초록 ▼

연구의 목적 및 내용
광섬유기반 센서는 전자기파와의 간섭이 없고 부식 위험이 없는 장점을 갖고 있다. 특히 광자결정 구조의 광섬유 스트레인 센서는 온도변화 영향을 최소화 하면서 구조물의 변형이나 안전 상태를 감지할 수 있다.
본 연구에서는 아래와 같은 구조물의 변형이나 손상을 감지할 수 있는 헬스 모니터링 시스템 개발에 필요한 센싱 기술 및 핵심기술을 개발하였다.
○ 스트레인측정에 응용 가능한 최적의 광자결정광섬유 구조 설계 및 제작 기술 개발
○ 스트레인 센싱 기술 개발
○ 분포형 스트레인 측정 기술 개

연구의 목적 및 내용
광섬유기반 센서는 전자기파와의 간섭이 없고 부식 위험이 없는 장점을 갖고 있다. 특히 광자결정 구조의 광섬유 스트레인 센서는 온도변화 영향을 최소화 하면서 구조물의 변형이나 안전 상태를 감지할 수 있다.
본 연구에서는 아래와 같은 구조물의 변형이나 손상을 감지할 수 있는 헬스 모니터링 시스템 개발에 필요한 센싱 기술 및 핵심기술을 개발하였다.
○ 스트레인측정에 응용 가능한 최적의 광자결정광섬유 구조 설계 및 제작 기술 개발
○ 스트레인 센싱 기술 개발
○ 분포형 스트레인 측정 기술 개발

연구결과
1. 스트레인 센서용 광자결정광섬유 구조 설계 및 제작
- 공기구멍 및 피치 파리미터에 따른 복굴절 및 손실 분석하여 아래의 파라미터를 갖는
광자결정광섬유 설계 (목표복굴절값 ~ 1*10^-3)
d_s/d_L = 0.4, d_s/Λ=0.5, Λ=3.8 μm.
- 온도변화에 덜 민감한 스트레인 센싱용 광자결정광섬유 제작
코어 ~ 10μm , 직경 125μm (코팅포함시 250μm)
B ~ 0.9*10-3 (설계값 보다 작지만 이는 광섬유 인장시 공기구멍 크기를 정확히 설계값과 일치시키는 것은 불가능하므로 불가피함)
손실 ~ 0.08dB/m (설계값보다 우수)
dB/dT ~ -1.7*10^-9/K (설계값보다 우수)
2. 스트레인 센싱 기술 개발
- 스트레인 민감도 1.4 nm/mε, 온도민감도 –1pm/K 의 특성(목표치보다 우수)을 갖는 광자결정광섬유 기반 Sagnac 간섭계 제작함.
- 포토닉밴드갭 광섬유와 중공광섬유로 이루어진 간섭계를 이용한 스트레인 측정 연구: sensitivity: ~ -0.25 nm/mε, 16pm/K
-테이퍼드 포토닉밴드갭 광섬유를 이용한 In-line 간섭계기반 스트레인 측정연구: sensitivity: ~ -1.33 nm/mε
3. 분포형 광섬유 센서 시스템 기반기술 개발:구조물의 헬쓰모니터링
- 브릴루앙산란기반 분포형 광섬유센서 시스템 구축 및 최적화 - 센싱 감도(정확도) 향상: +/- 10 με
- 프로브 광의 증폭 및 펌프광의 흡수를 이용한 측정거리 확대~ 2배 확대함
- differential measurement scheme을 이용하여 기존보다 공간분해능 3배 이상 개선.
- 샘플링 속도 1.5 kHz 구현.

연구결과의 활용계획
-본 연구에서는 재료, 센서, 통신의 서로 다른 분야의 기술이 융합되어 센서용 광자결정 광섬유 및 이를 이용한 스트레인 센싱 기술을 개발하였으며, 향후 cm 공간 분해능을 mm 정도까지 업그레이드하고 측정 범위를 10 km 까지 확장하는 분포형 센서 시스템 개발에 활용할 계획임.
-새로운 구조의 광자결정광섬유는 구조에 따라 독특한 특성을 갖게 할 수 있어, 고출력 광원 전달이나. 바이오나 의료분야의 단층촬영 광원으로 사용되는 초광대역광원 발생 등 다양한 타 분야에 활용할 계획임. -특히 전자기파에 무관하므로 폭발가능성이 높은 발전소나 정유사 등의 구조물 진단에 매우 유용할 것으로 기대됨.

Abstract ▼

Purpose&contents
Optical fiber based sensor has technical and economic advantages compared to non-optical sensors such as immunity to any type of electro magnetic interference and chemically inert. Especially, photonic crystal fiber based strain sensor can be temperature insensitive. So it can be

Purpose&contents
Optical fiber based sensor has technical and economic advantages compared to non-optical sensors such as immunity to any type of electro magnetic interference and chemically inert. Especially, photonic crystal fiber based strain sensor can be temperature insensitive. So it can be applicable to structural health monitoring. Monitoring a structure requires a combination of different technologies including sensing, data acquisition, data transmission, data analysis and structural engineering.
In this proposal, we will develop sensing technologies for monitoring structural health.
- Design and fabrication of an optimum photonic crystal fiber for strain sensing
- Strain sensing technologies and its application to structural health monitoring system

Result
1. Design and fabrication of photonic crystal fiber(PCF) for strain sensing
- Analysis of transmission loss and transmission band depending on the structure using MPB simulation
- Design of minimum loss structure
- Single polarization and single mode PCF
- Fabrication of temperature-insensitive PCF for strain measurement
2. Measurement technique of strain
- PCF based Sagnac loop interferometer for strain and displacement
- Development of PCF based grating
- Development of measurement technique for structural distortion by use of PCF grating
3. Development of Structural health monitoring technique
- Distributed optical fiber sensor system
- Increase of the sensitivity and stablization of sensor system
- Enlargement of measurement range and fast measurement technique

Expected Contribution
-Possible applications: measurement and monitoring in environments with strong electromagnetic radiation such as transformers, alternators, power supply lines.
-Distributed and quasi-distributed sensing of variables(temperature, cables, fiber-optic communication cable networks)
-Civil and geothechnical engineering structures, construction, in buildings and others

목차 Contents

• 핵심연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목 차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
• 4. 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 57
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 66
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 67
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 67
• 8. 참고문헌 ... 68
• 9. 연구성과 ... 70
• 끝페이지 ... 85