광섬유를 이용한 구조물 건전도 모니터링은 다양한 연구가 이루어졌다. 광섬유는 다중 및 분포로 변형률을 계측 할 수 있다. 광섬유 센서 중, FBG 센서는 동적 응답 계측과 정밀도가 높은 장점이 있지만, 계측 포인트의 제한이 있다. 분포형 광섬유 센서는 계측 포인트가 1000개가 넘지만, 샘플링 속도가 낮아 동적 계측이 불가능하다. 본 연구에서는 FBG와 브릴루안 상관영역 측정법의 장점만을 이용한 하이브리드신경망 센서 계측 시스템이 제안하였다. 광섬유 브래그 격자를 포함한 광섬유를 이용하여 정적응답과 동적 응답을 선택적으로 계측 할 수 있는 계측 시스템이다. 제안된 시스템검증을 위하여 실내 실험을 수행하였으며, 기존의 센서와의 비교를 통해 정확도와 재현성을 검증하였다. 제안된 시스템을 활용하여, 동적 응답을 상시 계측하고, 전역적인 구조물의 상태를 평가한다. 이상 상태가 감지 되면, 분포형 계측 시스템을 이용하여 정적 응답을 계측하여, 구조물의 국부적인 상태를 평가한다. 제안된 시스템을 통해 효율적인 구조물 건전도 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
광섬유를 이용한 구조물 건전도 모니터링은 다양한 연구가 이루어졌다. 광섬유는 다중 및 분포로 변형률을 계측 할 수 있다. 광섬유 센서 중, FBG 센서는 동적 응답 계측과 정밀도가 높은 장점이 있지만, 계측 포인트의 제한이 있다. 분포형 광섬유 센서는 계측 포인트가 1000개가 넘지만, 샘플링 속도가 낮아 동적 계측이 불가능하다. 본 연구에서는 FBG와 브릴루안 상관영역 측정법의 장점만을 이용한 하이브리드 신경망 센서 계측 시스템이 제안하였다. 광섬유 브래그 격자를 포함한 광섬유를 이용하여 정적응답과 동적 응답을 선택적으로 계측 할 수 있는 계측 시스템이다. 제안된 시스템검증을 위하여 실내 실험을 수행하였으며, 기존의 센서와의 비교를 통해 정확도와 재현성을 검증하였다. 제안된 시스템을 활용하여, 동적 응답을 상시 계측하고, 전역적인 구조물의 상태를 평가한다. 이상 상태가 감지 되면, 분포형 계측 시스템을 이용하여 정적 응답을 계측하여, 구조물의 국부적인 상태를 평가한다. 제안된 시스템을 통해 효율적인 구조물 건전도 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Various studies have been conducted on the structural health monitoring using optical fiber. Optical fibers can be used to measure multiple and distributed strain. Among the optical fiber sensors, FBG sensor has advantages of dynamic response measurement and high precision, but the number of measure...
Various studies have been conducted on the structural health monitoring using optical fiber. Optical fibers can be used to measure multiple and distributed strain. Among the optical fiber sensors, FBG sensor has advantages of dynamic response measurement and high precision, but the number of measurement points is limited. Distributed fiber sensors, represented by distributed Brillouin sensors, usually have more than 1000 measurement points, but the low sampling rate makes dynamic measurements impossible. In this study, a hybrid nerve sensor system using only the advantages of the FBG sensor and the distributed Brillouin sensor has been proposed. Laboratory experiments were performed to verify the proposed system, and the accuracy and reproducibility were verified by comparing with commercial sensors. Applying the proposed system, dynamic response ambient measurements are used to evaluate the global state of the structure. When an abnormal condition is detected, the local condition of the structure is evaluated by static response measurement using the distributed measurement system. The proposed system can be used for efficient structural health monitoring.
Various studies have been conducted on the structural health monitoring using optical fiber. Optical fibers can be used to measure multiple and distributed strain. Among the optical fiber sensors, FBG sensor has advantages of dynamic response measurement and high precision, but the number of measurement points is limited. Distributed fiber sensors, represented by distributed Brillouin sensors, usually have more than 1000 measurement points, but the low sampling rate makes dynamic measurements impossible. In this study, a hybrid nerve sensor system using only the advantages of the FBG sensor and the distributed Brillouin sensor has been proposed. Laboratory experiments were performed to verify the proposed system, and the accuracy and reproducibility were verified by comparing with commercial sensors. Applying the proposed system, dynamic response ambient measurements are used to evaluate the global state of the structure. When an abnormal condition is detected, the local condition of the structure is evaluated by static response measurement using the distributed measurement system. The proposed system can be used for efficient structural health monitoring.
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문제 정의
본 논문에서는 하나의 광섬유를 이용하여 정･동적 응답을 선택적으로 계측할 수 있는 계측 방법을 제안하고, 실내 실험을 통해 검증하였다. 제안된 방법은 FBG가새겨진 하나의 광섬유를 브릴루앙 상관영역 측정법(BOCDA)을 이용하여 정적 응답을 계측하고, FBG를 이용하여 동적 응답을 계측한다.
본 연구에서는 하나의 광섬유를 이용하여, FBG 와 브릴루앙 상관영역 측정법(Brillouin optical correlation domain analysis; BOCDA)을 선택하여 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 이용하여 실내 실험을 수행하였으며, 전기저항식 변형률 게이지와 가속도계의 계측 값과 비교를 통해 정확성과 사용성을 검증하였다.
제안 방법
하이브리드 신경망 시스템을 이용한 구조물의 건전도 모니터링 방법은 시설물에 FBG가 포함된 광섬유를 설치하고, 하이브리드 신경망 센서 시스템을 통하여 초기값을 계측한다. FBG를 이용하여 동적 응답을 계측하고, 동적응답으로부터 시설물의 전역적 상태를 평가한다. 전역적 응답으로부터 이상이 감지된 FBG센서 인근 또는 주기적으로 브릴루앙 상관 영역 측정법(BOCDA)으로 정적 응답을 계측하여, 시설물의 국부적인 손상을 감지 할 수 있도록 시스템을 제안하였다.
각 지점의 브릴루앙 이득 스펙트럼에서 이득이 최대가 되는 주파수인 브릴루앙 주파수는 최대값의 위치 찾기(Peak Fitting) 를 통해 결정되었고, 그 변화에 20με/MHz 의 계수를 적용하여 변형률 변화로 환산하였다.
제안된 시스템에서는 광섬유의 브릴루앙 산란광을 측정하기 위한 광원으로 1550nm의 중심파장을 갖는 분포귀환형 레이저 다이오드(Distributed Feed Back type – Laser Diod, DFBLD)를 사용하였다. 광원의 광출력을 펌프광과 프로브광 방향으로 분기시켰으며, 펌프광 방향으로 진행한 광파에는 잡음 감소를 위한 롹인 앰프(Lock-in Amplifier)에 전기광학변조기 (Electro-Optic Modulator; EOM)를 통한 주기적인 신호를 인가하였다. 펌프광은 500m의 광 지연 선로를 지나 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; EDFA)를 통해 증폭시킨 후, 서큘레이터(Circulator)를 이용하여 부착된 측정용 광 섬유(Sensing fiber)로 진행시켰다.
동적 실험은 외팔보 끝에 마그네틱 베이스를 설치하여, 변형을 준 상태에서 마그네틱 베이스를 제거할 때 생긴 진동을 가속도와 변형률을 계측하였으며, 샘플링 주파수는 가속도계 는 1KHz, FBG는 100Hz로 계측하였다. 측정된 동적 응답으로부터 시편의 고유진동수와 모드형상을 추정하였다.
0g )을 재하하고, 하중 조건 별로 3회 실험을 수행 하였다. 발생되는 변형률을 전기저항식 변형률 게이지와 광섬유로부터 발생하는 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하였다. 변형률 게이지를 통한 계측은 2초 간격으로 계측하여 재하상 태에서 변형률 평균을 구하였고, 광섬유를 이용한 변형률 계측은 BOCDA interrogator를 통해 5mm간격으로 101개 포인 트에서 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하여 변형률을 계산하였다.
발생되는 변형률을 전기저항식 변형률 게이지와 광섬유로부터 발생하는 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하였다. 변형률 게이지를 통한 계측은 2초 간격으로 계측하여 재하상 태에서 변형률 평균을 구하였고, 광섬유를 이용한 변형률 계측은 BOCDA interrogator를 통해 5mm간격으로 101개 포인 트에서 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하여 변형률을 계산하였다. 광섬유와 전기저항식 변형률 게이지로부터 측정된 변형률 값을 Fig.
프로브광은 유도 브릴루앙 산란의 편광 효과를 제거하기 위해 편광 스위치(polarization switch; PSW)를 통해 시편에 부착된 측정용 광섬유로 진행시켰다. 브릴루앙 이득 스펙트럼(Brillouin Gain Spectrum; BGS)을 측정하기 위해 마이크로파 발생기 (Microwave Generator)를 이용하여 10.2 ~ 11.2GHz 영역에서 프로브광의 주파수를 스윕(Sweep)하였다. 프로브광의 세기 변화를 광 검출기로 측정하여 전기 신호로 변환한 후 롹 인 앰프를 이용하여 잡음을 제거하는 방식으로 원하는 측정 지점의 브릴루앙 이득 스펙트럼 데이터를 추출하였다.
FBG를 이용하여 동적 응답을 계측하고, 동적응답으로부터 시설물의 전역적 상태를 평가한다. 전역적 응답으로부터 이상이 감지된 FBG센서 인근 또는 주기적으로 브릴루앙 상관 영역 측정법(BOCDA)으로 정적 응답을 계측하여, 시설물의 국부적인 손상을 감지 할 수 있도록 시스템을 제안하였다.
정적 재하 실험은 외팔보 끝에 크기가 다른 하중(163.7g, 428.4g, 960.0g )을 재하하고, 하중 조건 별로 3회 실험을 수행 하였다. 발생되는 변형률을 전기저항식 변형률 게이지와 광섬유로부터 발생하는 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하였다.
3과 같이 400mm구간을 bare광섬유를 에폭시를 이용하여 부착하였고, 나머지 광섬유는 부착하지 않고 타이트 버퍼를 이용하여 보호하였다. 정적 재하실험 검증을 위하여 전기 저항식 변형률 게이지를 7개를 Fig.3과 같이 50mm간격으로 에폭시를 이용하여 부착하였다. 충격 실험을 통해 얻어지는 동적 응답을 검증하기 위하여 FBG가 새겨진 광섬유 인근에 각각 가속도계를 설치하였다.
정적 재하실험과 충격실험을 통하여 각각 정·동적 응답을 계측하였다.
본 논문에서는 하나의 광섬유를 이용하여 정･동적 응답을 선택적으로 계측할 수 있는 계측 방법을 제안하고, 실내 실험을 통해 검증하였다. 제안된 방법은 FBG가새겨진 하나의 광섬유를 브릴루앙 상관영역 측정법(BOCDA)을 이용하여 정적 응답을 계측하고, FBG를 이용하여 동적 응답을 계측한다. 실내 실험을 통해 전기저항식 변형률 게이지와 가속도계와의 비교 검증을 수행하였으며, 검증을 통하여 제안된 시스템의 정확성과 사용성을 검증하였다.
3과 같이 50mm간격으로 에폭시를 이용하여 부착하였다. 충격 실험을 통해 얻어지는 동적 응답을 검증하기 위하여 FBG가 새겨진 광섬유 인근에 각각 가속도계를 설치하였다.
동적 실험은 외팔보 끝에 마그네틱 베이스를 설치하여, 변형을 준 상태에서 마그네틱 베이스를 제거할 때 생긴 진동을 가속도와 변형률을 계측하였으며, 샘플링 주파수는 가속도계 는 1KHz, FBG는 100Hz로 계측하였다. 측정된 동적 응답으로부터 시편의 고유진동수와 모드형상을 추정하였다. 가속도계로부터 측정된 응답으로부터 얻어진 고유진동수는 5.
광원의 광출력을 펌프광과 프로브광 방향으로 분기시켰으며, 펌프광 방향으로 진행한 광파에는 잡음 감소를 위한 롹인 앰프(Lock-in Amplifier)에 전기광학변조기 (Electro-Optic Modulator; EOM)를 통한 주기적인 신호를 인가하였다. 펌프광은 500m의 광 지연 선로를 지나 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; EDFA)를 통해 증폭시킨 후, 서큘레이터(Circulator)를 이용하여 부착된 측정용 광 섬유(Sensing fiber)로 진행시켰다. 프로브광 방향으로 진행한 광파는 단일 측파 변조기(Single-Sideband Modulation; SSBM)를 통해 본래 광파로부터 브릴루앙 산란 주파수만큼 낮은 주파수를 갖는 프로브광으로 변환시켰다.
펌프광은 500m의 광 지연 선로를 지나 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; EDFA)를 통해 증폭시킨 후, 서큘레이터(Circulator)를 이용하여 부착된 측정용 광 섬유(Sensing fiber)로 진행시켰다. 프로브광 방향으로 진행한 광파는 단일 측파 변조기(Single-Sideband Modulation; SSBM)를 통해 본래 광파로부터 브릴루앙 산란 주파수만큼 낮은 주파수를 갖는 프로브광으로 변환시켰다. 프로브광은 유도 브릴루앙 산란의 편광 효과를 제거하기 위해 편광 스위치(polarization switch; PSW)를 통해 시편에 부착된 측정용 광섬유로 진행시켰다.
2GHz 영역에서 프로브광의 주파수를 스윕(Sweep)하였다. 프로브광의 세기 변화를 광 검출기로 측정하여 전기 신호로 변환한 후 롹 인 앰프를 이용하여 잡음을 제거하는 방식으로 원하는 측정 지점의 브릴루앙 이득 스펙트럼 데이터를 추출하였다. 각 지점의 브릴루앙 이득 스펙트럼에서 이득이 최대가 되는 주파수인 브릴루앙 주파수는 최대값의 위치 찾기(Peak Fitting) 를 통해 결정되었고, 그 변화에 20με/MHz 의 계수를 적용하여 변형률 변화로 환산하였다.
하이브리드 신경망 센서의 정확성과 사용성을 검증하기위 하여 실내실험을 수행하였다. 실내실험에 사용된 시편은 Fig.
대상 데이터
하이브리드 신경망 센서의 정확성과 사용성을 검증하기위 하여 실내실험을 수행하였다. 실내실험에 사용된 시편은 Fig.3과 같으며, 시편의 크기는 550 X 30 X 1(가로X세로X두 께, mm)이며, 시편의 시작 지점으로부터 50mm 구간을 클램프로 고정하여 외팔보로 거동하도록 하였다. 정적 재하실험과 충격실험을 통하여 각각 정·동적 응답을 계측하였다.
제안된 시스템에서는 광섬유의 브릴루앙 산란광을 측정하기 위한 광원으로 1550nm의 중심파장을 갖는 분포귀환형 레이저 다이오드(Distributed Feed Back type – Laser Diod, DFBLD)를 사용하였다.
정적 재하실험과 충격실험을 통하여 각각 정·동적 응답을 계측하였다. 측정용 광섬유는 BOCDA계측에 사용되는 주파수 대역대인 1550nm대역을 피하여 3개의 FBG를 각각 1520nm, 1530nm, 1560nm으로 100mm 간격으로 제작되었다. 제작된 광섬유는 Fig.
데이터처리
제안된 방법은 FBG가새겨진 하나의 광섬유를 브릴루앙 상관영역 측정법(BOCDA)을 이용하여 정적 응답을 계측하고, FBG를 이용하여 동적 응답을 계측한다. 실내 실험을 통해 전기저항식 변형률 게이지와 가속도계와의 비교 검증을 수행하였으며, 검증을 통하여 제안된 시스템의 정확성과 사용성을 검증하였다.
본 연구에서는 하나의 광섬유를 이용하여, FBG 와 브릴루앙 상관영역 측정법(Brillouin optical correlation domain analysis; BOCDA)을 선택하여 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 이용하여 실내 실험을 수행하였으며, 전기저항식 변형률 게이지와 가속도계의 계측 값과 비교를 통해 정확성과 사용성을 검증하였다.
성능/효과
변형률 게이지를 통한 계측은 2초 간격으로 계측하여 재하상 태에서 변형률 평균을 구하였고, 광섬유를 이용한 변형률 계측은 BOCDA interrogator를 통해 5mm간격으로 101개 포인 트에서 브릴루앙 이득스펙트럼을 측정하여 변형률을 계산하였다. 광섬유와 전기저항식 변형률 게이지로부터 측정된 변형률 값을 Fig.4에 비교하였으며, 정적 응답 측정 결과 전기저항식 변형률게이지와 광섬유로부터 얻어진 변형률의 상대오차는 최대 약 20%의 오차를 보였다. 현재 BOCDA계측 시스템의 측정오차로 판단되며, 계측시스템의 정확성을 높이기 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
하이브리드 신경망 센서를 통한 계측 시 측정용 광섬유에 새길 브래그 격자의 파장 선택에 유의해야 한다. 브릴루앙 신호 측정에 사용된 파장은 1548nm이고, FBG가 3nm의 파장 간격으로 설치되는 상황을 고려할 때, 1545-1551nm 파장 대역의 FBG가 측정용 광섬유에 존재할 경우 상황에 따라 펌프광과 프로브광이 FBG에서 후방으로 반사되는 상황이 발생할 수 있는데, 프로브광의 반사는 신호감소를 펌프광의 반사는 광 검출기 초과 입력으로 인한 포화현상 및 잡음 증가를 일으켜 브릴루앙 이득스펙트럼의 측정 오차가 크게 증가할 수 있다.
실내 실험을 통하여 정확성과 사용성을 검증하였으며, 검증 결과 정적 응답과 고유진동수의 오차는 존재하였다.하지만, 하나의 광섬유로부터 정･동적 응답을 선택적으로 계측할 수 있는 것을 확인하였다.
제안된 기법을 활용하여, FBG 센서로부터 동적 응답을 계측하고, 동적응답을 통해 구조물의 전역적인 이상 유무를 판별 후 구조물의 이상 발견 시, 브릴루앙 산란 상관영역 측정법 (BOCDA)으로 정적응답 계측을 통해 구조물의 손상 위치와 크기를 감지할 수 있을 것으로 판단된다. 제안된 시스템을 통해 기존의 모니터링 시스템을 단점인 제한된 센서의 수와 계측기 설치의 어려움을 해결할 수 있으며, 이를 통해 구조물의 효율적인 건전도 모니터링 및 유지관리가 가능할 것으로 기대된다.
실내 실험을 통하여 정확성과 사용성을 검증하였으며, 검증 결과 정적 응답과 고유진동수의 오차는 존재하였다.하지만, 하나의 광섬유로부터 정･동적 응답을 선택적으로 계측할 수 있는 것을 확인하였다.
후속연구
제안된 기법을 활용하여, FBG 센서로부터 동적 응답을 계측하고, 동적응답을 통해 구조물의 전역적인 이상 유무를 판별 후 구조물의 이상 발견 시, 브릴루앙 산란 상관영역 측정법 (BOCDA)으로 정적응답 계측을 통해 구조물의 손상 위치와 크기를 감지할 수 있을 것으로 판단된다. 제안된 시스템을 통해 기존의 모니터링 시스템을 단점인 제한된 센서의 수와 계측기 설치의 어려움을 해결할 수 있으며, 이를 통해 구조물의 효율적인 건전도 모니터링 및 유지관리가 가능할 것으로 기대된다.
4에 비교하였으며, 정적 응답 측정 결과 전기저항식 변형률게이지와 광섬유로부터 얻어진 변형률의 상대오차는 최대 약 20%의 오차를 보였다. 현재 BOCDA계측 시스템의 측정오차로 판단되며, 계측시스템의 정확성을 높이기 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
참고문헌 (9)
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