[논문]이중 FBG 광섬유센서를 이용한 구조물 가속도 및 기울기 측정 장치에 관한 연구

이금석; 안수홍; 손수덕; 이승재

doi:10.9712/kass.2016.16.1.085

이중 FBG 광섬유센서를 이용한 구조물 가속도 및 기울기 측정 장치에 관한 연구
A Study on the Accelerometer for the Acceleration and Inclination Estimation of Structures using Double-FBG Optical Sensors 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.16 no.1, 2016년, pp.85 - 94

이금석 ((주)에프비지코리아) , 안수홍 ((주)아크로비젼) , 손수덕 (한국기술교육대학교 건축공학부) , 이승재 (한국기술교육대학교 건축공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an acceleration sensor that has optical fibers to measure the inclination and acceleration of a structure through contradictory changes in two-component FBG sensors was examined. The proposed method was to ensure precise measurement through the unification of the deformation rate sensor and the angular displacement sensor. A high sensitivity three-axis accelerometer was designed and prepared using this method. To verify the accuracy of the accelerometer, the change in wavelength according to temperature and tension was tested. Then, the change in wavelength of the prepared accelerometer according to the sensor angle, and that of the sensor according to the change in ambient temperature were measured. According to the test results on the FBG-based vibration sensor that was developed using a high-speed vibrator, the range in measurement was 0.7 g or more, wavelength sensitivity, 2150 pm/g or more, and the change in wavelength change, $9.5pm/^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

(2015)은 가속도, 온도 및 수직성을 동시에 측정하는 삼중 FBG 가속도 센서를 연구하였고, 다양한 시도가 이어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 두 개의 FBG에서 측정되는 인장과 압축의 상반된 변화와 각도를 이용한 가속도계에 대해서 연구하여 두 가지 구조물의 파라메타를 동시에 측정할 수 있도록 개발하였다. 제안된 원리는 정확한 계측의 목적과 더불어 변형율 센서와 각도변위 센서의 단일화를 가능하게 하는 장점이 있다.
본 논문은 두 개의 FBG 센서를 이용하여 구조물의 기울기와 가속도를 동시에 계측할 수 있는 광섬유 가속도 센서에 대해서 연구하였다. 상반된 두 센서의 장력을 이용하여 구조물의 기울기와 가속도를 계측하는 원리를 제안하였고, 고해상도의 FBG 기반가속도 센서 프로토 타입을 설계하였다.

제안 방법

개발된 광섬유 가속도 센서의 광섬유 격자 특성을 측정하고 신뢰성을 검토하기 위하여 고속 진동 시험을 실시하였다. 사용되는 진동실험 장치의 사양은 [Table 4] 및 [Fig.
광섬유 가속도 센서가 주변 온도 변화에 영향을 받는지를 확인하기 위하여 영하 20℃에서 영상 80℃까지 온도를 변화시키면서 서로 다른 5개의 광섬유 가속도 센서에서 발생하는 중심파장 변화를 측정하였다. 온도 변화에 따른 광섬유 가속도 센서의 중심파장 변화를 측정한 결과, [Fig.
광섬유 센서의 장력에 의한 변화를 알아보기 위하여 센서의 한쪽 끝에 무게 추를 달아 놓고 무게를 증가시켜 측정된 변화량을 살펴보았으며, 그 결과는[Fig. 5]와 같다.
제안된 원리는 정확한 계측의 목적과 더불어 변형율 센서와 각도변위 센서의 단일화를 가능하게 하는 장점이 있다. 본 논문에서는 이러한 원리를 이용하여 가속도계 프로토타입을 설계하고, 고민감도 가속도계를 제작하였다.
본 논문은 두 개의 FBG 센서를 이용하여 구조물의 기울기와 가속도를 동시에 계측할 수 있는 광섬유 가속도 센서에 대해서 연구하였다. 상반된 두 센서의 장력을 이용하여 구조물의 기울기와 가속도를 계측하는 원리를 제안하였고, 고해상도의 FBG 기반가속도 센서 프로토 타입을 설계하였다. 제안된 원리는 변형율 센서와 각도변위 센서의 단일화가 가능하였고, 민감한 진동에도 계측결과는 만족할 만하였다.

대상 데이터

광섬유 센서의 온도에 의한 영향을 알아보기 위해서 12개의 테스트용 FBG 센서를 제작하였다. 테스트를 위한 온도 챔버에 광섬유 센서 시편 12개를 넣어놓고 –20도에서 +80도까지의 변화를 측정하였으며, 그 결과는 [Fig.
본 연구에서 제안된 원리를 이용하여 [Fig. 9]와 같은 프로토타입의 모델을 제작하였으며, 고민감형 FBG 기반 가속도 센서이다.

성능/효과

상반된 두 센서의 장력을 이용하여 구조물의 기울기와 가속도를 계측하는 원리를 제안하였고, 고해상도의 FBG 기반가속도 센서 프로토 타입을 설계하였다. 제안된 원리는 변형율 센서와 각도변위 센서의 단일화가 가능하였고, 민감한 진동에도 계측결과는 만족할 만하였다. 또한 가속도계측 검증을 위한 진동대 테스트와 온도테스트 결과는 개발된 센서가 측정범위 0.
따라서 본 연구에서는 두 개의 FBG에서 측정되는 인장과 압축의 상반된 변화와 각도를 이용한 가속도계에 대해서 연구하여 두 가지 구조물의 파라메타를 동시에 측정할 수 있도록 개발하였다. 제안된 원리는 정확한 계측의 목적과 더불어 변형율 센서와 각도변위 센서의 단일화를 가능하게 하는 장점이 있다. 본 논문에서는 이러한 원리를 이용하여 가속도계 프로토타입을 설계하고, 고민감도 가속도계를 제작하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유의 장점은?	광섬유는 일반적으로 우수한 민감도와 분해능을 지니면서도 작고 유연하게 센서를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 필요한 곳에 쉽게 삽입할 수 있다. 또한 구조물의 표면에 부착하여 측정함으로 실시간 모니터링에 매우 적합하고 전자기파의 영향을 받지 않는 장점이 있다. 광섬유를 이용한 가속도 센서는 측정되는 방식에 따라서 크게 Light intensity-typed 센서(Lopez et al.
	기존 가속도 센서를 건축, 토목분야에 사용하기 힘든 이유는?	가속도 센서의 개발은 건축·토목분야 외에도 자동차, 기차, 로봇공학 및 공장자동화 등의 분야의 제어를 위해서 필수적인 요소이다. 그러나 교량이나 건물과 같은 대상의 경우 매우 거친 측정환경에서 관찰이 가능하게끔 개발되어야 하며, 이러한 까닭에 전자기 센서의 사용은 노이즈로 인해서 많은 제약을 가지게 되었다. 이러한 단점을 보완하기 위한 광섬유기반의 센서가 많은 연구자들의 관심을 가지게 되었고 다양한 건축분야에 접목되고 있다.
	광섬유를 이용한 가속도 센서는 측정되는 방식에 따라 어떻게 분류되는가?	또한 구조물의 표면에 부착하여 측정함으로 실시간 모니터링에 매우 적합하고 전자기파의 영향을 받지 않는 장점이 있다. 광섬유를 이용한 가속도 센서는 측정되는 방식에 따라서 크게 Light intensity-typed 센서(Lopez et al., 1997), Interferometer-typed 센서 및 Fiber Bragg Grating(FBG) 센서(Berkoff and Kersey, 1996; Mita, 2000)로 분류된다(Lee et al.,2008).

참고문헌 (27)

Lopez-Higuera, J.M., Morante, M.A. and Cobo, A., "Simple Low-Frequency Optical Fiber Accelerometer with Large Rotating Machine Monitoring Applications," Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 7, pp. 1120-1130, 1997

상세보기
Berkoff, T.A. and Kersey, A.D., "Experimental Demonstration of a Fiber Bragg Grating Accelerometer," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No. 12, pp. 1677-1679, 1996

상세보기
Mita, A., "Fiber Bragg Grating-Based Acceleration Sensors for Civil and Building Structures," International Workshop on Present and Future in Health Monitoring; Bauhous-Univ. Weinar, Germany, pp. 1-7, 2000
Lee, Y., Jo, J., Kwan, I., Seo, D. and Lee, N., "Acceleration Sensor Using Optical Fibers and Film Gratings," Journal of Optical Society of Korea, Vol. 19, No. 3, pp. 175-181, 2008
Lee, K., "Fiber-Optic Accelerometer by Mach-Zehnder Interferometer," Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 17, No. 10, pp. 1092-1099, 1992
Park, H., Choi, J. and Kim, Y., "Development of Fiber Optic Acclerometer for Third-Party Damage Detection," Journal of Korean Society of Mechanical Engineering, Vol. 25, No. 10, pp.1551-1558, 2001
Wu, B., Chen, C., Ding, G., Zhang, D. and Cui, Y., "Hybrid-integrated Michelson fiber optic accelerometer," Optical Engineering, Vol. 43, No. 2, pp. 313-318, 2004

상세보기
Li, H.N., Li, D.S. and Song, G.B., "Recent applications of fiber optic sensors to health monitoring in civil engineering," Engineering Structures, Vol. 26, pp.1647-1657, 2004

상세보기
Baldwin, C., Niemczuk, J., Kiddy, J. and Salter, T., "Review of Fiber Optic Accelerometers," IMAC XXIII Conference & Exposition on Structural Dynamics, 2005
Majumder, M., Gangopadhyay, T.K. and Chakraborty, A.K., "Fiber bragg gratings in structural health monitoring - Present status and applications," Sensors and Actuators A: Physical, pp.150-164, 2004
Lee, S.J., Lee, G.S., Shon, S.D. and Moon, D.J., "FBG Strain Sensors for Creak Measurement Due to Hydration Heat in Massive Concrete," Advanced Materials Research, vol. 689, pp. 329-332, 2013

상세보기
Choi, S.W., Park, K.H., Kim, Y.S. and Park, H.S., "A Numerical Study on the Strain Based Monitoring Method for Lateral Structural Response of Buildings using FBG Sensors," Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol. 26, No. 4, pp.263-269, 2013

원문보기 상세보기
Oh, B.K., Lee, J.H., Choi, S.W., Park, H.S. and Kim, Y.S., "An Estimation Method of Strain Distribution for Safety Monitoring of Multi-span Steel Beam Using FBG Sensor," Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 18, No. 1, pp.138-149, 2014
Chan, T.H.T., Yu, L., Tam, H.Y., Ni, Y.Q., Lin, S.Y., Chung, W.H. and Cheng, L.K., "Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation," Engineering Structures, Vol. 33, pp.648-659, 2006
Torres, B., Paya-Zaforteza, I., Calderon, P.A. and Adam, J.M., "Analysis of the strain transfer in a new FBG sensor for Structural Health Monitoring," Engineering Structures, Vol. 33, pp.539-548, 2011

상세보기
Kang, H., Bang, H., Hong, C. and Kim, C., "Simultaneous measurement of strain, temperature and vibration frequency using a fibre optic sensor," Measurement Science and Technology, Vol. 13, No. 8, pp.1191-1196, 2002

상세보기
Somatomo, H., Tanaka, S. and Takahashi, N., "Vibration sensing of solid using long-period fiber grating," in 19th International Conference on Optical Fibre Sensors, vol. 7004 of Proceedings of SPIE, April 2008.
Zhou, W., Dong, X., Ni, K., Chan, C.C. and Shum, P., "Temperature-insensitive accelerometer based on a strain-chirped FBG,"Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 157, No. 1, pp. 15-18, 2010

상세보기
Song, G.D., Wang, J.Y., Liu, T.Y., Wang, C. and Lu, L. "Optical fiber grating strain acceleration sensors ground vibration experimental research," Procedia Engineering, Vol. 26, pp. 784-793, 2011

상세보기
Antunes, P., Lima, H., Varum, H. and Andre, P., "Optical fiber sensors for static and dynamic health monitoring of civil engineering infrastructures: Abode wall case study," Measurement, Vol. 45, No. 7, pp. 1695-1705, 2012

상세보기
Khan, M.M., Panwar, N. and Dhawan, R., "Modified cantilever beam shaped FBG based accelerometer with self temperature compensation," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 205, pp. 79-85, 2014

상세보기
Zhang, X., Rong, Q., Sun, H. Yang, S., Yuan L. and Hu, M, "Low-frequency fiber bragg grating accelerometer based on a double-semicircle cantilever," Optical Fiber Technology, Vol. 20, pp. 190-193, 2014

상세보기
Wang, J., Yu, Y., Chen, Y., Luo, H. and Meng, Z., "Research of a double fiber Bragg gratings vibration sensor with temperature and cross axis insensitive,", Optik-International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 126, No. 7, pp. 749-753, 2015

상세보기
Zhang, Y., Qiao, X., Liu, D., Gao, H., Shao, M. and Wang, X., "Study on a fiber Bragg grating accelerometer based on compliant cylinder," Optical Fiber Technology, Vol. 26, pp. 229-233, 2015

상세보기
Rao, Y.J., Henderson, P.J., Jackson, D.A., Zhang, L. and Bennion, I., "Simultaneous strain, temperature and vibration measurement using a multiplexed in-fibre- Bragg-grating/fibre-Fabry-Perot sensor system," Electronics Letters, Vol. 33, No. 24, pp.2063-2064, 1997

상세보기
Zhang, Q., Zhu, T., Zhang, J.D. and Chiang, K.S., "Micro-fiber-based FBG sensor for simultaneous measurement of vibration and temperature," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 25, No. 18, pp.1751-1753, 2013

상세보기
Jiang, S., Wang, J., Sui, Q., Ye, Q. and Wang, L., "Study of Three-Component FBG Vibration Sensor for Simultaneous Measurement of Vibration, Temperature and Verticality," Journal of Sensors 2015, Article ID 382865, 2015

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증