[논문]무인 항공기를 위한 저가형 FBG 인터로게이터 설계

홍재범; 홍교영

doi:10.12673/jant.2020.24.6.465

초록
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복합 소재는 금속보다 가벼운 특성을 가져 경량화가 필수인 항공 산업에 널리 사용되고 있다. 하지만 복합소재는 생산 공정 중 내부 보이드 형성, 접착제 혼합 불량, 미접착 부분 발생 등 결함 요소가 발생할 수 있고, 저 에너지 충격에 의한 미세균열 및 층간분리가 발생할 위험이 있다. 그러므로 구조물 손상검사가 필수적으로 요구된다. 이에 FBG를 이용한 구조 건전성 모니터링이 주목받고 있다. FBG는 기존의 전기적 센서에 비해 전기적 노이즈 영향을 받지 않고 부식에 강하며 멀티플렉싱이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 FBG를 계측하는 인터로게이터는 대형 구조물 계측을 전제로 만들었기 때문에 가격이 고가이며, 크기가 큰 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 광 스위치와 WDM필터, LTF를 이용해 무인항공기나 소형항공기에 사용할 수 있도록 저가형 인터로게이터를 설계하여, 기존의 고가 인터로게이터와 비교를 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Complex materials are widely used in aviation industries where lightweighting is essential because they have lighter properties than metals. However, composite materials can cause defects such as internal void formation, poor adhesive mixing, and non-adhesive parts during the production process, and...

Complex materials are widely used in aviation industries where lightweighting is essential because they have lighter properties than metals. However, composite materials can cause defects such as internal void formation, poor adhesive mixing, and non-adhesive parts during the production process, and there is a risk of micro-cracking and interlayer separation due to low energy impact. Therefore, a structural damage test is essential. As a result, structural integrity monitoring using FBG is drawing attention. Compared to conventional electrical sensors, FBG has the advantage of being more corrosion-resistant and multiplexed without being affected by electrical noise. However, interloggers measuring FBG are expensive and have a large disadvantage because they are made on the premise of measuring large structures. In this paper, low-cost interloggers were designed for use in unmanned or small aircraft using optical switche, WDM filter, and LTFs, and compared to conventional high-priced interrogator.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 광섬유 구성도 Fig. 1. Fiber optic composition.
그림 그림 2. FBG 센서 Fig. 2. FBG sensor.
그림 그림 3. FBG 파장 변화 Fig. 3. FBG wavelength variation.
그림 그림 4. Fabry-Perot filter를 이용한 복조 Fig. 4. Demodulation with Fabric-Perot filter.
그림 그림 5. 선형 필터를 이용한 복조 Fig. 5. Demodulation with linear filter.
그림 그림 6. 제작 인터로게이터 구성도 Fig. 6. Fabrication interrogator configuration diagram.
그림 그림 7. 실험 구성 Fig. 7. Experimental configuration.
표 표 1. CFRP 물성치 Table 1. CFRP material value.
표 표 2. 상용 인터로게이터 제원 Table 2. Commercial interrogator specification.
그림 그림 8. 상용 인터로게이터와 스트레인 비교 Fig. 8. Comparison of strain with commercial interrogators.
그림 그림 9. 진동 실험 Fig. 9. Vibration experiment.

AI 본문요약
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문제 정의

소형 OSA, Tunable laser의 경우 소자 하나의 가격은 최소 수 천 달러에 형성되어 있어, 인터로게이터의 가격은 고가에 형성 되어 있다. 본 논문에서는 LTF를 설계, 인터로게이터에 사용되는 총 소자의 가격을 수 백달러로 절감하여, 상용 인터로게이터 대비 1/3 이하 수준으로 가격을 절감 하였다[10]. 인터로게이터의 구성은 그림 6과 같이 광대역 신호를 생성하는 BLS와 FBG 센서들과 광 스위치로 구성된 FBG sensor array, CWDM (coarse wavelength division multiplex)필터와 LTF와 PD로 구성된 optical process, ADC (analog-to-digital converter)로 구성된 data process로 구성된다.
본 논문은 고가인 이유로 소형항공기, 무인항공기에 적용하기 한계가 있던 FBG 인터로게이터를 LTF (linear transmittance filter)와 WDM (wavelength division multiplexing) 필터, optical switch를 조합해 소형 항공기 및 무인 항공기에 적용할 수 있도록 저가형 FBG 인터로게이터를 설계하였다.
저렴한 edge 필터를 이용한 FBG 계측이 제안되었으나, edge 필터 같은 수동형 필터의 경우 필터 한 개 당 하나의 FBG만을 계측할 수 밖에 없어, 다점 측정이 어렵다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 광 스위치와 WDM 필터를 사용하여 LTF 필터가 계측할 수 있는 FBG 센서의 개수를 늘려 효율적인 탐지가 가능하게 하였다. 비교 결과 상용 제품과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

CFRP의 물성 표이다. FBG 센서는 융착을 통해 WDM 상태로 CFRP 시편에 평행하게 thermo epoxy를 이용해 제작하였다. 실험은 두 가지로 진행하였는데 첫 번째는 CFRP 한쪽을 고정해 외팔보로 구성하고 50 g ± 3 mg 내외의 오차를 갖는 M1 등급 분동 4개를 이용해 50 g, 100 g, 150 g, 200 g 하중을 반대쪽에 가하였다.
또한, 장거리 전송 시, 적은 손실률을 가지고 하나의 광섬유에 여러 개의 격자를 사용할 수 있어 멀티플렉싱이 가능해 경제적이다 [4]. Hyunseok Kwone 12개의 FBG를 소형항공기 양쪽 날개에 탑재해, 비행 중 받는 하중에 관한 연구를 진행하였고, K. Chandler는 소형 항공기 동체와 날개에 인터로게이터와 FBG를 탑재해 항공기의 온도와 스트레인을 측정하였다. 이와 같이 안전감시가 중요한 항공 분야에서 FBG를 이용한 구조 건전성 모니터링에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행 중이다.
실험은 두 가지로 진행하였는데 첫 번째는 CFRP 한쪽을 고정해 외팔보로 구성하고 50 g ± 3 mg 내외의 오차를 갖는 M1 등급 분동 4개를 이용해 50 g, 100 g, 150 g, 200 g 하중을 반대쪽에 가하였다. 동일하게 상용 인터로게이터에도 같은 실험을 진행해 계측 값을 비교하였다. 두 번째 실험은 1 kHz의 샘플링속도로 50 g의 분동을 떨어뜨려 CFRP가 흔들리는 진동을 측정하였다.
동일하게 상용 인터로게이터에도 같은 실험을 진행해 계측 값을 비교하였다. 두 번째 실험은 1 kHz의 샘플링속도로 50 g의 분동을 떨어뜨려 CFRP가 흔들리는 진동을 측정하였다. 표 2는 상용 인터로게이터의 제원표이다.
FBG 센서는 융착을 통해 WDM 상태로 CFRP 시편에 평행하게 thermo epoxy를 이용해 제작하였다. 실험은 두 가지로 진행하였는데 첫 번째는 CFRP 한쪽을 고정해 외팔보로 구성하고 50 g ± 3 mg 내외의 오차를 갖는 M1 등급 분동 4개를 이용해 50 g, 100 g, 150 g, 200 g 하중을 반대쪽에 가하였다. 동일하게 상용 인터로게이터에도 같은 실험을 진행해 계측 값을 비교하였다.
파장 가변필터에 투과되는 파장과 FBG 반사 파장이 일치할 때, 출력이 최대가 되는 원리를 사용한다. 주기적 램프 파형의 전압을 파장 가변필터에 가해 선형적인 투과 파장을 변화시키고 파장대를 스캔하여 FBG 반사 파장을 찾아낸다. 넓은 파장의 스캐닝이 가능해 다점측정에 유리한 장점이 있지만, Fabry-Perot 파장 가변필터 가격이 고가라는 단점이 있다.

대상 데이터

CFRP(carbon fiber reinforced plastic) 시편을 제작하였고 표 1은 제작된 CFRP의 물성 표이다. FBG 센서는 융착을 통해 WDM 상태로 CFRP 시편에 평행하게 thermo epoxy를 이용해 제작하였다.
본 논문에서는 LTF를 설계, 인터로게이터에 사용되는 총 소자의 가격을 수 백달러로 절감하여, 상용 인터로게이터 대비 1/3 이하 수준으로 가격을 절감 하였다[10]. 인터로게이터의 구성은 그림 6과 같이 광대역 신호를 생성하는 BLS와 FBG 센서들과 광 스위치로 구성된 FBG sensor array, CWDM (coarse wavelength division multiplex)필터와 LTF와 PD로 구성된 optical process, ADC (analog-to-digital converter)로 구성된 data process로 구성된다. SLED (super luminescent diode)에서 생성된 광대역 신호는 circulator를 거쳐 광 스위치를 통해 채널 별로 FBG sensor array에 전달된다.

성능/효과

x축은 샘플 개수를 의미하고 y축은 스트레인을 의미한다. 상용 인터로게이터의 스트레인 값과 제작한 저가형 인터로게이터의 스트레인 값은 유사한 결과를 보이며, 무게가 일정하게 증가함에 따라 인터로게이터에서 계측되는 스트레인 값도 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 그림 9는 한 개의 채널에서 측정된 진동 신호이다.

후속연구

비교 결과 상용 제품과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 고가인 이유로 특수한 분야에서 한정적으로 사용되던 FBG를 좀 더 다양한 분야로 확대할 수 있을 것으로 예상된다. 추 후 인터로게이터 소형화 연구를 진행하여, 항공 분야에서 소형 항공기, 차기 군단급 무인기와 같은 중대형 무인기와 PAV(personal air vehicle)의 구조 건전성 모니터링에 활용될 것으로 기대한다.
이를 통해 고가인 이유로 특수한 분야에서 한정적으로 사용되던 FBG를 좀 더 다양한 분야로 확대할 수 있을 것으로 예상된다. 추 후 인터로게이터 소형화 연구를 진행하여, 항공 분야에서 소형 항공기, 차기 군단급 무인기와 같은 중대형 무인기와 PAV(personal air vehicle)의 구조 건전성 모니터링에 활용될 것으로 기대한다.

참고문헌 (11)

M. R. Ham, H. S. Choi, and W. J. Choi, "The emergence of composite material aircraft and review of technical," Korea Association of Defense Industry Studies, Vol. 16, No. 2, pp. 259-283, Dec. 2009.
S. W. Park, H. J. Yoon, S. O. Park, J. Y. Song, and C. G. Kim, "Design scheme of FBG sensor system for aircraft application," in 2005 Korea Composite Materials Society Fall Conference, Daegu: Korea, pp.215-218, Nov. 2005.
G. H. Lee, A study on structural health monitoring of solar powered aircraft composite wings using fiber bragg grating Sensors, Master's degree, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, 2013.
H. S. Shin, Measurement Accuracy Improvement of FBG Sensor in Composite Wings Using SWT, Master's degree, Hanseo University, Chungcheongnam-do, 2019.
Q. Wu, Y. Semenova, A. Sun, P. Wang, and G. Farrell, "High resolution temperature insensitive interrogation technique for FBG sensors," Optics & Laser Technology, Vol. 42, No. 4, pp. 653-656, June 2010.

상세보기
G. Kouroussis, D. Kinet, E. Mendoza, J. Dupuy, V. Moeyaert, and C. Caucheteur, "Edge filter technique and dominant frequency analysis for high-speed railway monitoring with fiber Bragg gratings," Smart Materials and Structures, Vol. 25, No. 7, July 2016.

상세보기
J. W. Lee, WDM signal processing system using optical fiber sensor, Master's degree, Hoseo university, Chungcheongnam-do, 2002.
J. H. Kim, Temperature sensor system by using InGaAs PD array for power system monitoring, Master's degree, Chonbuk National University, Jeollabuk-do, 2009
Y. H. Cho, A FBG temperature sensor for electric power systems using wavelet transform, Master's degree, Chonbuk National University, Jeollabuk-do, 2011
P. C. Silveira, A. Dante, M. M. Keley, C. Carvalho, R. Allil, R. Mok, L. Garcao, and M. Werneck, "Experimental evaluation of low-cost interrogation techniques for FBG sensors," in 2018 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), Houston: TX, pp. 1-6, 2018.
J. B. Hong, A Study on interrogator design using optical switch and WDM filter, Master's degree, Hanseo University, Chungcheongnam-do, 2020.

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