[논문]Fiber Bragg Grating 센서를 이용한 저진동 가속도계 개발

백인석; 강한빈; 이계광; 이석순

doi:10.7736/kspe.2012.29.10.1101

Fiber Bragg Grating 센서를 이용한 저진동 가속도계 개발
Development of a Low Frequency Accelerometer using the Fiber Bragg Grating Sensor 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.10, 2012년, pp.1101 - 1109

백인석 (경상대학교 기계공학부) , 강한빈 (경상대학교 기계공학부) , 이계광 (미래산업기계(주)) , 이석순 (경상대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Accelerometers play a key role in the structural assessment. However, the current electric type accelerometers have certain limitations to apply some structures such as heavy cabling labor, installed sea structure and sensitivity to electromagnetic fields. An optical Fiber Bragg Grating (FBG) accelerometer has many advantages over conventional electrical sensors since their immunity to electromagnetic interference and their capability to transmit signals over long distance without any additional amplifiers, and there is no corrosion from sea water. In this paper, we have developed a new FBG-based accelerometer. The accelerometer consists of two cantilevered type beams and a mass and two rollers. A bragg grating element is not directly glued to a cantilever to avoid possible non-uniform strain in the element. Instead, the bragg grating element will be attached to rotation part that rolled inducing vertical movement of the mass and support cantilever beams so that the bragg grating element is uniformly tensioned to achieve a constant strain distribution. After manufacturing, we will prove the performance and the natural frequency of the accelerometer through the experiment with a vibration shaker. The FBG-based accelerometer is developed for measuring the vibration not exceeding 50 Hz for the marine and civil structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 여타 연구논문과는 구조적 차별성을 두어 FBG 센서를 설계하였고 해수의 영향을 받지 않는 특징을 이용하여 해양플랜트 상에서 Winch 의 일반적인 기계진동 수치인 50 Hz 이하의 진동을 측정하기 위한 외팔보형 가속도계를 실제 제작하여 그 특성과 성능을 실험하고자 한다.
21 에 나타낸 것과 같이 실험을 구성하였다. 본 실험에서는 제작된 가속도계가 기존에 목표로 했던 고유진동수를 실제로 보이는지 확인하기 위한 실험으로, 제작된 가속도계를 사인파 형태로 가진하고 그 진동수를 점차 늘려나가는 사인파 모달 시험(Sine sweep modal testing)을 수행하였다.

제안 방법

12~14 에 보였다. 100 Hz 근처의 1 차 모드 고유진동수를 찾기 위해 모델링 수정작업을 계속 실시하였고 여러 CASE 의 해석을 수행하며 설계를 확정하였다.
FBG 센서를 이용한 가속도계 제작에 관한 연구를 수행하여 그 성능에 대한 평가 및 실험 실험을 수행하였다. 기본개념 및 구조 설계부터 3 차원 형상모델링, 구조응답에 대한 유한요소 진동해석과 그 동특성 및 성능에 관한 실험을 토대로 하여 시제품을 제작하였다.
FBG 센서를 이용한 가속도계의 유한 요소 모델링은 Hyper Mesh 를 이용하여 유한요소 격자를 생성하였다.¹²
가진의 형태는 사인파 형태로 가진하였고 10 Hz 로 시작하여 150 Hz 까지 300 초 동안 선형적으로 증가시켰고, 1 kHz 로 데이터를 샘플링하여 응답을 측정하였고, 가진력은 0.5 G 의 중력가속도를 적용하였다. 가진력에 대한 그래프는 Fig.
18~20 에 나타내었다. 각 실험마다 30 초 이상으로 진동을 유지한 상태에서 응답을 측정하였고 측정된 응답은 1 초 간격으로 정리하여 가장 안정적인 양상을 갖는 그래프를 선정하여 그 결과를 비교하였다.
나사에 의해 고정되는 모든 요소 사이에는 접촉된 상태에서 떨어지지 않고 고정되는 Tie Condition 을 부여하였다. 그리고 가속도계가 설치될 환경을 고려하여 Fig. 7 과 같이 회전부 (Rotation Part)의 회전축 방향에 해당하는 Z 축의 회전방향을 제외한 모든 자유도를 구속하였다.
FBG 센서를 이용한 가속도계 제작에 관한 연구를 수행하여 그 성능에 대한 평가 및 실험 실험을 수행하였다. 기본개념 및 구조 설계부터 3 차원 형상모델링, 구조응답에 대한 유한요소 진동해석과 그 동특성 및 성능에 관한 실험을 토대로 하여 시제품을 제작하였다.
7 과 같다. 나사에 의해 고정되는 모든 요소 사이에는 접촉된 상태에서 떨어지지 않고 고정되는 Tie Condition 을 부여하였다. 그리고 가속도계가 설치될 환경을 고려하여 Fig.
16 과 같이 실험을 구성하였다. 본 실험에서는 가속도계의 진동에 대한 응답 신호의 비교를 위하여 상용 ICP 가속도계를 가진기 위에 부착하여 그 응답을 비교하였다. 제작된 가속도계의 신호는 가속도계구조물과 설치된 FBG 센서를 파이버프로사의 광섬유 전용 신호처리 시스템 (FBG Sensing Interrogation System)인 IS7000 을 통해 응답을 측정하였다.
FBG 센서는 회전부 (Rotation Part)의 회전에 의해 인장 또는 압축작용을 받게 된다. 압축의 경우 FBG 센서가 매우 가늘어서 굽힘으로 변형되면 압축변형을 정확히 감지하지 못할 것으로 예상되어 예인장 조절기 (Pre-tension controller)를 도입하였다. 예인장 조절기는 FBG 광섬유 센서에 압축변형을 상쇄할 정도의 예인장 (Pre-tension)을 미리 주는 역할을 한다.
3 과 같다. 전체적인 구성은 형상을 지지하는 메인 프레임 (Main Frame)으로 구성되어 있고, 내부는 예인장 조절기와 가진에 대한 응답을 받는 질량 (Mass) 부분과 스프링 부분으로 모델링하였다.
본 실험에서는 가속도계의 진동에 대한 응답 신호의 비교를 위하여 상용 ICP 가속도계를 가진기 위에 부착하여 그 응답을 비교하였다. 제작된 가속도계의 신호는 가속도계구조물과 설치된 FBG 센서를 파이버프로사의 광섬유 전용 신호처리 시스템 (FBG Sensing Interrogation System)인 IS7000 을 통해 응답을 측정하였다.
제작될 가속도계의 동특성에 대한 설계평가를 하기 위하여 가속도계 모델의 고유진동수를 확인하기 위하여 고유진동수해석 (Natural Frequency Analysis)을 수행한다.

대상 데이터

Fig. 21 에서 진동시험기는 ㈜팜테크 사의 모델 EDS50-190 을 사용하였다. 진동제어에 사용된 진동제어기는 Vibration Research 사의 모델 VR9500 을 사용하였으며 가속도 센서는 Kistler 사의 모델 8702B100M1 을 사용하였다.
6 에 나타내었다. 유한요소는 8 절점 솔리드 요소 (Solid Element)인 C3D8I 유한요소격자를 사용하였으며 그 개수는 Table 1 에 나타내었다.
진동시험기는 Fig. 17 과 같이 자동차 부품, 전장부품, 포장제품, 전기/전자제품 등의 진동 시험을 하기 위한 시험장비로서 많이 사용되고 있는 GNV-400 을 사용하였다.
21 에서 진동시험기는 ㈜팜테크 사의 모델 EDS50-190 을 사용하였다. 진동제어에 사용된 진동제어기는 Vibration Research 사의 모델 VR9500 을 사용하였으며 가속도 센서는 Kistler 사의 모델 8702B100M1 을 사용하였다.

성능/효과

FBG 센서를 이용한 가속도계 제작에 관한 연구를 수행하여 그 성능에 대한 평가 및 실험 FBG 가속도계의 1 차 고유 진동수는 구조해석 결과로 113.3 Hz 에서 나타났고, 실험으로 확인된 공진 주파수는 103 Hz 로 나타나며, 두 결과값은 약 8.8% 의 오차를 보인다.
본 연구에서 목표로 하고 있는 FBG 가속도계의 사양으로 선정한 측정범위인 50 Hz 이내를 고려하면 안정적인 설계가 이루어 졌음을 알 수 있고, 이는 유한요소해석을 위하여 간략화 된 모델을 사용함으로 인한 결과로 판단된다.
23 에 나타내었다. 실험결과 고유진동수를 약 103 Hz 에서 확인할 수 있고 이는 유한요소해석 결과 113.3 Hz 비교하여 약 10 Hz (8.8%)의 오차를 보이고 있다.
실험결과 전체적인 위상에서는 조금씩의 차이는 있으나 진동파형 및 양상이나 측정된 진동수는 제작된 FBG 가속도계의 결과와 상용화된 가속도계의 결과에서 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.
실험결과는 별도의 컴퓨터에서 측정하여 데이터는 같은 시간대로 일치시킬 수 없어 ICP Type Accelerometer 결과와 FBG Type 결과와 일치시킬 수 없었으나 주기가 같음을 보이고 있다.
제작된 가속도계의 성능을 검증하기 위하여 같은 가진을 받는 상용화된 ICP 가속도계와 그 응답을 비교한 결과, 약간의 위상차만을 보이고 전체적인 진동수 및 응답이 같은 양상을 보이고 있어 50 Hz 이내의 진동에 대한 응답측정에서 비교적 정확한 측정으로 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FBG센서의 장점은 무엇인가?	광섬유를 사용하는 FBG (Fiber Bragg Grating) 센서는 변형률과 온도를 측정할 수 있으며 스트레인 게이지에 비해 전자기 간섭(Electro Magnetic Interference; EMI) 의 영향과 부식이 없고 원거리 측정이 가능하며 내구성이 높은 장점을 가짐과 동시에 토목 공학분야, 특히 교량이나 터널과 같은 큰 구조물 모니터링에 주로 사용되어 왔다.5 뿐만 아니라 고 정밀 진동 측정 및 촉각센서 등 다양한 측 분야에 응용되고 있고,6,7 최근에는 풍력터빈 블레이드 및 철도 구조물 등의 기계공학 분야에도 적용되기 시작하였다.
	FBG 센서란 무엇인가?	FBG 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 간격에 따라 새긴 후, 온도나 변형 등의 외부의 조건 변화에 따라 각 격자의 간극이 변화됨으로 인하여 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
	가속도 변환기 연구에 있어서 광섬유를 이용한 연구가 진행되는 이유는?	지금까지 국내에서의 연구동향을 보면 스트레인게이지 식이나, PZT (Piezo Electric Transducer)형의 가속도변환기 형에 대한 연구가 진행되어 왔으나 모두 전기식이기 때문에 해수의 영향이 많은 해양플랜트나 선박에서 사용하기에는 부적절한 면이 있어 광섬유를 이용한 가속도계에 관한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있는 상황이다.2-4

참고문헌 (12)

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Kang, H. G., Bang, H. J., Hong, C. S., and Kim, C. G., "Simultaneous Measurement of Strain Temperature and Vibration using Fiber Optic Sensor," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 20, No. 5, pp. 560-567, 2006.
Kang, M. G., Park, D. J., and Lee, S. S., "Strain Measurements on a Cantilever Beam with Fiber Bragg Grating Sensors Using a Pair of Collimators," Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 13, No. 3, pp. 455-458, 2012.

원문보기 상세보기
Chen, C., Ding, G., Zhang, D., and Cui, Y., "Michelson Fiber-Optics Accelerometer," American Institute of Physics, Vol. 69, No. 9, pp. 3123-3126, 1998.
Pau, S. S., "Mechanical Vibrations, 4th ed.," Pearson Prentice Hall, pp. 749-754, 2004.
Altair Engineering, "Hypermesh 8.0 user guide," pp. 128-150, 2006.

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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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