 분포는 동일하게 나타났으며, 모델에서는 특별한 특이점이 존재하지 않으므로 요소 조밀도에는 큰 영향을 받지 않게 된다. 또한 구조물과 에폭시, 광섬유 클래딩과 피복 경계에서의 강성차에 의한 응력 집중을 확인하기 위해 부분적으로 조밀한 요소로 모델을 구성해 보았으나 광섬유 코어로 전달되는 변형률에는 전혀 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
해석 결과에서 광섬유 코어로 전달되는 변형률은 1.7mm의 광섬유 위치에서는 1mm 두께 에폭시 접착제 모델의 85% 광섬유 위치 경우에 비해 절반 정도 크기인 23.3%로 계산되었으며 0.5mm의 광섬유 위치에서는 Iran 두께에 비해 작은 값을 나타내었다. 2m 두께 에폭시 접착제의 경우에서도 1.
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