최근 많은 장점으로 기존 전기식 센서를 대체하여 그 적용 영역을 빠르게 넓혀가고 있는 광섬유 센서는 센서부에서 계측기 사이의 신호 전달을 위해 광 어댑터와 광 점퍼 코드와 같은 광소자를 사용하게 된다. 광 어댑터를 이용하여 신호 전달을 하는 경우 단면이 서로 맞닿게 되어 이물질에 의해 코어 부분에 손상이 발생할 수 있으며, 이는 광 손실 및 광 접속 불능을 유발할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 지속적인 유지보수를 필요로 하는 문제들을 근원적으로 해결할 수 있는 대안으로 비접촉식 광섬유 점퍼 코드를 개발하였으며 그 전송 성능을 평가하였다. 시험 결과, 기존의 접촉식 광 점퍼 코드는 2 mm의 간극에서 광 신호 전송이 불가능한데 반해 비접촉식 광 점퍼 코드의 경우 초기 광 손실은 상대적으로 크지만 간극이 증가하더라도 약 7 mm 정도까지 안정적으로 신호 전송이 가능하였다. 따라서, 패치 코드가 광센서 간 신호 전송을 위한 케이블임을 고려할 때 외부의 환경적 요인에 대해 더 우수한 신호 안정성을 가진 비접촉식 패치 코드가 접촉식 패치 코드에 비해 현장 적용성이 더 뛰어남을 확인하였다.
최근 많은 장점으로 기존 전기식 센서를 대체하여 그 적용 영역을 빠르게 넓혀가고 있는 광섬유 센서는 센서부에서 계측기 사이의 신호 전달을 위해 광 어댑터와 광 점퍼 코드와 같은 광소자를 사용하게 된다. 광 어댑터를 이용하여 신호 전달을 하는 경우 단면이 서로 맞닿게 되어 이물질에 의해 코어 부분에 손상이 발생할 수 있으며, 이는 광 손실 및 광 접속 불능을 유발할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 지속적인 유지보수를 필요로 하는 문제들을 근원적으로 해결할 수 있는 대안으로 비접촉식 광섬유 점퍼 코드를 개발하였으며 그 전송 성능을 평가하였다. 시험 결과, 기존의 접촉식 광 점퍼 코드는 2 mm의 간극에서 광 신호 전송이 불가능한데 반해 비접촉식 광 점퍼 코드의 경우 초기 광 손실은 상대적으로 크지만 간극이 증가하더라도 약 7 mm 정도까지 안정적으로 신호 전송이 가능하였다. 따라서, 패치 코드가 광센서 간 신호 전송을 위한 케이블임을 고려할 때 외부의 환경적 요인에 대해 더 우수한 신호 안정성을 가진 비접촉식 패치 코드가 접촉식 패치 코드에 비해 현장 적용성이 더 뛰어남을 확인하였다.
Recently, fiber optic sensors, which have many advantages are being applied in various fields by replacing conventional electric sensors. To transmit the light signals between an interrogator and a sensor head, optical components such as an optical adaptor and optical jumper cords are generally used...
Recently, fiber optic sensors, which have many advantages are being applied in various fields by replacing conventional electric sensors. To transmit the light signals between an interrogator and a sensor head, optical components such as an optical adaptor and optical jumper cords are generally used. When signals are transmitted using an adaptor, the end surface of each jumper cord is faced together. If alien substances exist on the core surface of an optical fiber, those can cause light transmission loss and signal disappearance. For this reason, non-contact fiber jumper cords are developed to overcome the problems that require continual attention. The light transmission performance of non-contact fiber jumper cords are also evaluated. From the test results, conventional fiber jumper cords are unable to transmit the signals over 2 mm cavity between the ends of both cords. Otherwise, non-contact fiber jumper cords can transmit the signals with stability up to the cavity of 7 mm though they have more transmission loss than the conventional ones. Consequently, non-contact fiber jumper cords that have better signal stability than conventional ones in environments are highly recommended in field applications, especially if they play a role as a cable for signal transmission between fiber optic sensors.
Recently, fiber optic sensors, which have many advantages are being applied in various fields by replacing conventional electric sensors. To transmit the light signals between an interrogator and a sensor head, optical components such as an optical adaptor and optical jumper cords are generally used. When signals are transmitted using an adaptor, the end surface of each jumper cord is faced together. If alien substances exist on the core surface of an optical fiber, those can cause light transmission loss and signal disappearance. For this reason, non-contact fiber jumper cords are developed to overcome the problems that require continual attention. The light transmission performance of non-contact fiber jumper cords are also evaluated. From the test results, conventional fiber jumper cords are unable to transmit the signals over 2 mm cavity between the ends of both cords. Otherwise, non-contact fiber jumper cords can transmit the signals with stability up to the cavity of 7 mm though they have more transmission loss than the conventional ones. Consequently, non-contact fiber jumper cords that have better signal stability than conventional ones in environments are highly recommended in field applications, especially if they play a role as a cable for signal transmission between fiber optic sensors.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 기존의 접촉식 패치 코드가 갖는 필연적 한계인 단면 깨짐 문제 등을 근원적으로 해결할 수 있는 대안으로 비접촉식(non-contact) 광섬유 패치 코드를 개발하였으며 그 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 비접촉식 광섬유 패치 코드를 개발하였으며, 개발된 패치 코드에 대한 광 전송 성능 평가를 실시하였다. 시험 결과, 기존의 접촉식 패치 코드에 비해 초기 광 손실은 상대적으로 크지만, 간극이 증가하더라도 약 7 mm 정도까지는 안정적으로 신호 전송이 가능하였다.
제안 방법
본 연구에서 개발한 비접촉식 광섬유 패치 코드의 광 전송 성능을 알아보기 위해 Fig. 7(a), (b)과 같이 두 가닥의 패치 코드를 어댑터를 이용해 연결한 후 입력광(83437A, Agilent Co.)과 출력광의 차이를 광 스펙트럼 분석기(MS9710C, Anritsu Co.)를 이용해 비교하는 방법으로 실험을 진행하였다. Fig, 7에서와 같이 입력광은 광대역 광원에서 CWDM (coarse wavelength division multiplexing)을 이용하여 광섬유 케이블 내에서 흡수율이 낮아 손실이 적은 중심파장 1550nm(1540~1560nm) 주파수 영역의 광을 분할하여 사용하였다.
)를 이용해 비교하는 방법으로 실험을 진행하였다. Fig, 7에서와 같이 입력광은 광대역 광원에서 CWDM (coarse wavelength division multiplexing)을 이용하여 광섬유 케이블 내에서 흡수율이 낮아 손실이 적은 중심파장 1550nm(1540~1560nm) 주파수 영역의 광을 분할하여 사용하였다. 또한, 기존 접촉식 패치 코드와의 전송 성능 비교를 위해 같은 방법으로 기존 접촉식 패치 코드도 실험을 진행하였다.
Fig, 7에서와 같이 입력광은 광대역 광원에서 CWDM (coarse wavelength division multiplexing)을 이용하여 광섬유 케이블 내에서 흡수율이 낮아 손실이 적은 중심파장 1550nm(1540~1560nm) 주파수 영역의 광을 분할하여 사용하였다. 또한, 기존 접촉식 패치 코드와의 전송 성능 비교를 위해 같은 방법으로 기존 접촉식 패치 코드도 실험을 진행하였다.
비접촉식 광섬유 패치 코드의 광 전송 성능 평가를 위해 성능 비교를 위한 기준이 될 기존의 접촉식 패치 코드에 대한 성능 평가 시험을 수행하였다. 시험은 광원의 주파수에 따른 영향을 함께 고려하기 위하여 시험에 사용된 광원이 갖는 20 nm(1540~1560 nm)의 주파수 폭을 3등분(1545 nm, 1550 nm, 1555 nm) 하여 각 주파수에서의 광 전송 성능을 측정하여 평균화하였다.
비접촉식 광섬유 패치 코드의 광 전송 성능 평가를 위해 성능 비교를 위한 기준이 될 기존의 접촉식 패치 코드에 대한 성능 평가 시험을 수행하였다. 시험은 광원의 주파수에 따른 영향을 함께 고려하기 위하여 시험에 사용된 광원이 갖는 20 nm(1540~1560 nm)의 주파수 폭을 3등분(1545 nm, 1550 nm, 1555 nm) 하여 각 주파수에서의 광 전송 성능을 측정하여 평균화하였다. 시험 결과, Fig.
한편, 각 패치 코드의 광 전송 성능 평가는 어댑터 내부의 광 도파로에서 양 패치 코드간의 간극(d)을 변화시켜가며 전송되는 광량의 정량적인 변화를 관찰하는 방법을 통해 각 패치 코드의 광 전송 성능을 평가하였다.
성능/효과
입력광의 주파수 영역에 따른 광 강도 손실에 대한 표준편차는 Table 1과 같이 주파수 변화가 손실률에 미치는 영향은 거의 없음을 확인하였다. 따라서, 기존 접촉식 패치코드의 경우 접촉부 사이의 간극에 지배적적으로 영향을 받으므로 이물질이나 코어부 정렬과 같은 문제에 대해 광 전송성능이 민감하게 반응할 수밖에 없음을 확인하였다.
또한, 최대 10 mm 정도까지는 신호 측정이 가능할 것으로 판단되며, 이는 기존의 접촉식 패치 코드의 2 mm 수준임을 감안할 때 매우 우수함을 알 수 있다. 따라서, 패치 코드가 광센서 간 신호 전송을 위한 케이블임을 고려할 때 외부의 환경적 요인에 대해 더 우수한 신호 안정성을 가진 비접촉식 패치 코드가 접촉식 패치 코드에 비해 현장 적용성이 더 뛰어남을 확인하였다.
시험 결과, 기존의 접촉식 패치 코드에 비해 초기 광 손실은 상대적으로 크지만, 간극이 증가하더라도 약 7 mm 정도까지는 안정적으로 신호 전송이 가능하였다. 또한, 최대 10 mm 정도까지는 신호 측정이 가능할 것으로 판단되며, 이는 기존의 접촉식 패치 코드의 2 mm 수준임을 감안할 때 매우 우수함을 알 수 있다. 따라서, 패치 코드가 광센서 간 신호 전송을 위한 케이블임을 고려할 때 외부의 환경적 요인에 대해 더 우수한 신호 안정성을 가진 비접촉식 패치 코드가 접촉식 패치 코드에 비해 현장 적용성이 더 뛰어남을 확인하였다.
9%가 손실되었다. 본 연구에서 개발된 비접촉식 패치 코드의 한계 간극은 실험 셋업의 제한으로 확인하지 못하였으나 추세적으로 판단할 때 대략 11~12 mm 정도로 추측된다. 또한, Table 1과 마찬가지로 비접촉식 광섬유 패치 코드에 대해서도 주파수 변화에 따른 손실률 영향을 확인한 결과 Table 2와 같이 주파수 변화가 손실률에 미치는 영향은 거의 없음을 확인하였다.
따라서, 이물질이나 코어부 정렬과 같은 문제에 상대적으로 더 안정적인 광 전송이 가능하다. 뿐만 아니라, 간극을 0~7 mm까지 증가시키더라도 출력광에서 추가적인 감소가 거의 발생하지 않아 다양한 비접촉 환경에서 사용성이 우수함을 확인할 수 있다. 한편, 간극이 더 증가하여 8 mm가 되면 다시 출력광의 추가적인 감소가 발생해 입력광의 약 57.
시험은 광원의 주파수에 따른 영향을 함께 고려하기 위하여 시험에 사용된 광원이 갖는 20 nm(1540~1560 nm)의 주파수 폭을 3등분(1545 nm, 1550 nm, 1555 nm) 하여 각 주파수에서의 광 전송 성능을 측정하여 평균화하였다. 시험 결과, Fig. 8과 같이 기존의 접촉식 패치 코드의 경우 간극이 없는 경우, 즉 원래의 사용 환경인 완전 접촉되어 연결되면 입력광에 비해 출력 광이 약 2.9%의 손실로 광이 전송되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 인위적으로 간격을 증가시키자 1 mm 간격에서는 약 10%로 손실이 증가하지만 광이 전송되었으나, 간격이 2 mm가 될 경우 출력광이 입력광의 0.
본 연구에서는 비접촉식 광섬유 패치 코드를 개발하였으며, 개발된 패치 코드에 대한 광 전송 성능 평가를 실시하였다. 시험 결과, 기존의 접촉식 패치 코드에 비해 초기 광 손실은 상대적으로 크지만, 간극이 증가하더라도 약 7 mm 정도까지는 안정적으로 신호 전송이 가능하였다. 또한, 최대 10 mm 정도까지는 신호 측정이 가능할 것으로 판단되며, 이는 기존의 접촉식 패치 코드의 2 mm 수준임을 감안할 때 매우 우수함을 알 수 있다.
또한, Table 1과 마찬가지로 비접촉식 광섬유 패치 코드에 대해서도 주파수 변화에 따른 손실률 영향을 확인한 결과 Table 2와 같이 주파수 변화가 손실률에 미치는 영향은 거의 없음을 확인하였다. 이를 통해, 기존의 접촉식 패치코드에 비해 초기 손실률은 상대적으로 크지만 긴 간극에 대해서도 신호 전송이 가능해 광 센서에 적용되는 케이블의 측면에서 볼 때, 각종 외부의 환경적 요인에 대한 신호 안정성 부분에서의 케이블 내구성은 오히려 우수할 것으로 판단된다.
뿐만 아니라, 간극을 0~7 mm까지 증가시키더라도 출력광에서 추가적인 감소가 거의 발생하지 않아 다양한 비접촉 환경에서 사용성이 우수함을 확인할 수 있다. 한편, 간극이 더 증가하여 8 mm가 되면 다시 출력광의 추가적인 감소가 발생해 입력광의 약 57.2%가 감소하였고, 간극이 9 mm일 때는 다소 크게 감소하여 입력광의 약 87.9%가 손실되었다. 본 연구에서 개발된 비접촉식 패치 코드의 한계 간극은 실험 셋업의 제한으로 확인하지 못하였으나 추세적으로 판단할 때 대략 11~12 mm 정도로 추측된다.
후속연구
본 연구 결과는 광케이블 적용이 확대되고 있는 철도분야를 비롯한 여러 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광섬유 센서의 센싱 신호 전달을 위해 빛을 매개로 하면 어떤 장점이 있는가?
이를 통해 다양한 형태의 광섬유 센서(fiber optic sensor)가 개발[6,7]되었으며 최근 기존 전기식 센서를 대체하여 그 적용 영역을 빠르게 넓혀가고 있다. 광섬유 센서는 센싱을 위한 신호의 전달 시 빛을 매개로 하므로 원거리 전송이 가능하고, 외부 환경에 의한 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI)에 대해 독립적이며, 실리카(SiO2) 계열의 재질로 구성되어 부식(corrosion)으로부터 자유롭다. 또한, 수백 마이크로미터(㎛) 정도의 크기로 구조물에 삽입(embedding)이 용이해 항공우주분야에서 주로 사용되는 복합재료(composites)와 함께 동체 거동을 모니터링 하는 용도[8] 등으로 많이 사용되고 있으며, 기타 다양한 분야에서 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM)을 비롯하여 비파괴검사기술 개발을 위한 연구가 진행되고 있다[9-13].
광케이블 및 광 어댑터와 같은 광소자들의 연결선 역할을 하는 것을 뭐라고 명칭하는가?
또한, 수백 마이크로미터(㎛) 정도의 크기로 구조물에 삽입(embedding)이 용이해 항공우주분야에서 주로 사용되는 복합재료(composites)와 함께 동체 거동을 모니터링 하는 용도[8] 등으로 많이 사용되고 있으며, 기타 다양한 분야에서 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM)을 비롯하여 비파괴검사기술 개발을 위한 연구가 진행되고 있다[9-13]. 이렇듯 다양한 분야에 적용성을 넓혀 가고 있는 광섬유 센서는 센서와 계측기(interrogator) 사이의 신호 전달을 위해 필연적으로 광케이블(optical cable) 및 광 어댑터(optical adaptor)와 같은 광소자(optical component)를 사용하게 되며 이 때 사용되는 연결선을 광 점퍼 코드(fiber jumper cord), 일명 패치 코드(patch cord)라고 부른다. 패치 코드는 접속부 커넥터의 형태에 따라 SC, LC, FC, MU 등 다양한 종류가 있으며 광섬유 센서 분야에서는 주로 FC 방식이 사용되고 있다.
광 어댑터의 사용을 일반적으로 수개 이내로 하는 이유는?
하지만, 일반적으로 패치 코드 사이의 접속을 위해서는 Fig. 1에서와 같이 단부 사이의 물리적 접촉에 의해 필연적으로 약 5% 내외의 접속 손실이 발생하게 된다. 따라서, 패치 코드 사이의 접속 시 사용되는 광 어댑터의 사용은 통상 수개 이내로 하는 것이 일반적이며 더 많은 수의 연결이 필요할 경우 광섬유를 전기아크로 녹여 접속하는 융착(splicing) 접속법을 많이 사용한다.
참고문헌 (13)
W. A. Gambling, H. Matsumura, C. M. Ragdale and R. A. Sammut, "Measurement of radiation loss in curved single-mode fibres," Microwaves, Optics and Acoustics, IEE Journal, Vol. 2, No. 4, pp. 134-140 (1978)
W. A. Gambling and H. Matsumura, "Propagation characteristics of curved optical fibers," IEICE Transactions (1976-1990), Vol. 61, No. 3, pp. 196-201 (1978)
J. C. Baggett, T. M. Monro, K. Furusawa, V. Finazzi and D. J. Richardson, "Understanding bending losses in holey optical fibers," Optics Communications, Vol. 227, No. 4, pp. 317-335 (2003)
K. H. Lee, B. J. Ahn and D. H. Kim. "Fiber optic displacement sensor system for structural health monitoring," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 31, No. 4, pp. 374-381 (2011)
H. Y. Kim and D. H. Kim, "Sensor system for multi-point monitoring using bending loss of single mode optical fiber," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 35, No. 1, pp. 39-45 (2015)
J. H. Lee, D. H. Kim and I. K. Park, "Application of a fiber Fabry-Perot interferometer sensor for receiving SH-EMAT signals," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 34, No. 2, pp. 165-170 (2014)
H. Y. Kim, J. H. Lee and D. H. Kim, "Muscular condition monitoring system using fiber Bragg grating sensors," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 34, No. 5, pp. 362-368 (2014)
J. B. Ihn and F. K. Chang, "Pitch-catch active sensing methods in structural health monitoring for aircraft structures," Structural Health Monitoring, Vol. 7, No. 1, pp. 5-19 (2008)
Y. J. Rao, D. J. Webb, D. A. Jackson, L. Zhang and I. Bennion, "In-fiber Bragg-grating temperature sensor system for medical applications," Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 5, pp. 779-785 (1997)
D. H. Kang, C. U. Kim and C. G. Kim, "The embedment of fiber Bragg grating sensors into filament wound pressure tanks considering multiplexing," NDT&E International, Vol. 39, pp. 109-116 (2006)
A. Grillet, D. Kinet, J. Witt, M. Schukar, K. Krebber, F. Pirotte and A. Depre, "Optical fiber sensors embedded into medical textiles for healthcare monitoring," IEEE Sensors Journal, Vol. 8, No. 7, pp. 1215-1222 (2008)
D. Kang, D. H. Kim and S. Jang, "Design and development of structural health monitoring system for smart railroad-gauge-facility using FBG sensors," Experimental Techniques, Vol. 38, No. 5, pp. 39-47 (2014)
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.