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문제 정의
- 본 논문에서는 별도의 독립된 광센서들이 아닌 한 쌍의 광 커넥터의 양끝에서 반사되는 빛의 신호차이가 커넥터들 사이에서 발생한 굽힘 변위에 의해서 달라지는 것을 OTDR로 측정하여 변위 센서를 만들 수 있음을 보였다. 그리고 수 mm에서 수 cm의 변위를 일으키는 구조물의 변위를 측정하기 위하여 동일한 단일모드 광섬유에서 이 센서 4개를 직렬형으로 배열하여 사용할 수 있는 다중화된 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위센서에 의한 변위측정을 제안하고 이를 구현하고자 한다.
제안 방법
- 교량, 건물을 비롯하여 노후 항공기 등의 구조물에 발생하는 변위를 한 개의 광섬유로 측정하기 위하여 굽힘손실에 따라 광커넥터의 반사신호가 선형적으로 줄어드는 현상을 이용한 단일모드 광섬유 변위센서를 제안하였다. 그리고 이러한 변위센서의 원리를 확인하기위한 선행실험으로써 광섬유 굽힘직 경과 호의 길이변화에 따른 광손실을 측정하는 광섬유 굽힘손실 특성을 조사하고, 변위센서의 초기 굽힘직경을 결정하였다.
- 변위 센서를 만들 수 있음을 보였다. 그리고 수 mm에서 수 cm의 변위를 일으키는 구조물의 변위를 측정하기 위하여 동일한 단일모드 광섬유에서 이 센서 4개를 직렬형으로 배열하여 사용할 수 있는 다중화된 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위센서에 의한 변위측정을 제안하고 이를 구현하고자 한다.
- 단일모드 광섬유 변위센서를 제안하였다. 그리고 이러한 변위센서의 원리를 확인하기위한 선행실험으로써 광섬유 굽힘직 경과 호의 길이변화에 따른 광손실을 측정하는 광섬유 굽힘손실 특성을 조사하고, 변위센서의 초기 굽힘직경을 결정하였다. 또한 광섬유 변위센서를 제작하여 변위 감지도를 조사한 결과, 변위가 증가함에 따라 센서 신호가 상관계수 0.
- 그림 5. 단일모드 광섬유의 굽힘 직경에 따른 OTDR 신호를 측정한 후, 굽힘에 의한 OTDR 신호의 변화율(기준 OTDR 신호를 기준으로 굽힘 때문에 줄어든 OTDR 신호의 비)이 얼마나 줄어들었는지를 측정하기 위하여 규격화된 OTDR 신호인 (Vr-Vs)/Vr로 계산한 결과.
- 이 그림에서 볼 수 있듯이 굽힘직경이 8 mm에서 12 mm 사이에서 광손실의 변화율이 가장 크게 일어나면서 거의 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 따라서 본 실험에서는 변위 측정용 굽힘손실형 광섬유 센서를 제작할 때 변위에 위한 굽힘직 경이 8 mm 에서 12 mm 사이에서 변하는 영역만을 선택하였다.
- 이를 위해서 그림 3의 FC/PC 형태의 광커넥터(East Photonic, EPJC-BSBSAE0300)를 이용한 RC와 SC 사이에 그림 5의 왼쪽과 같은 다단 스테인레스봉에 단일모드 광섬유를 감어서 굽힘손실을 주는 장치를 설치하였다. 이 스테인레스 봉을 사용하여 광섬유 굽힘직경을 8 mm에서 28 mm까지 2 mm 간격으로 변화시켜가면서 , 출력단에서 나오는 반사광의 신호를 OTDR로 측정하였다. 실험에 사용된 광섬유는 단일모드 계단형 굴절률 광섬유이며, 코어 반경이 4.
- 이에 따라 본 연구에서 사용한 센서는 굽힘 변위에 의한 광손실만을 측정할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 광커넥터의 반사를 이용한 광섬유 변위센서를 일렬로 붙여서 4군데의지점을 동시에 측정할 수 있는 다중화된 굽힘손실형 단일모드 광섬유 변위센서를 구성하였고 이를 검증하는 실험을 하였다. 그 결과 다중화된 광섬유 변위센서의 4군데 센서로부터 얻은 변위는 2 mm의 변위에 대해서 0.
- 따라서 이 두 점을 고려하여 볼 때 적은 광 손실을 유발함과 동시에 가해진 변위에 대한 센서의 감도를 높일 수 있는 적절한 크기의 굽힘 직경을 만들어 주는 것이 필요하다. 이를 위해서 그림 3의 FC/PC 형태의 광커넥터(East Photonic, EPJC-BSBSAE0300)를 이용한 RC와 SC 사이에 그림 5의 왼쪽과 같은 다단 스테인레스봉에 단일모드 광섬유를 감어서 굽힘손실을 주는 장치를 설치하였다. 이 스테인레스 봉을 사용하여 광섬유 굽힘직경을 8 mm에서 28 mm까지 2 mm 간격으로 변화시켜가면서 , 출력단에서 나오는 반사광의 신호를 OTDR로 측정하였다.
대상 데이터
- 465인 단일모드 광섬유(SUSflTOMO, DSF)를 사용하였다. 그리고 OTDR은 파장 1.475 ㎛이고 출력이 100 mW 이상인 펄스형 반도체 레이저(Alcatel, A 1948 PLI)를 광원으로 사용하여 자체 제작하였다.
- 이 스테인레스 봉을 사용하여 광섬유 굽힘직경을 8 mm에서 28 mm까지 2 mm 간격으로 변화시켜가면서 , 출력단에서 나오는 반사광의 신호를 OTDR로 측정하였다. 실험에 사용된 광섬유는 단일모드 계단형 굴절률 광섬유이며, 코어 반경이 4.15 ㎛, 코어 굴절률 1.467, 클래딩 굴절률 1.465인 단일모드 광섬유(SUSflTOMO, DSF)를 사용하였다. 그리고 OTDR은 파장 1.
성능/효과
- 이러한 광커넥터의 반사를 이용한 광섬유 변위센서를 일렬로 붙여서 4군데의지점을 동시에 측정할 수 있는 다중화된 굽힘손실형 단일모드 광섬유 변위센서를 구성하였고 이를 검증하는 실험을 하였다. 그 결과 다중화된 광섬유 변위센서의 4군데 센서로부터 얻은 변위는 2 mm의 변위에 대해서 0.12 mm의 오차를 갖는다는 것을 확인하였다. 이러한 오차는 최대 변위 2 mm에 대하여 약 6%로 아주 정밀한 측정은 불가능하나, 토목계측이나 건축물의 변형을 측정하는데 사용할 수 있다.
- 9942로써 선형성이 매우 높음을 알 수 있다. 그러므로 동일한 단일모드 광섬유에서 변형이 없는 RC에서의 반사광과 변형이 인가된 뒤의 SC에서의 반사광을 OTDR로 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위센서를 이용하여 매우 선형성이 높으면서 최대 6 min의 선형변위를 측정할 수 있는 광섬유 변위 센서를 제작할 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 4 번째 이상의 센서를 설치할 경우, 앞선 센서에 의한 광량 저하로 인해 굽힘 변위에 대한 반사 신호 측정이 불가능하다. 그러므로 본 논문에서 제작한 다중화 된 광섬유 변위 센서는 일렬로 최대 4개까지의 센서를 동시에 설치할 수 있는 것을 알 수 있다. 반사광 신호의 차, 즉 신호의 감소를 기준신호로 나눈 정규화된 광손실에 의한 신호감소량으로부터 (3) 식에따라 변위 δ 구한다.
- 확대한 것이다. 길이가 길어지고 각 센서에서 일정 양의 반사광이 OTDR쪽으로 반사되기 때문에 1번 센서에서 4 번 센서로 갈수록 기준신호도 약간씩 줄어들고 동시에 감지 신호는 더 많이 줄어듬을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 4 번째 이상의 센서를 설치할 경우, 앞선 센서에 의한 광량 저하로 인해 굽힘 변위에 대한 반사 신호 측정이 불가능하다.
- 그림 13에서 각 센서들에 가해진 변위를 확인할 수 있으며, 변위가 주어지지 않은 센서는 변위가 0임을 확인 할 수 있다. 따라서 다중화된 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위센서를 이용할 경우 4군데의 변위측정이 동시에 가능하다는 것을 확인하였다. 그리고 이들 각 센서들로에서 구한 변위값들로부터 2 nnn의 변위에 대해서 4개의 센서가 0.
- 그리고 이러한 변위센서의 원리를 확인하기위한 선행실험으로써 광섬유 굽힘직 경과 호의 길이변화에 따른 광손실을 측정하는 광섬유 굽힘손실 특성을 조사하고, 변위센서의 초기 굽힘직경을 결정하였다. 또한 광섬유 변위센서를 제작하여 변위 감지도를 조사한 결과, 변위가 증가함에 따라 센서 신호가 상관계수 0.9942로써 선형적으로 감소함을 알 수 있었고, 측정 가능한 변위가 최대로 6 mm까지 임을 확인하였다. 또한 구성된 센서로부터 온도에 의한 광손실의 정도를 측정한 결과, 10- 60℃온도 변화에 대해서 커넥터의 반사 신호의 변동은 거의 없음을 확인하였으며, 본 실험에서 사용한 총 1.
- 9942로써 선형적으로 감소함을 알 수 있었고, 측정 가능한 변위가 최대로 6 mm까지 임을 확인하였다. 또한 구성된 센서로부터 온도에 의한 광손실의 정도를 측정한 결과, 10- 60℃온도 변화에 대해서 커넥터의 반사 신호의 변동은 거의 없음을 확인하였으며, 본 실험에서 사용한 총 1.2 km의 광섬유에 대해서 광섬유의 자체적인 광량 저하는 거의 없었다. 이에 따라 본 연구에서 사용한 센서는 굽힘 변위에 의한 광손실만을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
- 이러한 오차는 최대 변위 2 mm에 대하여 약 6%로 아주 정밀한 측정은 불가능하나, 토목계측이나 건축물의 변형을 측정하는데 사용할 수 있다. 또한 본 연구에서는 4개의 다중화 센서 시스템을 구성하였으나, 커플러를 사용하여 각 센서마다의 일정 광량을 조절해줌으로써 최대 수십여개의 다중화 센서를 구현할 수 있다. 향후 이러한 연구결과를 토대로 토목이나 건축물의 변위량인 수십 cm에서 수 m의 아주 큰 변위를 재는 변위센서로 개량하는 연구와, 동시에 정밀도를 높이기 위하여 OTDR과 센서의 각 부분의 정밀도를 향상시키는 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
- 길이가 길어지고 각 센서에서 일정 양의 반사광이 OTDR쪽으로 반사되기 때문에 1번 센서에서 4 번 센서로 갈수록 기준신호도 약간씩 줄어들고 동시에 감지 신호는 더 많이 줄어듬을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 4 번째 이상의 센서를 설치할 경우, 앞선 센서에 의한 광량 저하로 인해 굽힘 변위에 대한 반사 신호 측정이 불가능하다. 그러므로 본 논문에서 제작한 다중화 된 광섬유 변위 센서는 일렬로 최대 4개까지의 센서를 동시에 설치할 수 있는 것을 알 수 있다.
- 그리고 이론값인 exp(-rs) 는 실험에 사용한 파라미터를 대입해 (2)식을 이용하여 구한 감쇄상수 r와 호의 길이 값으로부터 계산할 수 있다. 비교 결과 실험값과 이론값은 아주 흡사한 양상을 가지며, 호의 길이가 길수록 손실에 의한 신호의 감소가 커짐을 일 수 있지만 실험은 직선의 감소를 보이지만 이론은 지수 함수적 감소를 보여주고 있는데, 이는 실험적으로 발생한 측정 오차로 인한 것과, 광섬유의 단단한 성질로 인해 정확한 원호의 형태로 구부러지지 않기 때문에 발생하는 오차, 또한 실험에 사용한 원통의 길이가 제한되어 있어서 굽힘 손실의 최소값과 최대값 사이의 전 영역에 걸쳐 측정이 이뤄지지 않음으로 인해 실험값과 이론값의 차이가 발생한 것으로 여겨진다. 그림 5에서 그림 7까지의 실험적 결과들로부터 굽힘 직경의 변화가 광손실에 의한 OTDR 신호에 선형적으로 비례하는 굽힘 직경의 영역을 알 수 있기 때문에 이를 이용한 변위 광섬유 센서를 제안하고 만들 수 있는 기초자료로 사용한다.
- 이러한 변위센서 내의 광섬유의 초기 굽힘직 경을 12 mm로 잡아서 변위를 1 nun부터 6 nun까지 1 mm 간격으로 주었을 때 RC와 SC의 반사신호들을 사용하여 규격화한 OTDR 신호(normailized OTDR signal)인 (Vr-Vs)/Vr 로 나타낸 것이 그림 10이다. 이들 변위값들에 대한 규격화된 OTOR 신호의 선형 피팅한 결과는 y=0.10814+4-0.31519 로 기울기로 계산하는 선형 감소율은 상관계수가 0.9942로써 선형성이 매우 높음을 알 수 있다. 그러므로 동일한 단일모드 광섬유에서 변형이 없는 RC에서의 반사광과 변형이 인가된 뒤의 SC에서의 반사광을 OTDR로 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위센서를 이용하여 매우 선형성이 높으면서 최대 6 min의 선형변위를 측정할 수 있는 광섬유 변위 센서를 제작할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 또한 본 연구에서는 4개의 다중화 센서 시스템을 구성하였으나, 커플러를 사용하여 각 센서마다의 일정 광량을 조절해줌으로써 최대 수십여개의 다중화 센서를 구현할 수 있다. 향후 이러한 연구결과를 토대로 토목이나 건축물의 변위량인 수십 cm에서 수 m의 아주 큰 변위를 재는 변위센서로 개량하는 연구와, 동시에 정밀도를 높이기 위하여 OTDR과 센서의 각 부분의 정밀도를 향상시키는 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
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