[논문]Sagnac형 광섬유 센서를 이용한 중공 원통형 맨드릴의 재료 및 설치 방향에 따른 음압 감지 변화 연구

이종길

doi:10.5050/ksnve.2012.22.7.626

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In this paper, sound pressure sensitivity of the fiber optic acoustic sensor according to sensor direction and mandrel material were investigated experimentally. Three different directions were selected as stand, lay, and hole. Hollow cylinder type mandrel dimension is 30 mm in outer diameter, 45 mm...

In this paper, sound pressure sensitivity of the fiber optic acoustic sensor according to sensor direction and mandrel material were investigated experimentally. Three different directions were selected as stand, lay, and hole. Hollow cylinder type mandrel dimension is 30 mm in outer diameter, 45 mm in length, and 2 mm in thickness, and about 50 m optical fibers were wounded on the surface of the mandrel. Non-directional sound speaker was used as a sound source. Sagnac interferometer and single mode fiber, a laser with 1,550 nm in wavelength, $2{\times}2$ coupler were used. Based on the experimental results, lay direction's sensitivity is the highest in the frequency range of 2 kHz~4 kHz. 'PTFE+carbon' material is more sensitive than PTFE in the frequency range of 5 kHz~20 kHz. Sound pressure detection sensitivity depends on the mandrel direction and material under certain frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2와 같이 PTFE(poly tepra fluoro ethylene) 재료와 PTFE에 탄소를 섞은 재료(PTFE+carbon)의 2가지이다. 이 실험의 목적은 PTFE 재료로 만든 센서와 카본 센서의 감도를 비교하는데 있고 실험은 여러 회 반복하여 수행하였다.
이 연구에서는 Lee⁽⁹⁾의 선행연구에서 보여준 광섬유 센서의 방향성에 다른 감도 변화와 맨드릴 재질에 따른 응답 특성을 음원 주파수 변화에 따라 관찰하고자 하였다.
이 연구에서는 광섬유 센서의 감도가 센서 설치 방향과 맨드릴 재질에 따라 어떻게 달라지는지 실험을 통하여 수행하였다.

가설 설정

Fig. 13은 음원 주파수가 1 kHz일 때 PTFE 센서(a)와 카본 센서(b)가 감지한 신호의 주파수 스펙트럼을 보인 것이다. Fig.

제안 방법

Fig. 4와 Fig. 7과 같이 배열된 두 개의 센서를 이용하여 방향성에 다른 감지 성능 실험을 수행하였다. Fig.
2와 같이 PTFE(poly tepra fluoro ethylene) 재료와 PTFE에 탄소를 섞은 재료(PTFE+carbon)의 2가지로 제작하였다. PTFE는 PVC보다 강도가 낮기 때문에 탄소를 함유시켜 강도를 높여서 사용하며 이 논문에서는 카본 센서로 명명하였다.
맨드릴의 크기는 외경이 30 mm이고 길이가 45 mm이며 두께가 2 mm인 중공 원통형이다. 광섬유 센서가 놓이는 방향을 직립 방향, 옆 방향, 구멍 방향의 세 방향으로 구분하였다. 실험 결과 0.
광섬유 센서의 감도는 센서가 놓이는 방향, 맨드릴의 재질, 음원 주파수에 따라 달라짐을 실험을 통하여 확인하였다. 그러나 이 논문에서 제시된 광섬유 센서가 특정 주파수 영역에서 평탄 특성을 가지기 위하여 향후 광섬유 센서의 고유진동수와 외부 유입 주파수와의 관계 실험이 추가로 수행되어야 할 것이다.
광섬유 센서의 방향성과 재료에 따른 음압 감지 성능을 알아보기 위하여 Fig. 4와 같이 배열 형태의 Sagnac 간섭계를 구성하였다.
먼저 광섬유 센서를 제작하기 위하여 맨드릴을 제작하고 여기에 14.7 m 정도의 단일 모드 광섬유를 감아 제작하였다. 맨드릴의 크기는 외경이 30 mm이고 길이가 45 mm이며 두께가 2 mm인 중공 원통형이다.
음원에 대한 방향성을 실험하기 위하여 Fig. 6과 같이 직립(stand), 옆 방향(lay), 구멍 방향(hole)으로 구분하여 실험하였다. 광섬유 센서가 설치되는 일반적인 형태는 Fig.

대상 데이터

광섬유 센서로 구성할 수 있는 일반적인 방법은 원통형 맨드릴에 광섬유를 감아 사용하는 것이다. 맨드릴의 크기는 외경이 30 mm이고 길이가 45 mm이며 두께가 2 mm인 중공 원통형이다. 외경이 30 mm인 이유는 광섬유의 굽힘 손실이 적은 가장 작은 크기가 실험적으로 30 mm이기 때문이다.
7에서와 같이 각각 바꾸어 가며 실험하였다. 무지향성 음원과 센서의 떨어진 거리는 50 mm이며 음원의 주파수는 0.5 kHz~4 kHz로 선정하였다.
실험에 사용된 맨드릴의 재질은 PTFE 재료와 PTFE에 탄소를 섞은 재료(PTFE+carbon)의 2가지를 선택하였고 같은 실험을 여러 회 반복하여 수행하였다. 실험 결과 1 kHz~4 kHz 범위의 음원 주파수에서는 PTFE 재질을 이용한 센서가 감도가 높게 나타났으며 5 kHz~20 kHz의 고주파 영역에서는 PTFE+carbon 재질이 더 높게 나타났다.
외경이 30 mm인 이유는 광섬유의 굽힘 손실이 적은 가장 작은 크기가 실험적으로 30 mm이기 때문이다. 제작된 맨드릴 재료는 Fig. 2와 같이 PTFE(poly tepra fluoro ethylene) 재료와 PTFE에 탄소를 섞은 재료(PTFE+carbon)의 2가지로 제작하였다. PTFE는 PVC보다 강도가 낮기 때문에 탄소를 함유시켜 강도를 높여서 사용하며 이 논문에서는 카본 센서로 명명하였다.

성능/효과

0.5 kHz에서는 직립방향이 가장 높게 나타났으나 2 kHz~4 kHz의 영역에서는 직립 < 구멍방향 < 옆방향의 크기순으로 나타나 옆방향의 감도가 가장 높음을 알 수 있었다.
실험 결과 1 kHz~4 kHz 범위의 음원 주파수에서는 PTFE 재질을 이용한 센서가 감도가 높게 나타났으며 5 kHz~20 kHz의 고주파 영역에서는 PTFE+carbon 재질이 더 높게 나타났다. PTFE 재질이 카본(PTFE+carbon) 재질보다 탄성계수가 낮기 때문에 특히 고주파 영역에서는 E^m값이 낮을수록 감도가 높아지는 이론 해석의 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
9는 각각 구멍 방향과 직립 방향에서 감지된 음원 주파수 스펙트럼이다. 두 방향 모두 음원 주파수 0.5 kHz를 잘 검출하였으나 Fig. 8에서와 같이 구멍 방향에서 인가 음원 주파수의 2배인 1 kHz가 검출되었다. 이는 음이 원통 내부를 지나면서 하모닉 성분을 발생시킨 것으로 추정된다.
광섬유 센서가 놓이는 방향을 직립 방향, 옆 방향, 구멍 방향의 세 방향으로 구분하였다. 실험 결과 0.5 kHz에서는 직립방향이 가장 높게 나타났으나 2 kHz~4 kHz의 영역에서는 옆방향, 구멍방향, 직립방향의 순으로 크게 나타나 옆방향의 감도가 가장 높음을 알 수 있었다.
실험에 사용된 맨드릴의 재질은 PTFE 재료와 PTFE에 탄소를 섞은 재료(PTFE+carbon)의 2가지를 선택하였고 같은 실험을 여러 회 반복하여 수행하였다. 실험 결과 1 kHz~4 kHz 범위의 음원 주파수에서는 PTFE 재질을 이용한 센서가 감도가 높게 나타났으며 5 kHz~20 kHz의 고주파 영역에서는 PTFE+carbon 재질이 더 높게 나타났다. PTFE 재질이 카본(PTFE+carbon) 재질보다 탄성계수가 낮기 때문에 특히 고주파 영역에서는 E^m값이 낮을수록 감도가 높아지는 이론 해석의 결과와 잘 일치함을 확인하였다.

후속연구

같은 음원 주파수라 할지라도 광섬유 센서가 놓이는 방향에 따라 감도 차이가 발생하고 특정 주파수(1 kHz)하에서는 각 방향에서의 음압 감도는 그림에서와 같이 차이를 보이지 않았으나 다른 주파수 영역에서 다양한 경우의 위치 선정을 통하여 감도를 비교할 수 있을 것이다.
광섬유 센서의 감도는 센서가 놓이는 방향, 맨드릴의 재질, 음원 주파수에 따라 달라짐을 실험을 통하여 확인하였다. 그러나 이 논문에서 제시된 광섬유 센서가 특정 주파수 영역에서 평탄 특성을 가지기 위하여 향후 광섬유 센서의 고유진동수와 외부 유입 주파수와의 관계 실험이 추가로 수행되어야 할 것이다.
이 연구 결과는 향후 변압기에 발생하는 절연 파괴로 인한 안정성 평가에 응용할 예정이며 이를 위하여 공기중에서와 절연유에서 실험하여 감도 변화를 비교할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유 음향 센서용 맨드릴 형상은 무엇을 많이 이용하는가?	광섬유 음향 센서용 맨드릴 형상은 실제 광섬유를 이용한 음압을 감지하는데 매우 중요한 요소 중 하나이다. 맨드릴의 형상은 여러 가지로 생각할 수 있으나 일반적으로 중공 원통형(hollow cylinder)을 많이 이용한다. 외부 음압이 광섬유에 접촉하면 작은 음압을 오랫동안 유지하기 위하여 두께가 비교적 얇은 중공 원통형을 사용하게된 것이다.
	광섬유 간섭계의 형태는 무엇이 있는가?	특히 광섬유 센서를 이용한 음향 탐지 기술은 수중이나 유중 응용 분야 등에서 활발히 응용되고 있다(3,4). 광섬유 간섭계의 형태는 주로 Mach-Zehnder, Sagnac, Michelson, Fabry-Perot 등이 있으며, 최근 Sagnac 간섭계형 음향․진동 센서가 널리 쓰이고 있다(3,4).
	광섬유 센서의 장점은?	광섬유 센서는 압전 재료와 같은 전기적 방식에 비하여 전자파의 영향을 받지 않으며 저손실, 다중화 등의 장점이 있어 최근 그 연구가 활발히 진행되고 있다(1,2). 특히 광섬유 센서를 이용한 음향 탐지 기술은 수중이나 유중 응용 분야 등에서 활발히 응용되고 있다(3,4).

참고문헌 (9)

Jackson, D. A. and Jones, J. D. C., 1986, Fiber Optic Sensors, OPTICA ACTA, Vol. 33, No. 12, pp. 1469-1503.

상세보기
Lyamshev, L. M. and Smirnov, Y. Y., 1983, Fiber Optic Sensors(review), Sov. Phys. Acoust., Vol. 29, No. 3, pp. 169-180.
Lee, J., Kim, S. and Lee, J.-H., 2000, Discharge Signal Detection in Insulating Oil Using the Optical Fiber Sagnac Interferometer, J. of the KIEE, Vol. 49C, No. 11, pp. 622-626.
Lee, J., 1997, Experimental Investigation of Acoustic Detection Using Interferometeric Fiber Optic Hydrophone, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 7, No. 6, pp. 931-936.
Feng, M. and Suzuki, H., 1994, Optical Fiber Sensors using Vibration Wires, Proceedings of SPIE, Vol. 2360, pp. 223-226.
Bryson, C., 1994, Interferometric Sensor System for Security Applications, Proceedings of SPIE, Vol. 2360, pp. 485-488.
Nash, P. J. and Keen, J., 1990, Design and Construction of Practical Optical Fibre Hydrophones, Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol. 12, Part 4, pp. 201-212.
McMahon, G. W. and Cielo, P. G., 1979, Fiber Optic Sensitivity for Different Sensor Configurations, Applied Optics, Vol. 18, No. 22, pp. 3720-3722.

상세보기
Lee, J., 2010, Experimental Investigation of Directional Sound Detection of Fiber Optic Sensor Array, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 248-249.

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