[논문]FBG 센서를 활용한 온도와 스트레인 변화 모니터링

고기한; 박영; 조용현; 정호성; 조용석; 최원석

doi:10.4313/jkem.2009.22.3.218

FBG 센서를 활용한 온도와 스트레인 변화 모니터링
Monitoring of Temperature and Strain Variation with FBG Sensors 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.3, 2009년, pp.218 - 221

고기한 (한밭대학교 전기공학과) , 박영 (한국철도기술연구원 집전전력연구실) , 조용현 (한국철도기술연구원 집전전력연구실) , 정호성 (한국철도기술연구원 집전전력연구실) , 조용석 (건양대학교 전자정보공학과) , 최원석 (한밭대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports on measurement method for the fiber optic strain monitoring of overhead contact line systems of trains, We used FBG (Fiber Bragg Grating) sensors to measure the strain variation of overhead contact line. FBG sensors can sensitively measure the variation of strain and! or temperature by the shift wavelength of reflected wave according to the lattice variation during the measurement. FBG sensor were attached on the contact line and connected to the monitoring system with optical fibers. The monitering system with FBG sensors showed very good sensitivity to measuring strain variation and this system could be applied to the overhead contact line of KTX (Korea Train eXpress).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전차선로에 발생할 수 있는 오동작 또는 사고는 FBG 온도, 스트레인 센서와 같은 스마트센서를 활용하여 전차선 또는 조가선을 넓은 범위에서 민감하게 검측이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 FBG 센서를 가공 전차선에 활용하기 위한 사전실험으로 모형의 전차선 환경 속에 발생되는 스트레인 변화와 온도변화를 FBG 센서를 활용하여 실시간 측정하였다.
본 연구에서는 전차선로의 실시간 검측 시스템개발을 위해 구성한 FBG 센서를 활용한 모니터링시스템에 관하여 기술하였다. FBG 센서는 손쉽게 전차선로에 직렬 또는 병렬로 부착이 가능하고 전기적으로 절연되어 있으며 센서로부터 수십 킬로미터의 거리에서 측정 가능한 센서이기에 고속 철도의 실시간 측정이 가능하다.

제안 방법

FBG 센서 들은 각각 고유의 grating 파장대를 가지고 있기에 외부 환경의 영향으로 발생하는 스트레인과 온도의 변화에 따라 각각의 센서를 통해 수집된 정보를 FBGI 시스템을 사용 PC를 통해 실시간 모니터링이 가능하다. FBG 센서를 전차선에 부착하고 모형 팬터그래프가 가공 전차선에 강하게 접촉할 때 마다 발생하는 스트레인의 변화 모니터링 시스템과 전차선을 가열하여 모형 전차선의 온도변화는 가열시와 냉각 시에 발생하는 스트레인의 변화 모니터링 시스템의 실험을 통해서 스트레인과 온도변화를 관찰한다.
그림 5. FBG 센서를 활용한 전차선 모니터링 시스템으로 측정한 온도의 변화.
온도변화에 따른 FBG 센서의 동작을 확인하였다. 가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다. 이러한 시스템을 활용하여 모형 팬터그래프가 가공 전차선에 강하게 접촉할 때 마다 발생하는 스트레인의 변화를 모니터링 시스템을 통해 정확하게 관찰할 수 있었다.
가공 전차선의 온도변화를 측정하기 위하여 전차선을 2분간 가열하였다. 적외선 검온계 (Flukeco, 63 IR thermometer)를 통해 최고점에서의 온도가 70 ℃ 임을 확인할 수 있었다.
그림 1과 같이 구성된 FBG 센서를 활용한 전차선 모니터링 시스템을 모형 전차선에 설치하여 스트레인과 온도변화에 따른 FBG 센서의 동작을 확인하였다. 가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다.

성능/효과

가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다. 이러한 시스템을 활용하여 모형 팬터그래프가 가공 전차선에 강하게 접촉할 때 마다 발생하는 스트레인의 변화를 모니터링 시스템을 통해 정확하게 관찰할 수 있었다. FBG 센서는 기본 파장값인 1554.
모형 전차선의 온도변화는 가열시와 냉각시에 다른 형태를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉 가열시엔 고온에서 느리게 온도가 증가하지만 냉각시엔 고온에서 급격히 온도가 하강하고 저온에선 서서히 냉각되는 것을 확인할 수 있었다. FBG 센서는 상온에서 1554.

후속연구

빠른 속도로 데이터가 처리 가능하며 측정범위가 광범위하기 때문에 실제 선로의 미세한 변화와 사고를 신속히 모니터링 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서 FBG 센서는 스트레인의 변화와 온도변화에 민감하게 반응하였으며, 이러한 시스템은 향후 실제 고속철의 실시간 모니터링 시스템에 충분히 사용 가능하리라 기대된다.

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원문보기 상세보기
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