광섬유 격자 다중화 스트레인 센서 시스템

이용욱,정재훈,정승환,이병호,김남식 한국비파괴검사학회 2001 한국비파괴검사학회지 Vol.21 No.2

광섬유 센서는 구조물에 대한 비파괴적인 측정이 가능하고, 전자파에 의한 간섭이 발생하지 않으므로, 전자파 장애의 영향을 무시할 수 있는 장점이 있다. 또한, 구조물 건조시 콘크리트 같은 대상체에 광섬유를 내장시킬 경우에는 검사시 대상체를 파괴시키지 않고서도 대상체의 손상여부와 역학적 거동을 측정 및 해석할 수 있는 비파괴 검사 기술이다. 특히 광섬유 브래그 격자 센서는 그러한 대상체에 대한 비파괴 검사를 수행하는데 가장 적합한 센서이다. 광섬유 브래그 격자 센서는 그러한 대상체에 대한 비파괴 검사를 수행하는데 가장 적합한 센서이다. 광섬유 브래그 격자는 특정파장의 빛을 반사 또는 제거시키는 특성을 지니고 있으며, 스트레인 같은 물리량이 광섬유 브래그 격자에 가해지면, 반사되는 빛의 중심파장이 이동하여 이를 통해 물리량을 측정할 수 있다. 정ㆍ동적 스트레인을 측정할 수 있는 광섬유 브래그 격자 센서는 건축물이나 토목구조물 등의 안전 진단(health monitoring)을 위해 사용되고 있으며, 최근에는 도로나 교량과 같은 토목 구조물로의 응용에 있어서 필수적인 동적 스트레인의 측정에 대해 그 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 패브리=페로(Fabry-Perot) 필터를 이용하여 다중점에서 동적 스트레인을 측정할 수 있는 센서 시스템을 제작하였으며, 제작된 센서 시스템을 모의 구조물(외팔보)에 적용하여 모의 구조물에 가해지는 정적, 동적 스트레인을 측정하였다. 측정 결과는 기존의 전기적 센서와 유사하였다. An optical fiber sensor is capable of nondestructive measurement of a structure and it has an advantage of the immunity to electromagnetic interference because light is not affected by electromagnetic wave. In addition, if optical fibers are buried in an object like a concrete, this sensor can analyze defects and physical status of the object without disassembling it. Especially, the fiber Bragg grating sensor is a promising optical fiber sensor capable of nondestructive test of such an object. A fiber Bragg grating has the characteristics of reflecting or blocking light of a specific wavelength. If we apply physical quantity like strain to the fiber Bragg grating, the center wavelength of the reflected light is shifted and then we can find the physical quantity applied to the fiber Bragg grating by measuring the center wavelength shift of the reflected light. The fiber Bragg grating sensor capable of static and dynamic strain measurement is being used in health-monitoring of buildings, structures, etc. Recently increasing is interest in dynamic strain measurement inevitable to the civil structures such as roads and bridges. In this study we implemented the optical fiber sensor system which can measure dynamic strain at multiple points using Fabry-Perot wavelength demodulation. And we measured the static and dynamic strain using this sensor system with a test structure(cantilever). Measurement results were similar to those obtained with the conventional electrical measurement methods.

광섬유 격자와 포토닉 밴드갭 광섬유를 이용한 아세틸렌가스 검출

이윤규(Yun Kyu Lee),이경식(Kyung Shik Lee) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.47 No.7

할로우 코어 포토닉 밴드갭 광섬유(hollow core photonic bandgap fiber, HC-PBGF)와 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)를 이용하여 새로운 형태의 가스 검출 방식을 제안하였다. 제안하는 가스 측정 방식에서는 할로우 코어 포토닉밴드갭 광섬유에 채워진 가스의 흡수 스펙트럼을 우선 측정하고, 광섬유 브래그 격자를 파장 변조함으로써 얻어진 신호로부터 가스 농도에 대한 정보를 얻을 수 있다. 가스 측정 실험에서는 2m의 할로우 코어 포토닉 밴드갭 광섬유와 중심 파장이 1539.02㎚인 광섬유 브래그 격자를 사용하였으며, 광섬유 브래그 격자의 반사파장을 1539.3㎚에서 1539.6㎚까지 2㎐의 주기로 가변하였다. 제안하는 가스센서는 2.5%, 5%의 아세틸렌가스를 선별적으로 잘 검출할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. We propose an optical gas sensor, which consists of a hollow core photonic bandgap fiber (HC-PBGF) and fiber Bragg grating (FBG), for the detection of acetylene gas. The gas detection scheme is uniquely characterized by modulating the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating around a selected absorption line of gas filled in the photonic bandgap fiber. In the measurement, a 2m-long HC-PBGF and FBG with a Bragg wavelength of 1539.02㎚ were used. The FBG was modulated at 2㎐. We demonstrated that the optical fiber gas sensor was able to selectively measure the 2.5% and 5% of acetylene gases.

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 근육 상태 감시 시스템

김헌영(Heon-Young Kim),이진혁(Jin-Hyuk Lee),김대현(Dae-Hyun Kim) 한국비파괴검사학회 2014 한국비파괴검사학회지 Vol.34 No.5

광섬유센서는 전자파 무간섭, 부식 방지, 다중화 등의 장점들을 갖고 있어 다양한 상태 감시 시스템을 위한 연구에 많이 활용되고 있다. 본 논문에서는 광섬유센서 기반의 인체 근육 상태 감시 시스템을 제안한다. 상용화되어 있는 인체 상태 감시 센서는 전자기 기반의 센서가 대부분이다. 이는 전자기 간섭 및 왜곡의 우려가 있어, 이를 보완하고 장치의 간소화 및 사용자 편의성을 위해 광섬유 브래그 격자센서를 사용하였다. 근육 상태의 지표가 되는 근육 수축 및 이완을 측정하기 위해 원주방향으로의 운동 감시가 가능한 밴드형태의 광섬유 브래그 격자센서 모듈을 제작하였다. 그리고 광섬유 브래그 격자센서 모듈의 적용성 평가를 위해 단축 인장시험을 수행하였다. 실험 결과 인장 크기에 따른 브래그 파장 변화가 상호 연관성을 보였으며, 이를 통해 브래그 격자센서 기반의 근육 상태 감시 시스템 개발의 가능성을 확인하였다. Fiber optic sensors (FOS) have advantages such as electromagnetic interference (EMI) immunity, corrosion resistance and multiplexing capability. For these reasons, they are widely used in various condition monitoring systems (CMS). This study investigated a muscular condition monitoring system using fiber optic sensors (FOS). Generally, sensors for monitoring the condition of the human body are based on electro-magnetic devices. However, such an electrical system has several weaknesses, including the potential for electro-magnetic interference and distortion. Fiber Bragg grating (FBG) sensors overcome these weaknesses, along with simplifying the devices and increasing user convenience. To measure the level of muscle contraction and relaxation, which indicates the musle condition, a belt-shaped FBG sensor module that makes it possible to monitor the movement of muscles in the radial and circumferential directions was fabricated in this study. In addition, a uniaxial tensile test was carried out in order to evaluate the applicability of this FBG sensor module. Based on the experimental results, a relationship was observed between the tensile stress and Bragg wavelength of the FBG sensors, which revealed the possibility of fabricating a muscular condition monitoring system based on FBG sensors.

온도 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 센서의 온도 계수 특성 평가

김헌영(Heon-Young Kim),강동훈(Donghoon Kang),이진혁(Jin-Hyuk Lee),김대현(Dae-Hyun Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.8

광섬유 브래그 격자 센서는 최근 구조건전성평가 분야에서 가장 활발히 사용되는 지능형 센서 중의 하나이다. 특히 본 센서는 다양한 물리량들을 여러 지점에서 한 가닥의 광섬유로 측정할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이중 온도 측정을 위해서는 열팽창계수 및 열광학 계수의 사용이 필요하다. 대부분의 기존 연구에서는 이러한 물리량들을 상수값으로 가정하고 온도를 측정하였다. 본 논문에서는 FBG 센서의 온도 측정 실험을 통해 온도 변화와 관련된 두 계수가 일반적으로 사용되는 상수가 아닌 온도에 따라 변하는 변수임을 확인하였다. 최종적으로 광섬유 브래그 격자 센서의 이론에서 온도계수를 온도에 따른 함수식으로 새롭게 제안하고, 이 함수식을 이용해 상온에서 100도까지의 범위에서 정확한 온도 측정이 가능함을 확인하였다. A fiber Bragg grating sensor is considered a smart sensor that shows outstanding performance in the field of structural health monitoring (SHM). It has a powerful advantage, especially that of multiplexing, which enables several parameters to be sensed at multiple points by using a single optical fiber line. Among several parameters, the thermal expansion coefficient and thermo-optic coefficient are required to measure temperature. In previous studies, these were considered constant variables. This study shows that two parameters vary with temperature and newly proposes a temperature function for these two parameters. Specifically, these two parameters were defined as a single variable, and then, it was experimentally verified that this variable is a function of temperature. Finally, it was shown that temperature from RT to 100 ℃ was precisely measured by using the temperature function that was defined through the experiment.

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 변형 계측

이승재,Lee, Seung-Jae 한국공간구조학회 2008 한국공간구조학회지 Vol.8 No.6

본 연구는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 실시간 모니터링 결과를 보고한다. 기존의 간접적인 계측방식에서 탈피하여 케이블에 직접적으로 센서를 부착하여 케이블의 변형율을 측정하였다. 우선, 텐서그리티 구조모형을 시험체를 제작하고, 시험체에 광섬유 브래그 격자 센서를 부착하여 외력을 가하였다. 그 결과 하중의 증가에 따라 광섬유 브래그 격자센서는 케이블의 변형을 정밀히 측정할 수 있었으며, 계측의 안정성 측면에서 탁월함을 알 수 있었다. 또한 텐서그리티 구조물과 같이 케이블로 구성된 구조물의 변형측정 및 상시모니터링에는 광섬유 브래그 격자 센서가 유용함을 확인하였다. The object of this paper is to verify possible to monitor the deformation of cable in the tensegrity structure. Also, always monitoring system of tensegrity structure using Fiber Bragg Grating Sensor is described. We carry out experiments with measuring deformation of cable in the tensegrity structure based on loading conditions. In the result of experiment, the Fiber Bragg Grating Sensors shows accurate response to the loading conditions. Therefore, we can make sure the possibility of Fiber Bragg Grating Sensor in health monitoring of the cable structure like tensegrity structure.

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 복합재 구조물의 변형율 및 파손신호 동시 측정

고종인(Jong-In Koh),방형준(Hyung-Joon Bang),김천곤(Chun-Gon Kim),홍창선(Chang-Sun Hong) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.7

변형률과 파손신호를 동시에 계측하기 위하여 이중복조기를 갖는 광섬유 브래그 격자 센서시스템을 제안하였다. 이중복조기는 가변 패브리-페로 필터를 사용하여 변형률과 같이 변화가 큰 저주파신호를 측정하는 복조기와 수동 마흐-젠더 간섭계를 사용하여 충격이나 파손신호와 같이 미세한 크기의 고주파 신호를 측정하는 복조기로 구성된다. 제안된 광섬유 브래그 격자 센서시스템를 이용하여 인장하중을 받는 직교적충 복합재 구조물의 변형률과 파손신호를 동시에 계측할 수 있었다. 하나의 광섬유 브래그 격자 센서로 측정한 변형률과 파손신호를 분석한 결과, 복합재 시편의 90도 층에서 기지 균열이 발생할 때 급격한 변형률 변이가 유발되고, 최대 수백 킬로헤르츠에 이르는 주파수 성분을 가진 진동신호가 발생함을 알 수 있었다. For the simultaneous measurement of strain and damage signal, a fiber Bragg grating sensor system with a dual demodulator was proposed. The dual demodulator is composed of a demodulator using a tunable Fabry-Perot filter measuring the low-frequency signal with large magnitude such as strain and the other using a passive Mach-Zehnder interferometer detecting the high-frequency signal with small amplitude such as impact or damage signal. Using the proposed fiber Bragg grating sensor system, both the strain and damage signals of a cross-ply laminated composite beam under tensile loading were simultaneously measured. The strain and damage signals detected by single fiber Bragg grating sensor showed that sudden strain shifts were accompanied with vibration at a maximum frequency of several hundreds of kilohertz at the instant of matrix crack propagation in the 90 degree layer in composite beam.

광섬유 브래그 회절격자 (FBG) 를 이용한 Yb 첨가 광섬유 레이저의 특성 연구

오승준,정치현,이종훈,이강인 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.2

A fiber-coupled laser diode (LD) with a 976 nm emission wavelength was used to pump a Ytterbium (Yb)-doped large mode area fiber. Both ends of the fiber were bonded to fiber Bragg gratings (FBGs). The FBGs were used as an input mirror and an output coupler. The reflectivity of the FBG used as the input mirror was 95%, and that for the FBG used as the output coupler was 10%. The core diameter of the Yb-doped optical fiber and FBG was 10 m. The output power and spectra of Yb-doped fiber laser were measured versus the pump power of the LD. The wavelength of the fiber laser was 1063.39 nm, close to the wavelength of the Nd:YAG laser. The lasing characteristics, such as the spatial distribution, temporal variation, and beam quality of the FBG laser power, were measured. When the pump power was 2.8 W, the output of the fiber laser was 1.5 W, and the output fluctuation was about 0.47%. The output characteristics were simulated and compared with the experimental results. Simulation results show that when the pump power is 2.8 W, the output of the fiber laser is 1.61 W. The length of the optical fiber was sufficiently long that most of the emission from the pump LD was absorbed. Even when the LD coolant temperature was changed by 12 ◦C, the output was almost unchanged. 광섬유에 결합된 파장이 976 nm인 레이저 다이오드 (laser diode, LD) 로 이테르븀 (Yb) 가 첨가된대구경 (large mode area) 광섬유를 펌프하였다. 광섬유 브래그 회절격자 (Fiber Bragg grating, FBG) 를 전반사경과 출력경으로 사용하였다. 전반사경으로 사용한 FBG의 반사율은 95%, 출력경으로 사용한FBG의 반사율은 10% 이었다. Yb 첨가 광섬유와 FBG의 코어 직경은 10 m 이었다. 펌프 LD의 출력에따른 Yb 첨가 광섬유 레이저의 출력 변화와 스펙트럼을 측정하였다. 광섬유 레이저의 파장은 1063.39 nm 이었으며 네오디뮴 야그 (Nd:YAG) 레이저와 유사하다. 레이저 빔의 공간적 분포와 시간적 변화, 빔품질등을 측정하였다. 펌프 파워가 2.8 W일 때 광섬유 레이저의 출력은 1.5 W이고, 출력 요동은 약 0.47% 이었다. 출력 특성을 시뮬레이션 하여 실험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 결과 펌프 파워가 2.8 W일때 광섬유 레이저의 출력은 1.61 W였다. 광섬유의 길이가 충분히 길어서 펌프 LD는 대부분 흡수되었다. LD 냉각수 온도가 12 ◦C 변화해도 출력은 거의 변화 없었다.

광섬유센서를 이용한 대공간 구조물의 상시 모니터링

이창우,이승재,주기수,Lee, Chang-Woo,Lee, Seung-Jae,Ju, Gi-Su 한국공간구조학회 2007 한국공간구조학회지 Vol.7 No.3

본 논문은 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 대공간 구조물의 실시간 모니터링을 설명하였고, 외부 외력 작용시에 대공간 구조물의 요소인 막이나 케이블의 변형을 계측하는데 광섬유 브래그 격자 센서가 매우 적합하다는 점을 검증하고 있다. 이와 함께 대공간 구조물에 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 변형을 모니터링하는 실험을 실시하였다. 장스팬의 대공간 구조물을 모니터링하기 위하여 많은 요소를 계측할 수 있는 장비가 필요하다. 실험의 결과로 광섬유 브래그 격자 센서는 외력 작용시에 정확한 계측을 보여주었다. 그러므로 대공간 구조물의 변형율을 계산할 수 있고 실시간 모니터링이 가능하다. In this paper, always monitoring system of fiber Bragg Crating(FBG)Sensor is described and FBGs are well suited for measuring the movement in the part of the spatial structure(for example, cable, membrane and so on)under the pressure conditions. In order to measure the movement of long span structure, we need the measurable equipment that takes in many spots to measure. In the result of experiment, the fiber sensors showed good response to the pressure conditions. Therefore, We could calculate the movement of spatial structure and be possible health monitoring of the spatial structure.

광반응 재료가 코팅된 단주기 광섬유격자 기반 자외선센서의 광민감도 향상 연구

김우영,김찬영,김현경,안태정,Kim, Woo Young,Kim, Chan-Young,Kim, Hyun-Kyoung,Ahn, Tae-Jung 한국광학회 2015 한국광학회지 Vol.26 No.2

This study was focused on developing an optical sensor that monitors ultraviolet (UV) light. Recently, we proposed and demonstrated a novel, highly sensitive UV sensor based on a fiber Bragg grating (FBG). To ensure that the incident UV light is focused on the FBG surface, the sensor was coated with an azobenzene polymer material that acts as a UV-induced stretchable functional material, in combination with a cylindrical focal lens. In this study we have improved the sensitivity of the sensor by employing a cylindrical focal mirror as a curved reflector, to refocus the UV light passing through the FBG. We considered the performance of several different types of reflectors and chose the optimal radius of curvature for the reflector. Compared to the UV sensor without an auxiliary device, the sensitivity of the FBG sensor with a focal lens and a curved reflector was 15 times as high. 본 논문은 자외선 광학센서 개발에 관한 것이다. 기존에 반도체 기반 자외선 센서를 대체하기 위해 개발된 단주기 광섬유격자기반 자외선 센서에 대한 측정 민감도를 향상시키기 위한 다양한 장치들을 설계하고 실험을 통해 성능을 확인하였다. 최근 연구를 통해 자외선 흡수에 따라 인장력이 유도되는 아조벤젠 폴리머 재료와 장력에 따른 광섬유격자 특성 변화를 조합하여 새로운 자외선 센서의 개념이 제시되었다. 본 연구에서는 광섬유격자 기반 자외선 센서에서 흡수하지 못하고 통과되는 자외선 잔광을 반사판을 이용해서 다시 반사시켜 센서에서 재흡수되는 원리로 센서의 민감도를 향상시켰다. 본 논문에서는 반사판의 종류를 선정하고 반사판의 곡률반경을 최적화하였다. 또한 기존의 원통형 집광렌즈를 이용한 민감도 향상 기술을 접목 시켜 아무런 장치가 없을 때와 비교해서 약 15배의 성능을 향상시키는 결과를 얻었다. 또한 외부 환경 효과를 줄이기 위한 패키지 모듈을 제작하여 적용하고 그 특성을 분석하였다.

광섬유 격자 센서의 스펙트럼 코드를 활용한 다중화에 대한 수치해석 연구

손주연,임기건,김근진,박동영,백세종,윤재순,이경신,최기선 한국물리학회 2008 새물리 Vol.56 No.5

A multiplexing technique for fiber Bragg grating sensors is required for multipoint measurements such as smart structure applications. The spectral tag method can enhance the multiplexing capability in the Wavelength Division Multiplexing (WDM) approach without additional switching units. Each sensor is assigned with a unique spectral tag that represents a series of Bragg wavelengths. The maximum number of sensors in a single optical fiber is determined by the number of employed spectral codes and the number of constituent gratings. With a 0.4-nm peak-to-peak separation and a 5 \% reflectance of the grating, we simulated the change caused in the multiplexed spectrum by the strain to determine the position of the sensor and to measure the degree of its change. 광섬유 격자 센서 다중화는 대형구조물과 같이 계측 범위가 넓고 매우 많은 센서가 필요한 곳에 효율적인 기술이다. 다중 광섬유 격자 센서 시스템을 위하여 제안된 새로운 스펙트럼 태그 방법은 2개 이상의 서로 다른 브래그 격자를 코드화 시켜 각각의 센서에 배정하는 방법으로 부가적인 장치 없이 다중화 능력을 향상시킬 수 있다. 변형력에 따른 다중 스펙트럼의 변화를 통해 센서의 위치와 변형 정도를 측정하기 위하여 다중 센서의 스펙트럼 코드 사이 간격은 0.4 nm, 격자의 반사율은 5 \% 의 값에 대해 시뮬레이션 하였다.