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[국내논문] 구조 건전성 모니터링을 위한 광섬유 변위 센서 시스템 개발
Fiber Optic Displacement Sensor System for Structural Health Monitoring 원문보기 논문타임라인

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.31 no.4 = no.126, 2011년, pp.374 - 381  

이건호 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  안병준 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  김대현 (서올과학기술대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

최근 구조 건전성 모니터링을 위해 다양한 센서와 분석 기술들을 적용하여 기계/토목 구조물의 처짐을 측정하는 연구들이 활발히 수행되고 있다. 처짐을 측정하기 위해 사용되는 다양한 전기 기반 상용 센서의 경우, 많은 수의 센서가 설치될 때 함께 설치된 다량의 전선들은 전기적 잡음 문제를 야기하여 사용상의 어려움을 발생시킨다. 따라서 본 논문에서는 기본 센서의 문제점을 해결하면서 미세 변위를 손쉽게 측정할 수 있는 저가형의 광강도형 광섬유 변위 센서를 제안한다. 이를 위해, 광섬유 굽힘 손실 현상을 이용하여 센서부의 형태를 고안하였으며 민감도, 선형성 그리고 작동 범위를 구하기 위한 기초 실험을 수행하였다. 또한 변위 측정이 용이하고 구조물에 손쉽게 설치할 수 있도록 센서 헤드의 기구부를 새롭게 설계 제작하였으며, 이를 사용하기 위한 실시간 프로그램 또한 함께 개발하여 광섬유 변위 센서 시스템을 개발 완료하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It has been doing to research on novel techniques for structural health monitoring by applying various sensor techniques to measure the deflection in mechanical and civil structures. Several electric-based displacement sensors have many difficulties for using them because of EMI (Electro-Magnetic In...

주제어

참고문헌 (12)

  1. 김대현, "구조물 건전성 감시를 위한 무아레식 광섬유 경사계 센서 개발", 비파괴검사학회지, 제28권, 제2호, pp. 157-163 (2008) 

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    따라서 최근에는 광학/기계/화학/전기 등 다양한 물리 분야의 원리를 이용한 구조 건전성 모니터링 센서가 다양하게 개발되고 있으며, 구체적으로 구조 건전성 모니터링을 위한 변우], 온도, 가속도, 경사도 등의 다양한 물리량들을 측정할 수 있는 새로운 센서들이 개발되고 있다[1].

  2. N. -S. Kim and N. -S. Cho, "Estimating deflection of a simple beam model using fiber optic Bragg-grating sensors," Experimental Mechanics, Vol. 44, No. 4, pp. 433-439 (2004) 

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    따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 다양한 광섬유센서들, 특히 다점 측정이 용이한 광섬유 브래그격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서를 사용하여 처짐을 측정하는 연구들이 활발히 진행되고 있다[2-4].

  3. 조남소, 김남식, "FBG 변형률 센서를 이용한 현수교의 정적 처짐형상 추정," 대한토목학회지, 제28권, 제5A호, pp. 699-707 (2008) 

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    따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 다양한 광섬유센서들, 특히 다점 측정이 용이한 광섬유 브래그격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서를 사용하여 처짐을 측정하는 연구들이 활발히 진행되고 있다[2-4].

  4. 장성진, 김남식, "모드 분해 기법을 이용한 변위 응답 추정 알고리즘 실교량 적용", 대한토목학회지 제30권, 제3A호, pp. 257-264 (2010) 

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    따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 다양한 광섬유센서들, 특히 다점 측정이 용이한 광섬유 브래그격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서를 사용하여 처짐을 측정하는 연구들이 활발히 진행되고 있다[2-4].

  5. 오상우, 최혁진, "케이블의 곡률 측정을 위한 새로운 형태의 광섬유 마이크로벤드 센서 개발", 한국해양환경공학회지, 제12권, 제4호, pp. 289-295 (2009) 

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    그러나 광섬유 브래그 격자 센서의 경우 제작 시 UV 레이저 등과 같은 고가의 장비가 필요하며 광 파장을 계측할 수 있는 인터로게이터 장비 등 측정 시스템 구성에도 많은 비용이 든다는 단점을 가지고 있다[5].

  6. J. -S. Heo, K. -Y. Kim and J. -J. Lee, "Development of a distributed force detectable artificial skin using microbending optical fiber sensors,'' JIMSS, Vol. 20, No. 17, pp. 2029-2036 (2009) 

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    제안된 광섬유 변위 센서는 빛의 세기(intensity) 변화를 즉정하여 변위를 계즉하는 광강도형 센서로서 광원(light source)과 광 검출기(photo detector)로만 구성되어 있는 긴•단한 형태이고, 저가로 계측 시스템을 구성할 수 있다는 장점을 갖고 있다[6].

  7. 김대현, "광섬유 가속도계 센서의 동적구간 조절을 위한 신호처리 알고리즘 개발", 비파괴검사학회지, 제27권, 제4호, pp. 291-298 (2007) 

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    그리고 기본적으로 광섬유로 구성된 셀서는 전자기적 잡음의 영향을 받지 않아 기존 전자기 기반 센서로 접근이 용이하지 못한 거친 환경 내에서 적용이 가능하고, 원거리 신호의 전달이 효율적이며 부식에 대한 염려가 없어 수중 구조물에서도 적용이 가능하다는 장점 또한 갖고 있다[7].

  8. R. C. Gauthuer and C. Ross, "Theoretical and experimental considerations for a single-mode fiber-optic bend-type sensor," Applied Optics, Vol. 36, No. 25 (1997) 

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    특히, 단일모드 광섬유에서 매크로(macro)한 굽힘이 발생했을 때 발생하는 굽힘 손실은 세부적으로 순수 굽힘 손실(pure bending loss)과 모드 전환 손실(mode transition loss)로 구성된다[8-11].

  9. D. Marcuse, "Curvature loss fomula for optical fibers," JOSA , Vol. 66, Issue 3, pp. 216-220 (1976) 

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    특히, 단일모드 광섬유에서 매크로(macro)한 굽힘이 발생했을 때 발생하는 굽힘 손실은 세부적으로 순수 굽힘 손실(pure bending loss)과 모드 전환 손실(mode transition loss)로 구성된다[8-11].

  10. D. Donlagic and B. Culshaw, "Propagation of the fundamental mode in curved graded index multimode fiber and its application in sensor system," J. Lightwave Technol., Vol. 18, No. 3, pp. 334-342 (2000) 

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    특히, 단일모드 광섬유에서 매크로(macro)한 굽힘이 발생했을 때 발생하는 굽힘 손실은 세부적으로 순수 굽힘 손실(pure bending loss)과 모드 전환 손실(mode transition loss)로 구성된다[8-11].

    결국, 원래 입사된 빛의 세기와 순수 굽힘 손실로 인해 사라진 빛의 차는 ?(%©)=& —4와 같으며, 수학적으로 호의 길이 s를 갖는 굽힘 광섬유를 진행한 후 남은 빛의 세기에 대한 표현은 아래와 같다[10-12].

    결국, 종합적으로 광섬유의 굽혀진 영역에서 발생하는 순수 굽힘 손실과 두 개의 교차점에서 발생하는 모드 전환 손실로 인하여 전체적인 굽힘 손실 세기가 결정된다[10,11].

  11. 유정애, 조재흥, 권일범, "광 커넥터의 반사를 이용한 다중화된 굽힘 손실형 단일모드 광섬유 변위 센서", 한국광학회지, 제15권, 제5호, pp. 415-422 (2004) 

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    특히, 단일모드 광섬유에서 매크로(macro)한 굽힘이 발생했을 때 발생하는 굽힘 손실은 세부적으로 순수 굽힘 손실(pure bending loss)과 모드 전환 손실(mode transition loss)로 구성된다[8-11].

    결국, 원래 입사된 빛의 세기와 순수 굽힘 손실로 인해 사라진 빛의 차는 ?(%©)=& —4와 같으며, 수학적으로 호의 길이 s를 갖는 굽힘 광섬유를 진행한 후 남은 빛의 세기에 대한 표현은 아래와 같다[10-12].

    결국, 종합적으로 광섬유의 굽혀진 영역에서 발생하는 순수 굽힘 손실과 두 개의 교차점에서 발생하는 모드 전환 손실로 인하여 전체적인 굽힘 손실 세기가 결정된다[10,11].

  12. A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London, pp. 250-290 (1983) 

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    결국, 원래 입사된 빛의 세기와 순수 굽힘 손실로 인해 사라진 빛의 차는 ?(%©)=& —4와 같으며, 수학적으로 호의 길이 s를 갖는 굽힘 광섬유를 진행한 후 남은 빛의 세기에 대한 표현은 아래와 같다[10-12].

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