광섬유 브래그 격자 센서가 있는 광섬유 라인에 라만 OTDR을 이용한 분포 온도 및 변형률 측정 가능성에 대한 연구 Measurement of Distributed Temperature and Strain Using Raman OTDR with a Fiber Line Including Fiber Bragg Grating Sensors원문보기
한 개의 감지 광섬유 라인으로 분포 온도와 몇 개의 변형률을 측정할 수 있는 새로운 광섬유 센서 연구를 수행하였다. 분포 온도는 감지 광섬유의 라만 안티-스토크스 산란광을 시간영역 반사계(OTDR: optical time domain reflectometry)로 측정하고, 변형률은 광섬유 브래그 격자(FBG: fiber Bragg grating)를 사용하여 측정하였다. 분포 온도는 4 km의 단일 모드 광섬유의 감지 광섬유로부터 안티-스토크스 후방 산란광을 양방향에서 취득하고 새로이 고안된 수식으로 온도를 계산하였다. 온도 실험은 감지 광섬유의 중간쯤에서 약 50 m의 광섬유 부분의 온도를 $30^{\circ}C$부터 $70^{\circ}C$까지 $10^{\circ}C$ 간격으로 변화시키면서 실험한 결과 온도 측정 오차 범위는 $0.50^{\circ}C$이하로 확인되었다. 또한 감지 광섬유에 설치된 FBG는 변위 스테이지로 변형시키고 파장 변화를 광학 스펙트럼 분석기로 측정한 결과 각각 0.10 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm를 얻었다. 이러한 파장 이동은 각각 $85.76{\mu}{\epsilon}$, $145.55{\mu}{\epsilon}$, $247.86{\mu}{\epsilon}$, $0.00{\mu}{\epsilon}$에 해당되었다.
한 개의 감지 광섬유 라인으로 분포 온도와 몇 개의 변형률을 측정할 수 있는 새로운 광섬유 센서 연구를 수행하였다. 분포 온도는 감지 광섬유의 라만 안티-스토크스 산란광을 시간영역 반사계(OTDR: optical time domain reflectometry)로 측정하고, 변형률은 광섬유 브래그 격자(FBG: fiber Bragg grating)를 사용하여 측정하였다. 분포 온도는 4 km의 단일 모드 광섬유의 감지 광섬유로부터 안티-스토크스 후방 산란광을 양방향에서 취득하고 새로이 고안된 수식으로 온도를 계산하였다. 온도 실험은 감지 광섬유의 중간쯤에서 약 50 m의 광섬유 부분의 온도를 $30^{\circ}C$부터 $70^{\circ}C$까지 $10^{\circ}C$ 간격으로 변화시키면서 실험한 결과 온도 측정 오차 범위는 $0.50^{\circ}C$이하로 확인되었다. 또한 감지 광섬유에 설치된 FBG는 변위 스테이지로 변형시키고 파장 변화를 광학 스펙트럼 분석기로 측정한 결과 각각 0.10 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm를 얻었다. 이러한 파장 이동은 각각 $85.76{\mu}{\epsilon}$, $145.55{\mu}{\epsilon}$, $247.86{\mu}{\epsilon}$, $0.00{\mu}{\epsilon}$에 해당되었다.
In this study, we propose a novel fiber optic sensor to show the measurement feasibility of distributed temperature and strains in a single sensing fiber line. Distributed temperature can be measured using optical time domain reflectometry (OTDR) with a Raman anti-Stokes light in the sensing fiber l...
In this study, we propose a novel fiber optic sensor to show the measurement feasibility of distributed temperature and strains in a single sensing fiber line. Distributed temperature can be measured using optical time domain reflectometry (OTDR) with a Raman anti-Stokes light in the sensing fiber line. Moreover, the strain can be measured by fiber Bragg gratings (FBGs) in the same sensing fiber line. The anti-Stokes Raman back-scattering lights from both ends of the sensing fiber, which consists of a 4 km single mode optical fiber, are acquired and inserted into a newly formulated equation to calculate the temperature. Furthermore, the center wavelengths from the FBGs in the sensing fiber are detected by an optical spectrum analyzer; these are converted to strain values. The initial wavelengths of the FBGs are selected to avoid a cross-talk with the wavelength of the Raman pulsed pump light. Wavelength shifts from a tension test were found to be 0.1 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm, with corresponding strain values of $85.76{\mu}{\epsilon}$, $145.55{\mu}{\epsilon}$, $247.86{\mu}{\epsilon}$, and $0.00{\mu}{\epsilon}$, respectively. In addition, a 50 m portion of the sensing fiber from $30^{\circ}C$ to $70^{\circ}C$ at $10^{\circ}C$ intervals was used to measure the distributed temperature. In all tests, the temperature measurement accuracy of the proposed sensor was less than $0.50^{\circ}C$.
In this study, we propose a novel fiber optic sensor to show the measurement feasibility of distributed temperature and strains in a single sensing fiber line. Distributed temperature can be measured using optical time domain reflectometry (OTDR) with a Raman anti-Stokes light in the sensing fiber line. Moreover, the strain can be measured by fiber Bragg gratings (FBGs) in the same sensing fiber line. The anti-Stokes Raman back-scattering lights from both ends of the sensing fiber, which consists of a 4 km single mode optical fiber, are acquired and inserted into a newly formulated equation to calculate the temperature. Furthermore, the center wavelengths from the FBGs in the sensing fiber are detected by an optical spectrum analyzer; these are converted to strain values. The initial wavelengths of the FBGs are selected to avoid a cross-talk with the wavelength of the Raman pulsed pump light. Wavelength shifts from a tension test were found to be 0.1 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm, with corresponding strain values of $85.76{\mu}{\epsilon}$, $145.55{\mu}{\epsilon}$, $247.86{\mu}{\epsilon}$, and $0.00{\mu}{\epsilon}$, respectively. In addition, a 50 m portion of the sensing fiber from $30^{\circ}C$ to $70^{\circ}C$ at $10^{\circ}C$ intervals was used to measure the distributed temperature. In all tests, the temperature measurement accuracy of the proposed sensor was less than $0.50^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구는 분포 변형률과 온도를 한 개의 감지 광섬유로 동시 측정하기 위한 가능성을 보이는 연구를 수행하였다. 향후 온도 및 변형률 측정을 위한 환경을 구축하여 정밀한 동시 측정 실험 연구가 수행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 분포 온도와 변형률을 한 개의 감지 광섬유 라인으로 측정할 수 있는 한 개의 광원과 광 수신부로 구성된 새로운 광섬유 센서를 고안하였다. 또한 온도가 변화하는 지점을 정확히 찾아내기 위하여 라만 안티-스토크스 후방 산란광을 감지 광섬유의 양방향에서 OTDR 방식으로 취득하여 분포 온도를 측정하였고, 변형률은 동일한 감지 광섬유에 설치된 광섬유 브래그 격자를 이용하여 측정하도록 하였다.
일반적인 라만 OTDR에서 안티 스토크스 산란광과 스토크스 산란광의 온도 오차로 인해 발생하는 오류를 제거하기 위하여 본 연구에서는 온도 측정 방법을 Fig. 1과 같은 새로운 방법을 제안하였다.
제안 방법
8과 같은 이송장치를 이용하여 각각 다른 변형을 주었다. 1개의 광섬유 브래그 격자는 기준점으로 고려하기 위하여 변형을 가하지 않고 실험을 하였다.
4 km 감지 광섬유를 앞서 구성한 라만 OTDR에 연결하였고, 분포 온도 측정을 위해 안티 스토크스 산란광은 광 수신기를 통해 수신하였다. 광섬유 브래그 격자를 이용한 변형률을 측정하기 위해 광 스펙트럼 분석기로 FBG 중심 파장을 구하였다.
펄스 발생기에서 50 ns의 펄스를 발생하면 1540 nm ~ 1560 nm의 파장 대역에서 발진하는 레이저 모듈에서는 동일한 펄스광을 생성하고, 이 빛은 EDFA(erbium-doped fiber amplifier)에서 23 dBm 이상으로 증폭시킨 후 감지 광섬유에서 23 dBm 이상으로 증폭시킨 후 감지 광섬유에 입사된다. 감지 광섬유의 양 끝단에 각각 이 펄스광을 넣어서 2번 측정해 온도를 구하는 방식으로 정확한 분포 온도와 광섬유 브래그 격자를 이용한 변형률을 동시 측정하도록 하였다. 입사 펄스광이 감지 광섬유를 지나면서 발생하는 후방 산란된 안티 스토크스 라만 산란광과 광섬유 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 파장 필터를 이용해 안티 스토크스 라만 산란광과 반사광으로 나누어 수신하였다.
산란광은 광 수신기를 통해 수신하였다. 광섬유 브래그 격자를 이용한 변형률을 측정하기 위해 광 스펙트럼 분석기로 FBG 중심 파장을 구하였다. 실험 광섬유는 온도 실험을 위한 50 m광섬유를 따로 중간에 뽑아서 오븐에 넣었으며 변형률 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 4개를 감지 광섬유 중간에 넣어 변형을 가해 실험했다.
구성된 새로운 광섬유 센서를 고안하였다. 또한 온도가 변화하는 지점을 정확히 찾아내기 위하여 라만 안티-스토크스 후방 산란광을 감지 광섬유의 양방향에서 OTDR 방식으로 취득하여 분포 온도를 측정하였고, 변형률은 동일한 감지 광섬유에 설치된 광섬유 브래그 격자를 이용하여 측정하도록 하였다.
각각의 FBG는 변형률 인가를 위하여 고정단과 이송장치 사이에 고정되었다. 레이저 광을 양 방향으로 넣어 측정해야 하기 때문에 오븐에 넣는 50 m 앞단과 광섬유 브래그 격자의 다음 단에 각각 1.7 km, 20 m의 여유 광섬유를 넣어 실험하였다.
정방향과 역방향의 안티 스토크스 산란광의 신호를 이용해 온도를 구하는 식(13)에 적용할 수 있다. 실제 적용하는 것에 있어서 z0의 온도와 안티 스토크스 라만 산란광의 정보가 필요한데 실제 실험에서는 실험 광섬유가 오븐에 넣은 50 m를 제외하고는 상온에 있었기 때문에 상온 23℃를 적용했으며, z0의 안티 스토크스 라만 산란광의 값은 거리 200 m에서 500 m까지 1 m 단위의 값에서 각각 산란광의 세기를 구해 평균값으로 지정했다.
광섬유 브래그 격자를 이용한 변형률을 측정하기 위해 광 스펙트럼 분석기로 FBG 중심 파장을 구하였다. 실험 광섬유는 온도 실험을 위한 50 m광섬유를 따로 중간에 뽑아서 오븐에 넣었으며 변형률 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 4개를 감지 광섬유 중간에 넣어 변형을 가해 실험했다. 각각의 FBG는 변형률 인가를 위하여 고정단과 이송장치 사이에 고정되었다.
온도 측정과 더불어 변형률 측정을 위한 실험으로 3개의 광섬유 브래그 격자에 Fig. 8과 같은 이송장치를 이용하여 각각 다른 변형을 주었다. 1개의 광섬유 브래그 격자는 기준점으로 고려하기 위하여 변형을 가하지 않고 실험을 하였다.
감지 광섬유의 양 끝단에 각각 이 펄스광을 넣어서 2번 측정해 온도를 구하는 방식으로 정확한 분포 온도와 광섬유 브래그 격자를 이용한 변형률을 동시 측정하도록 하였다. 입사 펄스광이 감지 광섬유를 지나면서 발생하는 후방 산란된 안티 스토크스 라만 산란광과 광섬유 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 파장 필터를 이용해 안티 스토크스 라만 산란광과 반사광으로 나누어 수신하였다. 광섬유 브래그 격자의 반사 파장이 라만 산란광에 영향을 끼치지 않도록 펄스 광원의 중심 파장과 라만 산란광에 해당하는 파장 대역이 아닌 파장을 사용하였으며 각각 1547.
한 개의 감지 광섬유에 광섬유 브래그 격자를 통합한 라만 OTDR을 새로이 고안하고 감지 광섬유의 양단에서 라만 산란광을 취득하여 온도를 계산할 뿐만 아니라 변형률도 측정하는 새로운 방법을 도입한 센서를 구성하였다. 이 센서는 한 개의 광원과 광 수신부를 사용하여 분포 온도와 변형률을 동시에 측정할 수 있는 센서 시스템이다.
성능/효과
입사 펄스광이 감지 광섬유를 지나면서 발생하는 후방 산란된 안티 스토크스 라만 산란광과 광섬유 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 파장 필터를 이용해 안티 스토크스 라만 산란광과 반사광으로 나누어 수신하였다. 광섬유 브래그 격자의 반사 파장이 라만 산란광에 영향을 끼치지 않도록 펄스 광원의 중심 파장과 라만 산란광에 해당하는 파장 대역이 아닌 파장을 사용하였으며 각각 1547.65 nm, 1550.06 nm, 1552.45 nm, 1555.08 nm 를 사용하여 광섬유 브래그 격자에 반사된 파장이 주변 노이즈보다 20 dB 이상 큰 값으로 충분히 구분 가능한 값을 얻었다.
5℃ 이내임을 알 수 있었다. 또한 변형률 측정 실험으로부터 FBG 가용 파장 범위를 약 2 nm정도로 설정하여 라만 OTDR과 함께 작동시킬 수 있음을 확인하는데, 이러한 결과는 변형률 약 1700 마이크론의 범위를 측정할 수 있음을 의미한다.
29 nm의 파장 변화를 나타냈다. 온도 변화를 측정할 광섬유 브래그 격자의 변화량은 1555.08 nm에서 1555.08 nm로 파장의 변화가 없어 온도 변화가 없는 것을 확인하였다. 파장 이동에 따른 변형률의 값은 브래그 파장을 고려한 변형률 상수를 사용하여 식(15)를 이용해서 계산하면 각각 85.
39℃의 오차가 나타났다. 전체적인 평균으로는 0.40℃의 온도 변동폭을 보였고 실제 오븐의 온도 정확도가 0.10℃인 것을 감안할 때 온도 정확도는 0.50℃인 것을 확인하였다.
후속연구
본 연구는 분포 변형률과 온도를 한 개의 감지 광섬유로 동시 측정하기 위한 가능성을 보이는 연구를 수행하였다. 향후 온도 및 변형률 측정을 위한 환경을 구축하여 정밀한 동시 측정 실험 연구가 수행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단일 지점만을 감지하는 센서가 아닌 선형으로 이상현상을 감지하는 시스템이 필요한 이유는 무엇인가?
터널과 교량 등의 대형 구조물은 그 건전성을 감지하기 위해서는 여러 부위에 적용되는 많은 센서를 사용할 필요가 있다. 또한 통과 차량에 의한 진동과 날씨 등의 외부 환경 변화에 따라서 재래식 전기 센서에는 신호 잡음 및 센서 내구성이 문제가 되기도 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 단일 지점만을 감지하는 센서가 아닌 선형으로 이상현상을 감지하는 시스템이 필요하다[1].
분포형 광섬유 센서는 무엇으로 사용되는가?
이러한 문제점을 해결하기 위하여 단일 지점만을 감지하는 센서가 아닌 선형으로 이상현상을 감지하는 시스템이 필요하다[1]. 분포형 광섬유 센서는 주로 광섬유에서 발생하는 산란을 이용하는데 라만 산란(Raman scattering)은 강한 온도 의존성이 있기 때문에 온도 측정용 센서로 사용할 수 있다[2-4]. 분포형 광섬유 센서는 하나의 광섬유를 따라 모든 부분에서 측정이 가능하므로 연속적인 측정량 분포를 얻을 수 있고, 측정영역의 크기 또한 수십 km 정도로 크기 때문에 철도, 도로, 터널, 가스관 등의 대형 구조물의 감시에 사용될 수 있다[5-8].
분포형 광섬유 센서의 장점은 무엇인가?
분포형 광섬유 센서는 주로 광섬유에서 발생하는 산란을 이용하는데 라만 산란(Raman scattering)은 강한 온도 의존성이 있기 때문에 온도 측정용 센서로 사용할 수 있다[2-4]. 분포형 광섬유 센서는 하나의 광섬유를 따라 모든 부분에서 측정이 가능하므로 연속적인 측정량 분포를 얻을 수 있고, 측정영역의 크기 또한 수십 km 정도로 크기 때문에 철도, 도로, 터널, 가스관 등의 대형 구조물의 감시에 사용될 수 있다[5-8]. 한편, 광섬유 브래그 격자는 광섬유 내부에 흐르는 빛의 특정 파장을 반사시키는 특징이 있는데 반사 되는 파장이 광섬유에 적용되는 변형률에 따라 선형으로 변하는 특징이 있어서 변형률을 측정하는 센서로 적합하다[9,10].
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