[논문]광섬유센서를 이용한 레저선박의 선체구조모니터링시스템 개발에 관한 연구(I)

강남선; 김헌우

doi:10.7837/kosomes.2011.17.3.269

[국내논문] 광섬유센서를 이용한 레저선박의 선체구조모니터링시스템 개발에 관한 연구(I)
A Study on the Development of leisure boat's Hull Stress Monitoring System using AWG 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.17 no.3 = no.46, 2011년, pp.269 - 274

강남선 (중소조선연구원 해양레저장비개발센터) , 김헌우 (중소조선연구원 해양레저장비개발센터)

초록
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주5일제 정착, 소득의 향상, 연안지역 접근성 개선으로 해양관광 활동에 대한 관심과 해양레저 활동에 대한 수요가 증가하고 있으나, 해양활동을 위한 인프라구축 및 레저선박과 인명의 안전을 위한 시스템개발은 미비한 실정이다. 일반선박과 달리 레저선박은 구조안전성 평가 시스템을 위한 규정 및 적용 기준이 명확히 정립되어 있지 않으며, 시스템 개발이 전무하여 레저보트의 운항안전성 확보를 위한 레저보트 구조 안전모니터링시스템의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 도파로 어레이 격자(AWG, Arrayed waveguide grating)와 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 레저보트의 실시간 선체구조모니터링이 가능한 시스템을 개발하여 해상에서의 인명과 레저선박의 안전성을 확보하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of hull stress monitoring system(HSMS) is to lead hull structure to be safer at lower cost. We proposed a hull stress monitoring system for leisure boats using fiber-optic bragg grating(FBG) strain sensor. Fiber optic sensors are well suited for structure monitoring system, due to their ability to withstand harsh environments, immunity to electromagnetic interference, and reduce cabling installation cost when employing wavelength multiplexing. This paper presents an overview of current research and design of hull stress monitoring system for leisure boats.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 레저보트에 적용 가능한 실시간 구조안전모니터링시스템을 개발하여 해상에서의 인명과 레저선박의 안전성을 확보하고자 한다.
본 연구에서는 기존 광파장계측기(OSA)를 대체할 수 있는 광섬유센서를 이용한 구조안전모니터링 시스템을 개발하였다. 반사대역폭이 넓은 Chirped FBG를 사용하여 스트레인 측정의 정밀도를 높이고 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용하여 브래그 반사파장을 실시간으로 측정 가능한 시스템을 구축하였다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 파장분할 다중화기법(WDM)을 이용한 광통신 소자로 이용되는 도파로 어레이 격자(Arrayed Waveguide Grating, AWG)를 이용하여 계측시스템을 개발하였다.

제안 방법

AWG를 이용한 구조안전모니터링 시스템의 성능검증 및 센트로이드(Centroid)값에 따른 스트레인 값을 측정하기 위하여 정하중 인장시험을 실시하였다.
광섬유 센서를 빠른 속도로 다수의 채널을 측정하기 위하여 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용하여 실시간 계측시스템을 개발하며, 계측된 데이터 및 유한요소해석을 활용하여 레저보트의 안전성 평가가 가능한 안전성 평가 알고리즘을 개발한다.
광섬유센서(FBG sensor)와 Electric Strain sensor에 인가된 스트레인 값에 따라 반사된 빛의 신호를 실시간 모니터링하고 계측된 데이터를 저장하기 위하여 NI사의 LabVIEW를 이용하여 AWG 구조안전모니터링 계측 프로그램을 Fig. 11과 같이 개발하였다.
동일한 시험편에 변형률 게이지(Electric strain gauge)와 광섬유 격자 센서(FBG)를 부착하여 개발된 계측 시스템과 상용 시스템의 성능을 비교할 수 있도록 하였다.
광섬유센서는 전기적인 신호를 사용하는 기존의 변형률게이지보다 감도가 좋고, 광신호를 이용하기 때문에 전자기장에 대한 영향을 받지 않는다. 또한, 단일 광섬유에 다수의 센서를 용이하게 설치할 수 있으며, 크기가 작아 구조물에 영향을 미치지 않고 부착 및 내부 삽입이 용이하다는 장점이 있어 광섬유센서를 레저보트의 선체구조모니터링시스템에 적용하였다.
레저보트의 구조안전모니터링시스템을 위하여 개발된 계측 시스템의 성능을 검증하기 위하여 변형률을 측정하기 위한 상용 계측기(EDX-100A)와 변형율 게이지(Electric strain gauge)를 이용하여 정하중 인장시험을 실시하였다.
레저선박의 위험상황을 실시간으로 모니터링하고 선체 접합부의 균열 및 파손, 선체에 가해지는 하중의 확인을 통하여 해상에서 레저선박 및 인명의 안전을 확보하기 위하여 Fig. 5와 같이 레저보트 구조안전모니터링시스템을 설계하였다.
본 연구에서는 기존 광파장계측기(OSA)를 대체할 수 있는 광섬유센서를 이용한 구조안전모니터링 시스템을 개발하였다. 반사대역폭이 넓은 Chirped FBG를 사용하여 스트레인 측정의 정밀도를 높이고 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용하여 브래그 반사파장을 실시간으로 측정 가능한 시스템을 구축하였다.
본 연구에서 구축된 계측시스템은 외부 물리량에 의하여 변화된 브래그 반사파장을 도파로 어레이 격자(AWG)에 연결하여 채널별 변화량을 측정한다. 하지만 일반적인 브래그 격자 센서(FBG)의 경우 반사대역폭이 0.
센트로이드(Centroid) 값의 정확한 측정을 위하여 일반 광섬유 센서보다 반사대역폭이 넓은 Chirped FBG를 이용하여 반사 파장을 도파로 어레이 격자(AWG)의 여러 채널로 측정 가능하여 미세한 파장변화를 Fig. 10과 같이 측정할 수 있도록 하였다.
운항 중 레저보트의 구조취약부의 선체 하중을 실시간으로 확인하기 위하여 레저선박의 구조취약부에 광섬유 센서를 부착하고 개발된 계측시스템을 이용하여 데이터를 수집, 개발된 안전성 평가 알고리즘을 통하여 레저보트의 선체구조안전성을 모니터링하며, 선체 하중이 기준범위 이상일 경우 시각적/청각적 알람을 발생하여 운항자가 위험에 대처할 수 있도록 시스템을 설계하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 광 검출기 출력 단에 OP-amp를 이용한 증폭회로를 설계하여 출력신호를 데이터 계측장비에서 인식하고 Centroid 값을 계산할 수 있도록 하였다.
광섬유 센서 외부에는 광섬유를 보호하기 위한 버퍼층이 코팅되어있는데 버퍼층이 있는 상태로 스트레인을 인가할 경우 광섬유와 버퍼층 사이에 미끄러짐 현상이 발생하여 측정되는 스트레인 값이 실제의 스트레인 값보다 작게 나타나게 된다. 이러한 영향을 방지하기 위하여 본 실험에서는 버퍼층을 제거한후 Bond adhesive resin을 사용하여 부착하였다.
인장시험은 중소조선연구원 보유 500kN 인장시험기를 사용하여 stroke 0.5mm/min으로 실시하였으며, EDX-100A를 통하여 변형율 게이지(Electric strain gauge)를 개발된 구조안전모니터링 시스템을 이용하여 광섬유 센서의 응력을 측정하였다.

대상 데이터

시스템에 사용된 도파로 어레이 격자(AWG)는 40개의 채널을 가지며 채널 간격 0.8 nm, 균일도가 2.1 dB, 동작파장대역이 1,530∼1562 nm인 특성을 가지며, 광원(SLED)은 광소자의 손실이 가장 적고 특성이 뛰어난 1,550 nm 대역을 중심으로 1,500∼ 1,600 nm 발광대역을 사용하였다.
인장시험을 위한 시험편의 두께는 10mm, 너비는 25mm, 어께부 반지름 60mm, 평행부의 길이 60mm로 제작하였으며, 사용된 FRP 시험편은 실제 세일링 요트 제작에 사용되는 재료를 사용하였다.

성능/효과

구축된 시스템을 인장시험을 통하여 상용장비와 성능을 비교하여 본 결과 상대오차율이 ±1.87%로 나타났으며, 17KHz의 고속 샘플링이 가능하여 레저선박의 실시간 구조안전 모니터링이 가능함을 확인할 수 있었다.
정하중 인장시험을 통하여 개발된 시스템을 검증하여 본 결과 인장 시험기에 의하여 입력된 힘에 따라 Fig. 17과 같이 실시간으로 계측되는 것을 확인할 수 있었으며, 입력된 힘과 계측된 오차 값을 계산하여 본 결과 오차율이 ±1.87%로 확인하였다.

후속연구

이후 개발된 계측시스템을 이용하여 알루미늄 재료에 대한 시험 및 레저보트의 안전성 평가 알고리즘을 추가하여 레저선박의 선체구조모니터링시스템 구축을 완료하고 실 해상시험을 통하여 시스템의 성능을 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유브래그 격자는 어떤 특성을 갖고 있는가?	광섬유 센서 중 구조안전모니터링에는 파장분할 다중화기법 (WDM, Wavelength Division Multiplexing)을 이용한 광섬유브래그 격자(FBG, Fiber-optic Bragg Grating)가 많이 사용되고 있다. 광섬유브래그격자(FBG)는 코어의 굴절률이 주기적으로 변조하여 특정파장의 빛을 반사시키는 소자로서 광섬유와의 연결손실이 적고 파장선택도가 높으며, 편광에 무관한 특성 등으로 장시간 사용 시에도 동일한 특성을 얻을 수 있어 건물이나 교량의 변형을 측정하기 위한 스트레인 센서에 주로 이용되고 있다(Chan, 2006).
	광섬유센서가 전자기장에 대한 영향을 받지않는 이유는?	광섬유센서는 전기적인 신호를 사용하는 기존의 변형률게이지보다 감도가 좋고, 광신호를 이용하기 때문에 전자기장에 대한 영향을 받지 않는다. 또한, 단일 광섬유에 다수의 센서를 용이하게 설치할 수 있으며, 크기가 작아 구조물에 영향을 미치지 않고 부착 및 내부 삽입이 용이하다는 장점이 있어 광섬유센서를 레저보트의 선체구조모니터링시스템에 적용하였다.
	광섬유 센서 중 구조안전모니터링에는 무엇이 많이 사용되는가?	광섬유 센서 중 구조안전모니터링에는 파장분할 다중화기법 (WDM, Wavelength Division Multiplexing)을 이용한 광섬유브래그 격자(FBG, Fiber-optic Bragg Grating)가 많이 사용되고 있다. 광섬유브래그격자(FBG)는 코어의 굴절률이 주기적으로 변조하여 특정파장의 빛을 반사시키는 소자로서 광섬유와의 연결손실이 적고 파장선택도가 높으며, 편광에 무관한 특성 등으로 장시간 사용 시에도 동일한 특성을 얻을 수 있어 건물이나 교량의 변형을 측정하기 위한 스트레인 센서에 주로 이용되고 있다(Chan, 2006).

참고문헌 (8)

김도형, 김명현, 강성원(2004), "광섬유센서를 이용한 선박의 구조안전성 모니터링 시스템 개발." 대한조선학회, 추계학술대회 논문집, pp. 230-235.
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Chan, T. H. T., L. Yu, H. Y. Tam, Y. Q. Ni, S. Y. Liu, W. H. Chung and L. K. Chang(2006), "Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Mabridge : Background and experimental observation", Engineering Structures 28, pp. 648-659.

상세보기
Han, Y, M.. K.. Ha, J. W. Choi and S. T. James(2006), "Design and inplementation of a comprehensive full-scale measurement system for a large container carrier", ABS technical papers 2006, pp. 229-307.
Light Structures(2007), "SENSFIB Fiber optic hull stress monitoring system" Brochure_2007, pp. 2-4.
Shin, C. H., T. B. Ha and S. J. Choi(2004), "A comparison study of measured hull girder stresses using a hull monitoring system on board and theoretically calculated ones", 9th Symposium on Practical Design of Ships and other Floating Structures. pp. 286-290.
Smart Fibres Ltd, UK(1998), "Superyacht Mast and Boom Strain Sensing" Project reference, pp. 1-2.
Wnuk, V. P., A. mendez, S. Ferguson, T. Graver(2005), "Process for Mounting and Packaging of Fiver Bragg Grating Strain Sensors for use in Harsh Environment Application", Smart Structures Conference 2005, SPIE pp. 5758-5796.

저자의 다른 논문 :

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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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