[논문]광섬유 BOTDA 센서의 개발

권일범; 최만용; 유재왕; 백세종

문제 정의

또한 변형률만을 측정하기 위해서는 변형률을 전달받는 광섬유와 온도만을 전달받는 일반적인 통신용 광섬유 케이블을 동일한 위치에 적용하여 온도를 측정하여 보상하면서 변형률을 구하는 방법이 제시되고 있다.1:刃 따라서 본 연구에서는 구조물의 안전을 감시하기 위한 목적으로 위에서와 같은 특징을 갖는 광섬유 B0TDA 센서를 제작하고 구조물에 부착된 광섬유는 단지 변형률만 전달받도록 일정온도 상태에서 실험을 수행하면서 변형률을 측정하기 위한 브릴루앙 주파수 천이를 구하기 위한 후방 산란 신호의 특성을 고찰하였다.
이러한 변형률 감지도를 구하게 되면 이후에는 광섬유 BOTDA 센서에서 측정되는 브 릴루앙 주파수 천이만 구하게 되면 변형률 감지도를 곱하여 변형률을 계산할 수 있게된다. 따라서 본 연구에서는 여러 변 형률 조건하에서 브릴루앙 주파수 천이를 구하는 실험을 수행 하였다.
90 GHz까지 1MHz의 단위로 증가시키면서 브릴루앙 후방 산란광 신호를 취득하였다. 이러한 후방 산란광 신호는 200회의 평균화 처리 후 브릴루앙 주파수 스펙트럼을 얻은 후 최종적으로 최대 브릴루앙 이득을 갖는 브릴루앙 주파수 천이 값을 구하는 프로그램에 의하여 얻어졌다. 이 브릴루앙 주파 수 천이값과 변형률의 관계를 구하기 위하여 실험에서 기지의 값으로 주어지는 변형률과 브릴루앙 주파수 천이값의 비례관 계 즉 변형률 감지도를 확인하였다.

가설 설정

광섬유 BOTDA 센서에 의하여 구조물의 변형률을 측정하는 실험은 광섬유가 구조물에 부착되어 구조물의 변형률 변화와 동일하게 인장되거나 압축된다고 가정하고, 본 연구에서의 실험에서는 온도는 상온에서 거의 일정하다고 가정하고 온도의 영향은 무시하고 실험을 수행하였다. 따라서 광섬유의 변형률은 구조물의 변형률을 대표할 수 있으므로 광섬유에 직접 변형률을 인가하는 실험을 수행히기 위하여 그림 5와 같이 준비 하였다.

제안 방법

광섬유 BOTDA 센서를 2개의 광전 변조기를 사용하여 구성 하였다. 단일모드 광섬유에 대하여 브릴루앙 이득 스펙트럼을 조사한 결과 고유 브릴루앙 주파수는 10.
광섬유 BOTDA 센서의 작동은 그림 3과 같이 구성한 후 펄스 광은 200 ns의 폭으로 만들었으며, CW 광은 10.80 GHz 에서 10.90 GHz까지 1MHz의 단위로 증가시키면서 브릴루앙 후방 산란광 신호를 취득하였다. 이러한 후방 산란광 신호는 200회의 평균화 처리 후 브릴루앙 주파수 스펙트럼을 얻은 후 최종적으로 최대 브릴루앙 이득을 갖는 브릴루앙 주파수 천이 값을 구하는 프로그램에 의하여 얻어졌다.
따라서 본 연구에서는 이러한 광섬유의 유도 브릴루앙 산란 특성을 이용하는 센서를 2개의 광전변조기를 사용하여 간단하 게 구성하고, 신호처리 시간 즉 평균화 횟수가 적게 작동되도 록 하였다. 구조물의 광역 변형률 측정을 위하여 사용할 수 있도록 광섬유에 변형률을 인가하면서 브릴루앙 주파수 천이 를 구하여 변형률을 계산하는 실험연구를 수행하였다. 특히 변 형률과 브릴루앙 주파수 천이 값과의 관계상수인 변형률 감지도를 실험적으로 구하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 광섬유의 유도 브릴루앙 산란 특성을 이용하는 센서를 2개의 광전변조기를 사용하여 간단하 게 구성하고, 신호처리 시간 즉 평균화 횟수가 적게 작동되도 록 하였다. 구조물의 광역 변형률 측정을 위하여 사용할 수 있도록 광섬유에 변형률을 인가하면서 브릴루앙 주파수 천이 를 구하여 변형률을 계산하는 실험연구를 수행하였다.
광섬유에 변형률이 가해지는 구간은 광학 테이블 위에 설치된 기둥의 간격을 약 1 m정도로 하여 광섬유를 10번을 반복하여 감아서 약 10 m 정도가 광섬유 인장 장치를 이용하여 광섬유 10 m를 인장시키면 광섬유에 변형률이 유발되 도록 하였다. 또한 광섬유에 변형률이 가해지는 10 m 구간의 전단부와 후단부에 광섬유 길이가 약 2.4 km인 광섬유를 연결하여 광섬유 전체길이는 4.81 km가 되도록 하여 실험하였다.
그림 4는 브릴루앙 주파수 스펙트럼을 광섬유의 길이 방향으로 얻어지는 평균화 처리된 후방 산란광 신호와 변형률 변화와의 관계를 보이기 위한 개념도이다. 본 연구에서 구성한 센서시스템을 브릴루앙 주파수 천이값을 구하기 위한 CW 프로브 광의 각각의 주파수에서 광섬유 길이를 따라 얻어지는 후방산란광의 파워를 그림 4와 같이 도시하면 브릴루앙 주파 수 스펙트럼을 구할 수 있게된다. 이렇게 구해진 그림 4의 브 릴루앙 주파수 스펙트럼에서 광섬유 길이에 대하여 브릴루앙 주파수 천이값 즉 최대 후방산란광이 출력되는 주파수를 구하면 식 ⑴을 사용하여 변형률을 구할 수 있게된다.
이러한 후방 산란광 신호는 200회의 평균화 처리 후 브릴루앙 주파수 스펙트럼을 얻은 후 최종적으로 최대 브릴루앙 이득을 갖는 브릴루앙 주파수 천이 값을 구하는 프로그램에 의하여 얻어졌다. 이 브릴루앙 주파 수 천이값과 변형률의 관계를 구하기 위하여 실험에서 기지의 값으로 주어지는 변형률과 브릴루앙 주파수 천이값의 비례관 계 즉 변형률 감지도를 확인하였다. 이러한 변형률 감지도를 구하게 되면 이후에는 광섬유 BOTDA 센서에서 측정되는 브 릴루앙 주파수 천이만 구하게 되면 변형률 감지도를 곱하여 변형률을 계산할 수 있게된다.
구조물의 광역 변형률 측정을 위하여 사용할 수 있도록 광섬유에 변형률을 인가하면서 브릴루앙 주파수 천이 를 구하여 변형률을 계산하는 실험연구를 수행하였다. 특히 변 형률과 브릴루앙 주파수 천이 값과의 관계상수인 변형률 감지도를 실험적으로 구하였다.
또한 광검출부는 'Newfocus사의 모델 1811을 광수신기로 사용하여 신호를 받아 A/D 변환기를 사용하여 PC로 데이터를 전송하였다. 한편 광변조부는 펌핑 광과 CW 광 사이의 광주파수를 광섬유의 고유 브릴루앙 주파수 천이 값을 찾아내기 위하여 HP 사의 RF 신호 발생기와 JDS사의 광전변조기를 사용하였다. 광섬유 양방향 연계기 (fiber optic bidirectional coupler)는 한국단자의 제품(광분할비 50:50)을 사용하였다.

대상 데이터

한편 광변조부는 펌핑 광과 CW 광 사이의 광주파수를 광섬유의 고유 브릴루앙 주파수 천이 값을 찾아내기 위하여 HP 사의 RF 신호 발생기와 JDS사의 광전변조기를 사용하였다. 광섬유 양방향 연계기 (fiber optic bidirectional coupler)는 한국단자의 제품(광분할비 50:50)을 사용하였다. 단일모드 광섬유는 삼성전자의 광섬유를 사용하였다.
광섬유 양방향 연계기 (fiber optic bidirectional coupler)는 한국단자의 제품(광분할비 50:50)을 사용하였다. 단일모드 광섬유는 삼성전자의 광섬유를 사용하였다. 이와같이 구성된 그림 3의 광섬유 BOTDA 센서의 작동은 다음과 같다.

이론/모형

광원부는 최대출력 30 mW의 선폭 최대 5 MHz인 DFB 다이오드 레이저와 최대 출력 18 dBm인 광증폭기로 이루어져 있다. 또한 광검출부는 'Newfocus사의 모델 1811을 광수신기로 사용하여 신호를 받아 A/D 변환기를 사용하여 PC로 데이터를 전송하였다. 한편 광변조부는 펌핑 광과 CW 광 사이의 광주파수를 광섬유의 고유 브릴루앙 주파수 천이 값을 찾아내기 위하여 HP 사의 RF 신호 발생기와 JDS사의 광전변조기를 사용하였다.

성능/효과

광섬유 BOTDA 센서를 2개의 광전 변조기를 사용하여 구성 하였다. 단일모드 광섬유에 대하여 브릴루앙 이득 스펙트럼을 조사한 결과 고유 브릴루앙 주파수는 10.823 GHz였으며 , 선폭은 약 13.4MHz임을 알 수 있었다. 이러한 광섬유 BOTDA 센서를 이용하여 삼성전자의 단일모드 광섬유를 사용하여 변형률을 측정하기 위한 실험을 수행한 결과 200회 평균화 처리한 신호로부터 브릴루앙 주파수 천이 1 MHz에 대하여 변형률은 약 20.
여기서 직선의 기울기 즉 브릴루앙 주파수 천이와 변형률의 비례관계는 20, 793 〃£/GHz이고 절편은 -224, 980였다. 따라서 브릴루 앙 주파수 천이가 1MHz 변화할 때 변형률은 20.793 마이크 론으로 변화하게 됨을 알 수 있었다. 앞에서도 언급한 바와 같이 일반적으로 밝혀진 단일모드 광섬유의 변형률 감지도가 5MHZ/0.
823 GHz임을 알 수 있었다. 또한 스펙트럼의 대역폭을 FWHM(fiill width at half maximum)從로 측정한 결과 약 13.4MHz임을 알 수 있었다.
793 마이크 론으로 변화하게 됨을 알 수 있었다. 앞에서도 언급한 바와 같이 일반적으로 밝혀진 단일모드 광섬유의 변형률 감지도가 5MHZ/0.01%인데 본 연구에서 구해진 변형률 감지도는 4.81 MHz/0.01%로 유사한 값을 가짐을 알 수 있었다.
4MHz임을 알 수 있었다. 이러한 광섬유 BOTDA 센서를 이용하여 삼성전자의 단일모드 광섬유를 사용하여 변형률을 측정하기 위한 실험을 수행한 결과 200회 평균화 처리한 신호로부터 브릴루앙 주파수 천이 1 MHz에 대하여 변형률은 약 20.79 마이크론만큼 변화함을 알 수 있었다. 즉 변형률 감지도는 4.

후속연구

01%였다. 대형구조물의 분포변형률을 측정하기 위하여 본 연구에서 개발된 광섬유 BOTDA 센서가 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 최대 변형률 분해능과 최대 측정 가능거리 등에 대한 지속적인 연구를 수행할 필요가 있다.
대형구조물의 분포변형률을 측정하기 위하여 본 연구에서 개발된 광섬유 BOTDA 센서가 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 최대 변형률 분해능과 최대 측정 가능거리 등에 대한 지속적인 연구를 수행할 필요가 있다.

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