[논문]안정화된 광섬유 브래그 격자 센서 시스템을 이용한 실시간 충격위치검출에 관한 연구

방형준; 홍창선; 김천곤

doi:10.5139/jksas.2004.32.7.037

안정화된 광섬유 브래그 격자 센서 시스템을 이용한 실시간 충격위치검출에 관한 연구
Real-time impact location monitoring using the stabilized Bragg grating sensor system 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.7, 2004년, pp.37 - 42

방형준 (한국과학기술원 항공우주공학전공 대학원) , 홍창선 (한국과학기술원 항공우주공학전공) , 김천곤 (한국과학기술원 항공우주공학전공)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 실시간 충격위치 검출이 가능한 FBG 센서 시스템의 개발에 관하여 설명하였다. 충격위치 검출을 위해서는 동시 다정 신호취득이 가능한 초음파 센서 시스템이 요구된다. 본 연구에서는 23.80nm의 투과파장 간격을 갖는 가변 패브리-페로 복조화 장치를 사용하여 파장분할 다중화가 가능한 FBG 고주파 진동 센서시스템에 적용하였다. 또한 외부의 준정적 환경변화에 대해 FBG 센서의 민감도를 일정하게 유지시키기 위한 민감도 안정화 장치를 사용하였다. 저속충격 실험을 위한 알루미늄보 시편의 아랫면에는 두개의 FBG 센서를 부착하였으며 시편 표면의 세 지점에 대해 1 차원 충격위치 검출을 시도하였다. 실험결과 FBG 센서를 이용하여 저속충격 시점을 정확히 감지할 수 있었으며, 평균 오차 0.58mm 로 충격위치를 검출할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to monitor the impact locations in smart structures, multipoint ultrasonic sensors are to be employed. In this study, a multiplexing demodulator with wide dynamic range was proposed to detect the impact locations using FBG sensors, and a stabilization controlling system was also developed for the maintenance of maximum sensitivity of sensors. Two FBG sensors were attached on the bottom side of the aluminum beam specimen and low velocity impact tests were performed to detect the one-dimensional impact locations. As a result, multiplexed in-line FBG sensors could detect the moment of impact precisely, and found the impact locations with the average location error below 0.58mm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 FBG 센서를 이용한 충격 모니터 링 연구의 기초 단계로 알루미늄 보에 대해 1차원 충격 위치를 검출하는 연구를 수행하였다. 충격에 의해 발생한 응력 파를 감지하기 위해 초음파 진 동신호의 취득이 가능한 다중화된 FBG 센서 시스템을 구성하였으며, 외부의 저주파 잡음으로부터 일정한 센서 민감도를 유지하기 위한 민감도 안정화 장치를 적용하였다.
하지만 온도변화 등에 의해 복조화 필터의 파장이 센서스 펙트럼의 낮은 기울기 영역으로 이동하게 되면 진동 센서의 민감도가 급격하게 저하되는 패이드- 아웃 문제 (fade-out problem) 가 발생한다. 본 연구에서는 가변 패브리-페로 필터의 통과 파장을 제어하여 항상 FBG 센서의 작동지점에 위치하도록 함으로써 센서 시스템이 항상 일정한 민감도를 유지할 수 있도록 하였다. FBG 진동 센서의 민감도 유지를 위한 제어 장치는 가변 패브리-페루 필터와 WDM(wavelength division multiplexer), NI 사의 BNC-2110 I/O 터미널 및 PCI-6110E A/D 보드로 구성되었다.
본 연구에서는 파장 분할 다중화 기법을 이용한 FBG(fiber Bragg grating) 센서 시스템을 통해 고주파 충격 신호를 취득하여 충격 위치를 실시간으로 검출하는 시스템을 개발하였다. 고주파 FBG 센서 신호의 복조를 위해 23.
2의 점선 부분과 같은 폐회로 (closed loop circuit) 형태의 제어장치를 이용하여 센서 출력 신호의 민감도가 항상 일정한 값을 갖도록 파장 변화 값을 보상해 주었다. 본 연구에서는 향후 여러 채널로 다중화된 FBG 센서 시스템의 안정화 제어를 위해 확장 유연성을 갖는 GUI 환경의 신호처리 프로그램을 제작하였다.

제안 방법

2개의 FBG 센서로 구성된 광섬유 센서 시스템을 이용하여 알루미늄 보 시편에 가해진 충격 위치를 검출하는 실험을 실시하였다. 두 FBG 센서의 게이지 길이는 5 mm로 동일하며 FBG1의 반사파 장은 1532.
신호처리 장치에서는 입력신호에 대해 저주파 필터링을 거친 후, 기준 신호와의 위상값 차이를 계산하고 이를 보상해 주기 위한 제어전압을 출력하여 가변 패브리-페로 필터를 제어해 주었다. 결과적으로 Fig. 2의 점선 부분과 같은 폐회로 (closed loop circuit) 형태의 제어장치를 이용하여 센서 출력 신호의 민감도가 항상 일정한 값을 갖도록 파장 변화 값을 보상해 주었다. 본 연구에서는 향후 여러 채널로 다중화된 FBG 센서 시스템의 안정화 제어를 위해 확장 유연성을 갖는 GUI 환경의 신호처리 프로그램을 제작하였다.
본 연구에서는 파장 분할 다중화 기법을 이용한 FBG(fiber Bragg grating) 센서 시스템을 통해 고주파 충격 신호를 취득하여 충격 위치를 실시간으로 검출하는 시스템을 개발하였다. 고주파 FBG 센서 신호의 복조를 위해 23.80 nm의 FSR(free spectral range)을 갖는 가변 패브리-페로 필터를 이용했으며 하나의 필터를 이용해 23.80의 파장 간격을 갖는 서로 다른 두 FBG 센서의 진동 신호를 복조하였다. 또한 외부의 온도변화와 저주파 진동 등에 대해 센서의 민감도를 최상으로 유지하기 위해서 능동제어 안정화 장치를 개발하였으며, 이렇게 개발된 FBG 센서 시스템을 이용해 알루미늄 보 (beam)에서의 충격 위치 검출실험을 실시하였다.
2개의 FBG 센서로 구성된 광섬유 센서 시스템을 이용하여 알루미늄 보 시편에 가해진 충격 위치를 검출하는 실험을 실시하였다. 두 FBG 센서의 게이지 길이는 5 mm로 동일하며 FBG1의 반사파 장은 1532.62 nm, FBG2는 1556.62 run로 제작하여 복조화 장치에 사용된 패브리-페로 필터의 투과 파장 간격과 가까운 파장 간격을 갖도록 하였다. Fig.
80의 파장 간격을 갖는 서로 다른 두 FBG 센서의 진동 신호를 복조하였다. 또한 외부의 온도변화와 저주파 진동 등에 대해 센서의 민감도를 최상으로 유지하기 위해서 능동제어 안정화 장치를 개발하였으며, 이렇게 개발된 FBG 센서 시스템을 이용해 알루미늄 보 (beam)에서의 충격 위치 검출실험을 실시하였다.
충격하중은 가하는 추는 스테인리스 스틸 재질의 반구형 끝 단을 갖는 질량 306 g의 원통형으로 제작되었으며, 설치된 가이드를 따라 자유낙하 시킴으로써 충격을 가하며 낙하 높이를 조절함으로써 충격에너지를 조절하였다. 본 실험에서는 알루미늄 보시 편의 중앙 부위에 자유낙하 방식으로 0.15 /의 충격을 가하였다. 충격 위치 검출은 FBG1 센서로 부터 각각 100 mm, 200 mm, 300 mm 떨어진 길 이 방향 축 상의 세 지점에 대해 1차원 가정으로 한정하여 실시하였으며, 각각의 경우에 대해 20번의 충격을 가해 결과를 평균하였다.
충격 시 방출되는 응력 파 신호의 전달 시간 차이를 계산하기 위해 전파속도가 빠른 응력 파 신호의 피크(peak) 중 6 mV의 노이즈 레벨을 넘는 첫 번째 신호를 선택하여 두 FBG 센서 신호의 사이의 도달 시간 차이를 계산하였다. 계산에 사용한 피크의 위치는 Fig.
15 /의 충격을 가하였다. 충격 위치 검출은 FBG1 센서로 부터 각각 100 mm, 200 mm, 300 mm 떨어진 길 이 방향 축 상의 세 지점에 대해 1차원 가정으로 한정하여 실시하였으며, 각각의 경우에 대해 20번의 충격을 가해 결과를 평균하였다. 신호 취득 시 샘플링 주파수는 2 MHz로 설정하였다.
신호처리 결과 100.58 mm 위치에 충격이 가해진 것으로 충격 위치를 검출하였다. Fig.
본 연구에서는 FBG 센서를 이용한 충격 모니터 링 연구의 기초 단계로 알루미늄 보에 대해 1차원 충격 위치를 검출하는 연구를 수행하였다. 충격에 의해 발생한 응력 파를 감지하기 위해 초음파 진 동신호의 취득이 가능한 다중화된 FBG 센서 시스템을 구성하였으며, 외부의 저주파 잡음으로부터 일정한 센서 민감도를 유지하기 위한 민감도 안정화 장치를 적용하였다. 알루미늄 보에서의 충 격위치 검출 실험 결과 제안된 FBG 센서 시스템은 충격으로부터 발생한 응력 파의 발생 시점 및 도달시간차를 높은 민감도를 가지고 안정적으로 감지할 수 있음을 확인하였다.
5와 같다. 충격하중은 가하는 추는 스테인리스 스틸 재질의 반구형 끝 단을 갖는 질량 306 g의 원통형으로 제작되었으며, 설치된 가이드를 따라 자유낙하 시킴으로써 충격을 가하며 낙하 높이를 조절함으로써 충격에너지를 조절하였다. 본 실험에서는 알루미늄 보시 편의 중앙 부위에 자유낙하 방식으로 0.

대상 데이터

본 연구에서는 가변 패브리-페로 필터의 통과 파장을 제어하여 항상 FBG 센서의 작동지점에 위치하도록 함으로써 센서 시스템이 항상 일정한 민감도를 유지할 수 있도록 하였다. FBG 진동 센서의 민감도 유지를 위한 제어 장치는 가변 패브리-페루 필터와 WDM(wavelength division multiplexer), NI 사의 BNC-2110 I/O 터미널 및 PCI-6110E A/D 보드로 구성되었다. Fig.
실험에 사용된 시편의 형태는 Fig. 4에 명시된 것과 같이 길이 800 mm, 폭 25 mm, 두께 2 mm 의 알루미늄 보 형태로 제작되었으며 시편의 양 끝단은 고정지지 되었다. 2개의 FBG 센서는 시 편의 아래면 양쪽에 400 mm의 간격을 가지고 부착되었으며 같은 위치의 시편 반대 면에는 압전센서를 부착하여 응력 파의 기준속도를 측정하는데 사용하였다.

성능/효과

Fig. 6의 (a), (b), (c) 세 그림의 신호진폭을 비교하여 볼 때 취득된 중격 신호는 센서 시스템의 민감도 변화에 따른 출력신호 진폭 변화의 영향을 받지 않았으며, 센서의 민감도가 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.
알루미늄 보에서의 충 격위치 검출 실험 결과 제안된 FBG 센서 시스템은 충격으로부터 발생한 응력 파의 발생 시점 및 도달시간차를 높은 민감도를 가지고 안정적으로 감지할 수 있음을 확인하였다. FBG 센서로 취득된 응력 파의 도달 시간 차이로부터 계산된 충격 위 치의 경우 최대오차 4.9 mm, 평균 오차 0.58 mm의 정확도를 가지고 충격 위치를 검출할 수 있었다.
하지만 복조화 장치에 사용된 Fabry-Perot 필터의 통과 파장에서의 두 FBG센서 의 스펙트럼 기울기가 각각 조금씩 서로 다른 값을 가지고 있기 때문에 두 센서 사이의 출력 신호 형태가 약간 다른 것을 확인할 수 있다. 두 번째 경우의 결과, 실제 위치에서 평균 0.56 mm 벗어 난 199.44 mmS. 충격 위치를 검출하였다.
58 mm이다. 등방성 재료인 알루미늄의 경우 응력 파의 전파속도가 전파 방향에 대해 거의 일정하므로 본 실험에서는 수학적 해석 식에 의한 신호처리로도 매우 정확한 위치검출을 할 수 있었다.
3 ms 정도 지속되는 것을 확인할 수 있다. 신호처리 결과 100.58 mm 위치에 충격이 가해진 것으로 충격 위치를 검출하였다. Fig.
충격에 의해 발생한 응력 파를 감지하기 위해 초음파 진 동신호의 취득이 가능한 다중화된 FBG 센서 시스템을 구성하였으며, 외부의 저주파 잡음으로부터 일정한 센서 민감도를 유지하기 위한 민감도 안정화 장치를 적용하였다. 알루미늄 보에서의 충 격위치 검출 실험 결과 제안된 FBG 센서 시스템은 충격으로부터 발생한 응력 파의 발생 시점 및 도달시간차를 높은 민감도를 가지고 안정적으로 감지할 수 있음을 확인하였다. FBG 센서로 취득된 응력 파의 도달 시간 차이로부터 계산된 충격 위 치의 경우 최대오차 4.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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