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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 Sensors 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.6, 2016년, pp.443 - 450  

권일범 (한국표준과 학연구원 안전측정센터) ,  변종현 (파이버프로 기술연구소) ,  전민용 (충남대학교 물리학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (18)

  1. I.-B. Kwon, "Structural health monitoring using fiber optic sensors," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 25, No. 5, pp. 400-404 (2005) 

  2. G. J. Lee, S. G. Choi and D. H. Noh, "The study on the fiber optic sensor for the distributed temperature measurement," Proceedings of the 12th KACC, pp. 1746-1749 (1997) 

  3. P. C. Wait, K. De Souza and T. P. Newson "A theoretical comparison of spontaneous Raman and Brillouin based fiber optic distributed temperature sensors", Optical Communications, Vol. 144, pp. 17-23 (1997) 

  4. P. R. Stoddart, P. J. Cadusch, J. B. Pearce, D. Vakovic, C. R. Nagarajah and D. J. Booth "Fiber optic distributed temperature sensor with an integrated background correction function," Measurement Science and Technology, Vol. 16, pp. 1299-1304 (2005) 

  5. G.-J. Kim, I.-B. Kwon, D.-J. Yoon, D. Hwang and Y. Chung, "Reflection signal analysis for time division multiplexing of fiber optic FBG sensors," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 30, No. 1, pp. 6-12 (2010) 

  6. A. Kimura, E. Takada, K. Fujita, M. Nakazawa, H. Takahashi and S. Ichige, "Application of a Raman distributed temperature sensor to the experimental fast reactor JOYO with correction techniques," Measurement Science and Technology, Vol. 12, pp. 966-973 (2001) 

  7. G. Yilmaz and S. E. Karlik "A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables," Sensors and Actuators A, Vol. 125, pp. 148-155 (2006) 

  8. K. Suh and C. Lee, "Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor," Optics Letters, Vol. 33, pp. 1845-1847 (2008). 

  9. J. H. Lee and D. H. Kim, "Cure Monitoring of Epoxy Resin by Using Fiber Bragg Grating Sensor," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 36, No. 3, pp. 211-216 (2016) 

  10. H. Y. Kim, D. Kang and D. H. Kim, "Reliability Evaluation of Fiber Optic Sensors Exposed to Cyclic Thermal Load," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 36, No. 3, pp. 225-230 (2016) 

  11. F. Zaidi and T. Nannipieri, M. A. Soto, A. Signorini, G. Bolognini and F. Di Pasquale, "Integrated hybrid Raman/fiber Bragg grating interrogation scheme for distributed temperature and point dynamic strain measurements," Applied Optics, Vol. 51, Issue 30, pp. 7268-7275 (2012) 

  12. D. Hwang, D.-J. Yoon, I.-B. Kwon, D.-C. Seo and Y. Chung, "Novel autocorrection method in a fiber-optic distributed-temperature sensor using reflected anti-Stokes Raman scattering," Optics Express, Vol. 18, pp. 9747-9754 (2010) 

  13. J. M. Lopez-Higuera, "Handbook of Optical Fibre Sensing Technology," Wiley, New York, (2002) 

  14. J. P. Dakin, D. J. Pratt, G. W. Bibby and J. N. Ross, "Distributed optical fibre Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector," Electronic Letters, Vol. 21, No. 13, pp. 569-570 (1985) 

  15. Derek A. Long, "The Raman Effect : A Unified Treatment of the Theory of Raman Scattering by Molecules," (2002) 

  16. J-K. Min, "A Study on the Distributed Optical-Fiber Temperature Sensor using Raman Scattering", Chonbuk National University Electrical Engineering (1995) 

  17. K-J. Lee, S-G. Choi, D-H. Noh, "The Study on the Fiber Optic Sensor for the Distributed Temperature Measurement", KACC 12, 1746-1749 (1997) 

  18. J-K. Min, S-G. Choi, D-H. Noh, "A Study on the Distributed Temperature Sensor System using Scattering Light in Optical fiber", journal of chonbuk national university, Vol. 41, 75-80 (1996) 

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