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질량-스프링 구조를 이용한 새로운 광세기 기반 광섬유 진동센서
Novel Intensity-Based Fiber Optic Vibration Sensor Using Mass-Spring Structure 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.6, 2014년, pp.78 - 86  

호 일 (전북대학교 전기공학과, 스마트그리드연구센터) ,  김현호 (전북대학교 전기공학과, 스마트그리드연구센터) ,  최상진 (전북대학교 전기공학과, 스마트그리드연구센터) ,  반재경 (전북대학교 전기공학과, 스마트그리드연구센터)

초록
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본 논문에서는 질량-스프링 구조를 이용한 새로운 광세기 기반 광섬유 진동센서를 제안하고 시뮬레이션과 부분 실험을 통하여 그 실현 가능성을 제시한다. 제안한 광세기 기반 광섬유 진동센서는 네 개의 구불구불하게 휘어지는 스프링과 질량체 안의 사각형 개구면(aperture)으로 구성된 질량-스프링 구조를 가진다. 광시준기(optical collimator)는 질량체 안의 사각형 개구면의 변위에 의해서 변조되는 광을 넓히는 데 이용된다. 제안한 광섬유 진동센서를 광학적인 면과 기계적인 면에서 해석하고 설계한다. 기계적인 부분의 설계는 이론적인 해석, 수학적인 모델링 및 3 차원 유한요소법 시뮬레이션을 이용한다. 기계적인 진동이 가해질 때 개구면의 상대적인 변위관계를 3차원 유한요소법 시뮬레이션을 이용하여 구하고, 개구면의 상대적인 변위에 따른 출력값을 실험을 통하여 측정한다. 이를 이용하여 진동에 따른 출력 특성을 파악한 결과 센서 민감도 $15.731{\mu}W/G$, 감지영역 ${\pm}6.087G$를 얻었다. 그리고 입력광원의 파워가 10 dB까지 변하더라도 참조광을 이용하여 0.75%의 상대오차를 보이는 매우 안정된 출력광 파워를 얻었다. 제안한 광섬유 진동센서는 간단한 구조, 저비용 및 다지점 측정 가능의 특징을 가지면서, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 소형으로 간편하게 제작할 수 있는 잠재력을 가진다.

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In this paper, a novel intensity-based fiber optic vibration sensor using a mass-spring structure, which consists of four serpentine flexure springs and a rectangular aperture within a proof mass, is proposed and its feasibility test is given by the simulation and experiment. An optical collimator i...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • In this paper, we propose a novel intensity-based fiber optic vibration sensor using a mass-spring structure which consists of four serpentine flexure springs and a rectangular aperture within a proof mass. It has the advantages of a simple structure, low cost, and multi-point sensing characteristic.
  • A novel intensity-based fiber optic vibration sensor using a mass-spring structure was proposed and the feasibility of the proposed sensor was presented. The mechanical part is designed and its feasibility is tested using FEM simulation program. The sensor parameters were given using the simulation and measured results.
  • To show the feasibility of the proposed fiber optic vibration sensor, we designed the configuration of sensor, simulated the mechanical part of the proposed sensor using 3D FEM (Finite Element Method) based on ANSYS 10.0, and validated the calibrated output signal characteristic of the proposed fiber optic vibration sensor with the input light source power fluctuation.

대상 데이터

  • In our experiment, a 1550 nm broadband light source (BLS) with 2 mW input power, a 1×2 coupler with 1:99 coupling ratio, a collimator with a beam diameter of 7 mm, a micro-stage with a dynamic range of 0-6 mm, and rectangular apertures with different diameter were used.
  • The springs and proof mass were made of aluminium with a Young’s modulus of 0.703 × 1011 N/m2.
  • In our light source calibration test, the input power of light source was adjusted by an attenuator. Two photodetectors, a DAQ (data acquisition) card (NI 6120) and Labview program were used for the test.
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참고문헌 (15)

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