초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표를 달성하기 위해 1단계와 2단계에 해당하는 아래의 스무 가지 세부 연구를 수행하고자 한다.
○ 무아레 기법의 광학계 적용성 검토 및 센서 모듈 설계
○ 광학계 및 기본 광학 모듈 설계 및 성능 해석
○ 무아레 기법이 적용된 다변수 (multi-parameter) 측정 광섬유 센서의 설계
○ 다변수 측정을 위한 무아레 기법 응용 광섬유 센서 탐촉자 개발 및 시작품 제작
○ 다점 측정 (multiplexing)을 위한 무아레 기법 적용 광섬유 센서의 개념

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표를 달성하기 위해 1단계와 2단계에 해당하는 아래의 스무 가지 세부 연구를 수행하고자 한다.
○ 무아레 기법의 광학계 적용성 검토 및 센서 모듈 설계
○ 광학계 및 기본 광학 모듈 설계 및 성능 해석
○ 무아레 기법이 적용된 다변수 (multi-parameter) 측정 광섬유 센서의 설계
○ 다변수 측정을 위한 무아레 기법 응용 광섬유 센서 탐촉자 개발 및 시작품 제작
○ 다점 측정 (multiplexing)을 위한 무아레 기법 적용 광섬유 센서의 개념 설계
○ 광섬유 센서 탐촉자 시작품의 성능 분석 및 평가
○ 다점 측정을 위한 광섬유 어레이 시스템 설계 및 제작
○ 레이저 응용 구동 광원 시스템 설계
○ 다변수 및 다점 측정을 위한 광원 시스템의 확장과 성능 분석 및 평가
○ 광섬유 센서 탐촉자 및 레이저 광원 통합 하드웨어 개발 및 성능 평가
○ 현장 적용성 실험 및 연구
○ 센서 헤드 소형화를 위한 모듈 설계 및 제작
○ 센서 헤드 모듈의 성능 평가
○ 가속도계, 경사계, 변위계 등 다변수 측정 광섬유센서 헤드 개발
○ 실시간 위상 보상 신호처리 알고리즘 개발
○ 실시간 GUI 기반의 신호처리 프로그램 개발
○ 센서의 원격 제어를 위한 인터넷 기반 연결 모듈 Software 개발
○ 실제 실험을 통한 연결 모듈 Software 평가
○ 센서 헤드, 광원, 신호처리 모듈의 상호 연결성 평가
○ 통합 광섬유 센서 시스템의 실제 적용 평가

Abstract ▼

This research's main purpose is to develop a optical fiber sensor system by using Moire phenomenon to test a safety of next generation nuclear power plant and the core technology of a highly advanced device which can measure multi-parameter and multiplexing.
To achieve a final goal, we will study

This research's main purpose is to develop a optical fiber sensor system by using Moire phenomenon to test a safety of next generation nuclear power plant and the core technology of a highly advanced device which can measure multi-parameter and multiplexing.
To achieve a final goal, we will study 20 detail research below.
○ Examine the possibility of Moire phenomenon application to optical system and design a sensor module
○ Design optical system and basic optical module and evaluate its performance
○ Design a multi-parameter measurable optical fiber sensor to which Moire phenomenon applied
○ Develop an optical fiber sensor's head based on Moire phenomenon and make a its prototype
○ Design conceptually an optical fiber sensor based on Moire phenomenon for multiplexing
○ Analyze performance of a prototype of optical fiber sensor's head and valuation
○ Design an optical fiber array system for multiplexing and make a prototype
○ Desing an optical system operated by laser
○ Expansion of an optical system to measure multi-parameter and multiplexing and analyze and value this system
○ Develop a hardware combined with optical fiber sensor's head and laser source and then evaluate its performance
○ Test and research for a possibility of applying the actual spot
○ Design and fabrication for miniaturized sensor head
○ Performance evaluation of sensor head module
○ Development of optical fiber sensor for measurement of multi-parameter
○ Development of real-time phase-conpansation algorithm in signal processing
○ Development of real-time GUI-based signal processing program
○ Development of internet-based software link module for remote control of the sensor system
○ Evaluation of software link module by experimental application
○ Study for optical connectivity between optical systems
○ Evaluation of real application for integrated optical fiber sensor system
We expect that nondestructive testing technology will be dramatically improved by developing optical fiber sensor which can measure multi-parameter and multipelxing. By using this technology, next generation nuclear power plant structure can be tested safely in realtime, and it give us high reliable results. as a results, a level of relative technologies and facility management technology could be improved.

목차 Contents

• 수정.보완 요구사항 반영내역 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• 영문 요약서 ... 9
• CONTENTS ... 11
• 목 차 ... 16
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 22
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 1절. 선진 외국의 기술동향 및 수준 ... 24
• 1. 무아레 프린지 현상 응용 광섬유 가속도계 센서 개발 ... 26
• 2. 광원 및 전자회로부의 개발 ... 27
• 3. 신호처리 시스템의 개발 ... 27
• 2절. 국내의 기술동향 및 수준 ... 29
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 30
• 1절. 서 론 ... 30
• 2절. 격자판의 패턴 최적화를 위한 시뮬레이션과 검증 실험 ... 34
• 1. 새로운 반사형 광섬유 센서의 측정 원리 ... 34
• 2. 시뮬레이션에 적용 할 파라미터 선정 ... 35
• 3. 광의 세기 분포 검증 ... 38
• 4. 광 손실에 의한 출력신호의 영향 ... 42
• 가. 거리에 따른 광 손실 ... 42
• 나. 회절(diffraction)에 의한 광 손실 ... 47
• 5. 광 분포와 거리에 따른 광 손실을 고려한 컴퓨터 모의 실험 ... 48
• 가. 모의 실험을 위한 가정 ... 48
• 나. 모의 실험을 위한 모델링 ... 49
• 다. 모의 실험 결과 ... 50
• 라. 모의 실험 결과토의 ... 57
• 6. 출력신호에 대한 격자 판 설계 검증 ... 57
• 가. 센서로 사용될 광섬유의 종류 ... 57
• 나. Collimator의 역할 검증 ... 59
• 다. 격자판 제작 ... 61
• 라. 격자 판 설계에 대한 실험적 검증 ... 68
• 마. 해석과의 비교검증 ... 76
• 3절. 진보된 시작품 설계를 위한 유한 요소 해석 ... 80
• 1. 개념 설계(concept design) ... 80
• 2. 유한 요소 해석에서의 파라미터 ... 81
• 3. 유한 요소 해석 조건(analytic condition) ... 83
• 4. 해석의 세부 디자인(detail design by FEA) ... 86
• 5. 유한 요소 해석 결과 (results of FEA) ... 87
• 가. 패턴의 반복 개수 N의 영향 ... 87
• 나. 모멘트 평형 디자인의 영향 ... 89
• 다. 하나의 패턴에 있어서 외팔보의 역할을 하는 패턴의 폭 W의 영향 ... 94
• 라. 패턴의 팔 길이 AL의 영향 ... 96
• 마. 반복되는 N개의 파트 사이의 간격 G의 영향 ... 98
• 바. 질량체의 길이 L의 영향 ... 100
• 6. 달라진 두께의 박판 스프링의 해석 ... 102
• 7. 유한 요소해석 결과 정리 ... 104
• 4절. 시작품을 위한 진보된 광섬유 센서 탐촉자 ... 106
• 1. 시작품용 광섬유 센서 모듈의 설계 및 제작 ... 106
• 2. M-K system 제작 ... 108
• 3. 격자판 제작 ... 109
• 4. 정적하중 시험 ... 111
• 가. F-S curve test ... 111
• 나. Rotation test of seismic mass ... 112
• 5. 동적시험 ... 114
• 6. 시작품의 특성 및 성능 분석 ... 116
• 7. 결론 및 고찰 ... 118
• 5절. 반사형 격자판-광섬유 센서 개발 및 성능평가 ... 120
• 1. 소형화된 센서 헤드 및 조립된 시작품 제작 ... 120
• 2. 반사형 격자판 광섬유 센서의 성능평가 ... 122
• 6절. 투과형 격자판과 반사거울 광섬유 센서 시작품 및 성능평가 ... 126
• 1. 투과를 이용한 진보된 격자판 광섬유 센서의 원리 및 검증 ... 126
• 2. 투과형 격자판과 반사거울 광섬유 센서의 다변수 측정 ... 129
• 가. 본 연구에서 제안한 광섬유 변위계의 성능평가 ... 129
• 나. 본 연구에서 제안한 광섬유 가속도계의 성능평가 ... 131
• 다. 본 연구에서 제안한 광섬유 경사계의 성능평가 ... 135
• 3. 격자판-광섬유 가속도 센서의 온도와의 상관성 ... 141
• 가. M-K system을 이용한 온도 실험 ... 141
• 나. 매우 높은 고온 (360℃)으로의 적용을 위한 스프링 패턴 실험 ... 145
• 4. 측정범위 확장을 위한 M-K system 설계 및 제작 ... 148
• 7절. 광섬유 가속도 센서를 위한 복합 감쇠 시스템 ... 152
• 1. 감쇠 시스템 적용을 통한 측정범위 확장 원리 ... 152
• 2. 공기 감쇠기 설계를 위한 유동해석 ... 156
• 가. 공기 감쇠기의 감쇠 원리 ... 156
• 나. 공기 감쇠의 유동해석 ... 157
• (1) 유동장 모델링 ... 158
• (2) 구조물 모델링 ... 159
• 다. 유동해석 결과 ... 160
• (1) 공기 유동 간격의 영향 ... 160
• (2) 고정부 내부 형상의 영향 ... 163
• 3. 공기 감쇠기의 매개변수에 관한 실험 ... 165
• 가. 실험 준비 ... 165
• (1) 공기 감쇠기 제작 ... 165
• (2) 공기 감쇠 실험 set-up ... 165
• 나. 공기 감쇠 실험 결과 ... 168
• (1) 공기 유동 간격의 영향 ... 169
• (2) 공기 유동 깊이의 영향 ... 170
• (3) 고정부 내부 형상의 영향 ... 172
• 4. 와전류 감쇠기의 매개변수에 관한 실험 ... 174
• 가. 와전류 감쇠기의 감쇠 원리 ... 174
• 나. 와전류 감쇠 적용을 위한 실험 set-up ... 175
• 다. 와전류 감쇠 실험 결과 ... 176
• (1) 자석과 전도체 사이 거리의 영향 ... 177
• (2) 전도체 두께의 영향 ... 178
• 5. 복합 감쇠 적용을 위한 연구 ... 180
• 가. 복합 감쇠의 필요성 ... 180
• 나. 복합 감쇠 적용을 위한 디자인 ... 180
• 다. 복합 감쇠 실험 결과 ... 182
• (1) 내부 자석 복합 감쇠기 ... 182
• (2) 외부 자석 복합 감쇠기 ... 185
• 6. 결론 및 고찰 ... 188
• 8절. 센서 헤드, 광원, 신호처리 모듈의 상호 연결성 평가 연구 ... 189
• 1. 다점 측정을 위한 광원과 광분기 모듈간의 연결성 ... 189
• 2. 센서 신호 출력에 있어서의 연결성 검토 ... 192
• 9절. 통합 광섬유 센서 시스템의 실 적용 평가 연구 ... 196
• 1. 파이프 구조물 제작 및 고유진동수 측정 ... 196
• 2. 파이프의 구조 건전성 모니터링을 위한 데이터 취득 ... 200
• 10절. 반사형 격자판-광섬유 센서 시스템의 실시간 위상보상 신호처리 알고리즘 ... 209
• 1. 실시간 위상 보상 신호처리 알고리즘의 개요 ... 209
• 2. 위상 보상 신호처리 알고리즘 개발 ... 210
• 가. 반사형 격자판 광섬유 센서의 신호처리 ... 210
• 나. 제안된 위상 보상 신호처리 알고리즘 ... 211
• 3. 위상 보상 신호처리 알고리즘 검증 ... 212
• 가. 시뮬레이션을 통한 위상 보상 알고리즘 검증 ... 212
• (1) 위상 보상 알고리즘 시뮬레이션 프로그램 ... 212
• (2) 위상 보상 알고리즘의 시뮬레이션 결과 ... 213
• 나. 초기 위상차 정도에 따른 위상 보상 알고리즘의 성능 평가 ... 215
• 11절. 반사형 격자판-광섬유 센서 시스템의 실시간 위상보상 신호처리 알고리즘 ... 217
• 1. 광섬유 센서 시스템의 사용성 극대화를 위한 실시간 GUI기반의 신호처리 프로그램 개발 ... 217
• 가. 실시간 데이터 수집 기술 ... 217
• (1) 실시간 데이터 수집 시스템 ... 217
• (2) 실시간 데이터 수집 프로그램 ... 218
• (3) 실시간 데이터 수집 결과 ... 219
• 나. LabVIEW를 이용한 max, min 검출용 신호 정규화 프로그램 개발 ... 220
• (1) 데이터저장 설정 ... 221
• (2) 신호 수집 ... 222
• (3) Peak and Valley 검출 ... 222
• 다. LabVIEW를 이용한 실시간 신호처리 프로그램 개발 ... 223
• (1) 실시간 신호처리 프로그램 ... 223
• (2) 실시간 신호처리 프로그램의 성능 평가 ... 226
• 2. 신호처리 프로그램의 광섬유 센서 시스템으로의 적용 ... 230
• 가. 실제 광섬유 센서 시스템에서의 프로그램 적용 실험 ... 230
• (1) 실험구성 ... 230
• (2) 실험결과 ... 231
• 나. 실제 적용 시 발생하는 문제의 원인과 해결방법 및 프로그램의 보완 ... 231
• (1) 최종 가속도 신호에 발생하는 직류 오프셋 ... 231
• (2) 신호의 떠다님(Drifting) 현상 ... 232
• (3) 위상이 보상된 신호의 왜곡 ... 236
• (4) 전처리 과정의 프로그램 통합 ... 239
• (5) 초기 위상의 흔들림 ... 240
• (6) 주파수 대역의 동적구간 문제 ... 241
• 다. 보완된 프로그램의 성능평가 ... 243
• (1) 실험구성 ... 243
• (2) 실험결과 ... 243
• 12절. 다점 측정을 위한 하드웨어 및 소프트웨어의 개발 ... 244
• 1. 다점 측정을 위한 광섬유 센서의 개념 설계 ... 244
• 가. 다점 측정법 (Multiplexing) ... 244
• (1) 시간 분할 다점 측정 (Time Division Multiplexing, TDM) ... 244
• (2) 주파수 분할 다점 측정 (Frequency Division Multiplexing) ... 246
• (3) 파장 분할 다점 측정 (Wavelength Division Multiplexing) ... 247
• 나. 다점 측정을 위한 무아레 기법 적용 광섬유 센서의 개념 설계 ... 248
• (1) 무아레 기법 광섬유 센서 시스템의 광학적 특징 ... 248
• (2) 다점 측정 원리를 적용한 무아레 기법 광섬유 센서 ... 249
• 2. 다점 측정을 위한 광섬유 어레이 광원 및 측정 분기 모듈 개발 ... 253
• 가. 광원 및 측정 분기 모듈 설계 및 제작 ... 253
• 나. 광원 및 측정 분기 모듈 성능 평가 ... 256
• 다. 광섬유 외부 패브리-페롯 간섭계 센서를 활용한 다점 측정 실험 ... 260
• 라. 다점 측정을 위한 광분기모듈의 문제점 및 보완 ... 264
• 3. 다점 측정을 위한 실시간 신호처리 프로그램 개발 ... 267
• 가. 다점 측정을 위한 실시간 신호처리 프로그램의 구성 ... 267
• 나. 다점 측정을 위한 실시간 신호처리 프로그램의 제작 ... 267
• (1) 블록다이어그램 ... 268
• (2) 프런트패널 ... 268
• (3) 입력부 ... 268
• (4) 제어부 ... 268
• (5) 그래프 ... 269
• 다. 다점 측정을 위한 실시간 신호처리 프로그램의 성능 검증 ... 269
• (1) 반사형 광 격자판 광섬유 센서를 모사한 두 지점의 신호 생성 ... 270
• (2) 두 지점의 신호에 대한 정규화 및 위상보상 신호처리 검증 ... 271
• (3) 두 지점의 최종 신호에 대한 신호처리 검증 ... 272
• 13절. 센서의 원격 제어를 위한 인터넷 기반 연결 모듈 Software 개발 ... 273
• 1. 인터넷 기반의 원격제어기술 ... 273
• 2. 데이터 수집 하드웨어 시스템의 홈 네트워크 서버 구축 ... 275
• 3. 구동 Software의 웹 서버 활성화 ... 276
• 가. 웹 서버 ... 276
• 나. 웹 서비스 ... 276
• 다. 웹 서버 활성화 ... 277
• 4. 시뮬레이션 프로그램의 인터넷 연결 원격 제어 성능평가 ... 279
• 5. 인터넷 기반 연결 모듈 Software의 실시간 원격 제어 성능평가 ... 281
• 14절. 실제 실험을 통한 연결 모듈 Software 성능 평가 ... 284
• 1. Laptop을 이용한 모듈 Software의 인터넷 연결 원격 제어 성능 평가 ... 284
• 가. 실험구성 ... 284
• 나. 실험결과 ... 285
• 2. 모듈 Software를 이용한 실제 적용된 센서시스템의 원격 제어 실험 ... 285
• 가. 실험구성 ... 285
• 나. 실험결과 ... 286
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 289
• 1절. 연구개발목표의 달성도 ... 289
• 2절. 관련분야의 기술발전에의 기여도 ... 289
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 291
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 292
• 제7장 연구시설.장비 현황 ... 293
• 제8장 참고문헌 ... 294