[논문]하이브리드 광섬유 센서 시스템을 이용한 풍력발전기의 다중물리량 상태감시

김대길; 김현진; 송민호

doi:10.5207/jieie.2015.29.8.076

[국내논문] 하이브리드 광섬유 센서 시스템을 이용한 풍력발전기의 다중물리량 상태감시
A Hybrid Fiber-Optic Sensor System for Multi-Stress Condition Monitoring of Wind Turbines 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.8, 2015년, pp.76 - 82

김대길 , 김현진 (전북대학교 대학원 전자정보공학부) , 송민호

Abstract ▼ AI-Helper

A hybrid fiber-optic sensor system which combines fiber Bragg grating sensors and a Michelson interferometer has been constructed and evaluated for condition monitoring of large scale wind turbines. In order to measure multiple stresses applied to wind turbines such as strain, temperature and vibration, the system uses single broadband light source. It addresses both types of sensors, which simplifies the optical setup and enhances the cost-effectiveness of condition monitoring system. An athermal-packaged FBG is used to supply quasi-coherent light, of which coherence length is about 3.28mm, for the Michelson interferometer demodulation. Experimental results demonstrated that the proposed fiber-optic sensor system was capable of measuring strain and temperature with measurement accuracy of 1pm. Also 500~2000Hz vibration signals were successfully analyzed by applying FFT signal processing to interference signals.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 FBG와 광섬유 마이켈슨 간섭계를 사용하여 블레이드의 스트레인 및 온도 분포와 로터, 기어박스, 베어링 등에서 발생하는 진동을 동시에 측정할 수 있는 하이브리드 광섬유 센서시스템을 제안한다. FBG와 광섬유 간섭계는 사용하는 광원과 복조 방법이 서로 달라 같이 사용하기 어렵고[9-10], 각각의 센서를 위한 광원과 신호처리 과정이 필요하므로 광학 구조가 복잡해진다.
본 논문에서는 풍력발전기의 스트레인, 온도 및 진동신호를 동시에 측정하기 위해 광섬유 마이켈슨 간섭계와 FBG 센서를 결합한 하이브리드 광섬유 센서 시스템을 제안하였다. 단일 광폭광원으로 두 광섬유 센서를 동시에 구동하기 위하여 비열 포장된 FBG를 사용하여 간섭계에 약 3.

제안 방법

다이나믹 진동기에 의해 발생되는 진동신호를 간섭계 센서의 감지 팔에 인가하였다. 간섭계의 온도변화에 의한 영향을 최소화하기 위하여 실험실의 온도를 20℃로 유지하여 실험을 진행하였다.
광섬유 결합기에서 광섬유 끝단까지의 거리는 3m이다. 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서에 준간섭성을 갖는 빛을 공급하기 위하여 비열 포장된 FBG를 사용하였다. 비열 FBG로부터 반사되는 빛의 간섭성 길이를 식 (3)을 이용하여 계산하면 약 3.
광폭광원의 출력변동에 의한 간섭계의 출력 영향을 최소화하기 위하여 PD1과 PD2에서 기준 신호 P_r, 간섭계의 출력 P_out을 각각 측정하여 보정하였다. 보정된 출력은 식 (4)로 표현된다.
간섭형 광섬유 센서는 간섭계의 감지부에 인가되는 물리량이 광섬유의 굴절률이나 길이를 변화시키는 것을 이용한다. 굴절률이나 길이의 변화가 간섭계 출력의 위상을 변화시키므로 위상변화량을 계산하여 가해진 물리량을 측정한다.
)를 사용하였다. 다이나믹 진동기에 의해 발생되는 진동신호를 간섭계 센서의 감지 팔에 인가하였다. 간섭계의 온도변화에 의한 영향을 최소화하기 위하여 실험실의 온도를 20℃로 유지하여 실험을 진행하였다.
본 논문에서는 풍력발전기의 스트레인, 온도 및 진동신호를 동시에 측정하기 위해 광섬유 마이켈슨 간섭계와 FBG 센서를 결합한 하이브리드 광섬유 센서 시스템을 제안하였다. 단일 광폭광원으로 두 광섬유 센서를 동시에 구동하기 위하여 비열 포장된 FBG를 사용하여 간섭계에 약 3.28mm의 간섭성 길이를 갖는 준간섭성 광원을 공급하였다. 모의 풍력발전기의 블레이드에 7개의 FBG센서를 부착하여 적용성 실험을 진행하였으며, 제안한 시스템이 풍력발전기 블레이드의 다중위치에서 스트레인과 온도 분포를 1pm의 정밀도로 복조할 수 있음을 보였다.
온도 FBG는 스트레인의 영향을 받지 않도록 포장돼 있다. 센서신호간의 혼선을 피하기 위하여 각 센서의 파장간격은 2nm이상이 되도록 설계하였다. 그림 3에 각 FBG 센서의 브래그 파장을 나타내었다.
FBG와 광섬유 간섭계는 사용하는 광원과 복조 방법이 서로 달라 같이 사용하기 어렵고[9-10], 각각의 센서를 위한 광원과 신호처리 과정이 필요하므로 광학 구조가 복잡해진다. 제안하는 시스템은 광학 구조를 간소화하고, 비용 효율성을 향상시키기 위하여 단일 광폭광원(broadband light source)에 비열(athermal) 포장된 FBG를 적용하여 광섬유격자와 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서를 동시에 구동하였다. 두 가지 센서의 복조를 위해 각각 분광기(spectrometer, Bayspec Inc.
그림 2에 시스템의 개략도를 나타내었다. 제안하는 하이브리드 광섬유 센서 시스템은 크게 FBG 센서부와 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서부로 이루어진다. FBG 센서부는 풍력발전기 블레이드의 스트레인과 온도 분포를 측정한다.
풍력발전기 블레이드의 스트레인과 온도를 측정하기 위하여 선행연구에서 제작한 모의 풍력발전기 날개의 상부와 하부에 스트레인 FBG센서를 부착하였다[4]. 그림 4에 FBG 센서가 설치된 위치를 표시하였고, 표 1에 제원을 나타내었다.

대상 데이터

단일 광원으로 FBG 센서와 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서를 동시에 사용하기 위하여 1550nm 중심 파장, 75nm의 스펙트럼폭을 가지는 ASE(amplitude spontaneous emission) 광폭광원을 사용하였다. 그림 2에 시스템의 개략도를 나타내었다.
제안하는 시스템은 광학 구조를 간소화하고, 비용 효율성을 향상시키기 위하여 단일 광폭광원(broadband light source)에 비열(athermal) 포장된 FBG를 적용하여 광섬유격자와 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서를 동시에 구동하였다. 두 가지 센서의 복조를 위해 각각 분광기(spectrometer, Bayspec Inc.)와 광검출기(photodetector, 이하 PD)를 사용하였다.
비열 FBG를 이용한 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서의 진동측정 적용성 실험을 위해 다이나믹 진동기(electro-dynamic shaker, Labworks Inc.)를 사용하였다. 다이나믹 진동기에 의해 발생되는 진동신호를 간섭계 센서의 감지 팔에 인가하였다.
실험에 사용된 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서는 서큘레이터(circulator)와 1565nm 중심파장, 0.22nm의 스펙트럼폭을 갖는 비열 포장된 FBG(JC Optronics Inc.), 2×2 3-dB 광섬유 방향성 결합기로 이루어진다.

이론/모형

본 논문에서는 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서를 이용 하였다. 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서는 그림 1과 같이 광섬유 결합기(optical coupler)의 끝단을 거울 도금하여 제작할 수 있다.

성능/효과

모의 풍력발전기의 블레이드에 7개의 FBG센서를 부착하여 적용성 실험을 진행하였으며, 제안한 시스템이 풍력발전기 블레이드의 다중위치에서 스트레인과 온도 분포를 1pm의 정밀도로 복조할 수 있음을 보였다. 또한 비열 FBG를 이용한 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서에 진동기를 사용하여 진동신호를 인가하여 측정한 결과, 500∼2000Hz의 진동신호를 FFT 분석을 통하여 복원하는 것이 가능함을 보였다.
28mm의 간섭성 길이를 갖는 준간섭성 광원을 공급하였다. 모의 풍력발전기의 블레이드에 7개의 FBG센서를 부착하여 적용성 실험을 진행하였으며, 제안한 시스템이 풍력발전기 블레이드의 다중위치에서 스트레인과 온도 분포를 1pm의 정밀도로 복조할 수 있음을 보였다. 또한 비열 FBG를 이용한 광섬유 마이켈슨 간섭계 센서에 진동기를 사용하여 진동신호를 인가하여 측정한 결과, 500∼2000Hz의 진동신호를 FFT 분석을 통하여 복원하는 것이 가능함을 보였다.
DC 성분은 2×23-dB 광섬유 결합기의 결합비 차이와 간섭계에 공급한 광원의 준간섭성에 의해 생긴 것으로 판단된다. 비열 FBG에서 반사되는 빛의 세기(intensity)가 약함에도 불구하고, 약 0.2V의 진폭을 갖는 간섭신호를 측정할 수 있었다.
69nm의 파장변화를 FBG4에서 확인할 수 있으며, 이는 약 769με에 해당하는 변화량이다[14]. 이후 자유 진동에 의해 각 FBG 센서에 가해지는 스트레인을 충실히 복원하고 있음을 확인하였다. 온도 FBG센서의 경우 -1∼0pm의 파장변화를 보이며, 이는 약 0.

후속연구

1℃에 해당하는 변화량이다. 이러한 실험결과는 블레이드에 충격, 파손 및 불균형 등의 이상 발생 여부를 정상상태에서의 스트레인 패턴과 비교하여 진단하는데 활용할 수 있음을 보여준다.
제안한 시스템은 단일 광원으로 두 종류의 광센서를 동시에 사용하여 광학 구조를 간소화함으로써 풍력발전기의 이상 유무를 감시 및 진단하는 광섬유 상태감시시스템 구성의 비용을 줄임과 동시에 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동분석은 어떠한 기능을 가지는가?	풍력발전설비가 대용량화, 해상화됨에 따라 설비의 이상 유무를 조기에 감지하여 큰 사고와 장기간의 발전중단을 예방하고자 하는 상태감시시스템(condition monitoring system)이 큰 관심을 받고 있다[1]. 풍력발전기에 적용하는 상태감시시스템은 블레이드 (blades), 로터(rotor), 기어박스(gearbox)와 베어링 (bearings) 등에서 발생하는 진동을 전기적 센서를 이용하여 측정하고 분석하는 진동분석(vibration analysis)이 주를 이룬다. 그 외에도 균열(crack)이나 결함에서 발생하는 이상마찰음을 측정하는 음향방출법(acoustic emission), 타워(tower)나 블레이드의 결함부위에서 반사되는 초음파로 균열을 검출하는 초음파검사기술(ultrasonic testing techniques), 적외선을 이용하는 열화상진단법(thermography)도 꾸준히 적용연구가 이루어졌다[2].
	광섬유 센서의 장점은?	광섬유 센서는 발전설비의 전자기파 간섭에 영향받지 않으며, 다수의 센서를 쉽게 다중화할 수 있어 대규모 전력설비의 실시간 상태감시에 적합하다. 이러한 장점을 이용하여 선행연구에서 풍력발전기 블레이드의 상태감시를 위한 광섬유격자(fiber Bragg grating, 이하 FBG) 센서시스템을 개발하였다[4].
	광섬유격자 센서 시스템의 문제점은?	이러한 장점을 이용하여 선행연구에서 풍력발전기 블레이드의 상태감시를 위한 광섬유격자(fiber Bragg grating, 이하 FBG) 센서시스템을 개발하였다[4]. 그러나 FBG 센서는 약 150 Hz 이하의 저주파수대역에서 주로 사용되며[5], 블레이드가 아닌 풍력발전기 다른 부위에서 발생하는 진동신호를 측정하는데 취약하다. 중·고주파수대역에서 발생하는 진동신호를 측정하기 위해서는 간섭계형 광섬유 센서를 사용해야 한다[6-8].

참고문헌 (14)

Z. Hameed, Y. S. Hong, Y. M. Cho, S. H. Ahn, and C. K. Song, "Condition monitoring and fault detection of wind turbines and related algorithms: A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, no. 1, pp. 1-39, 2009.

상세보기
F. P. G. Marquez, A. M. Tobias, J. M. P. Perez, and M. Papaelias, "Condition monitoring of wind turbines: techniques and methods," Renewable Energy, vol. 48, pp. 169-178, 2012.
K. Schroeder, W. Ecke, J. Apitz, E. Lembke, and G. Lenschow, "A fibre Bragg grating sensor system monitors operational load in a wind turbine rotor blade," Measurement Science and Technology, vol. 17, no. 5, pp. 1167, 2006.

상세보기
D. Kim, H. Kim, and M. Song, "FBG sensor system for condition monitoring of wind turbine blades," Journal of the Korean Institude of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 27, no. 8, pp. 75-85, 2013.
H. Y. Au, S. K. Khijwania, and H. Y. Tam, "Fiber Bragg grating based accelerometer," Proc. SPIE 7004, 19th International Conference on Optical Fibre Sensors, 70042S, 2008.
A. B. Tveten, A. Dandridge, C. M. Davis, and T. G. Giallorenzi, "Fibre optic accelerometer," Electronics Letters, vol. 16, no. 22, pp. 854-856, 1980.

상세보기
H. Kim, J. Lee, and M. Song, "Demodulation of FBG and acoustic sensors embedded in a fiber-optic Sagnac loop," Journal of the Korean Institude of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 26, no. 2, pp. 44-50, 2012.
A. S. Gerges, T. P. Newson, J. D. C. Jones, and D. A. Jackson, "High-sensitivity fiber-optic accelerometer,"Optics letters, vol. 14, no. 4, pp. 251-253, 1989.

상세보기
H. Park, J. Lee and M. Song, "Distributed fiber-optic temperature sensor network for protection of electric power systems," Journal of the Korean Institude of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 20, no. 5, pp. 64-71, 2006.

원문보기 상세보기
H. Park and M. Song, "Intrusion sensor using fiber-optic Mach-Zehnder interferometer," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, vol. 26, no. 4, pp. 255-259, 2006.
A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, "Fiber grating sensors," Journal of Lightwave Technology, vol. 15, no. 8, pp. 1442-1462, 1997.

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F. Lexer, C. K. Hitzenberger, A. F. Fercher, and M. Kulhavy, "Wavelength-tuning interferometry of intraocular distances," Applied Optics, vol. 36, no. 25, pp. 6548-6553, 1997.

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R. Kashyap and B. Nayar, "An all single-mode fiber michelson interferometer sensor," Journal of Lightwave Technology, vol. 1, no. 4, pp. 619-624, 1983.

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D. C. Betz, G. Tursby, B. Culshaw, and W. J. Staszewski, "Advanced Layout of a Fiber Bragg Grating Strain Gauge Rosette," Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 2, pp. 1019-1026, 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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