장기 모니터링 환경에서 센서 패키징 방법에 따른 광섬유 센서의 신호 안정성 평가

강동훈(Donghoon Kang),김헌영(Heon-Young Kim),김대현(Dae-Hyun Kim) 한국비파괴검사학회 2016 한국비파괴검사학회지 Vol.36 No.4

다중화와 절대측정이 가능한 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 다양한 분야의 건전성 모니터링에 활용되고 있으며, 패키징을 통한 빠른 상용화가 진행 중이다. 하지만, 장시간 구조 건전성 모니터링시 FBG 센서는 반복 열하중에 노출되며 이는 센서의 신호 안정성에 영향을 줄 수 있어 면밀한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 FBG 센서의 브래그 격자 부분에 대한 두 가지 패키징 방법(양단 접착, 직접접착)에 대해 반복 열하중이 신호 안정성에 미치는 영향을 고찰하였다. 구체적으로, –20℃~60℃의 온도 조건에서 300사이클 동안 FBG 센서의 브래그 파장, 광 강도값, 반너비값 등의 신호 특성을 관찰하였으며 직접접착에 대해 수행한 선행 연구와의 비교를 통해 두 가지 패키징 방법에 대한 신호 안정성을 평가하였다. 시험 결과, 장기간 반복 열하중이 가해지는 환경에 노출된 FBG 센서의 경우 양단 접착이 직접 접착보다 신호안정성이 더 높기 때문에 FBG 센서의 패키징시 양단 접착 방식이 더 효과적임을 확인하였다. Fiber Bragg grating (FBG) sensors are applied in structural health monitoring (SHM) in various application fields because of their ease of multiplexing and capability of performing absolute measurements. Moreover, the packaging methods of FBG sensors accelerate their commercialization rapidly. However, long-term SHM exposes the FBG sensors to cyclic thermal loads, and a investigation is required because it finally leads to the signal instability of the FBG sensors. In this study, the effects of sensor packaging methods two methods are generally used for the FBGs: (bonding both sides of the FBG or bonding the FBG directly on signal stability of FBG sensors are investigated. Tests are conducted on specimens in a thermal chamber, over a temperature range from –20℃ to 60℃ for 300 cycles. Signal characteristics such as Bragg wavelength, light intensity and full width at half maximum are examined and are compared with those of the FBG sensors, obtained in a previous study under direct bonding conditions. From the comparison, it is observed that the FBG sensors with bonding on both sides of the FBG demonstrate higher signal stabilities when exposed to cyclic thermal loads during long-term SHM. Consequently, it guarantees more effectiveness when packaging the FBG sensors.

구조물 보강용 FRP 판과 광섬유 센서가 결합된 자기감지 보강재

송세기(Song, Se-Gi),서수연(Seo, Soo-Yeon),김강수(Kim, Kang Su) 대한건축학회 2019 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.35 No.8

Recently, it is required to develop a monitoring technology that combines an FBG sensor as a means for continuously monitoring whether reinforcing effect of FRP is maintained on FRP reinforced structural members. However, most existing researches focus on the insertion of FBG sensors into bar-shaped FRPs, and there is insufficient study on the details strip-type FRPs combined with FBG sensors. Therefore, in this paper, it is studied to develop a reinforcement in which a FBG sensor is combined with a FRP strip. Especially, combination of FRP and FBG sensor. For this, a series of experiments were performed to find the adhesive strength of fiber-FRP-epoxy joints, the tensile strength of FBG sensor part with reflection-lattice, and the performance depending on the connection method of FRF and FBG sensor. As a result of the study, it was found that a minimum strength of 216.15 N/㎟ is required for incorporating FBG sensors in FRP using epoxy. It is considered that the adhesion length of epoxy joints should be more than 50mm. When the FBG sensor is attached to the FRP strip as an epoxy, it is considered appropriate to use the complete attachment and the sensor non-attachment method.

Hopper WDM을 이용한 FBG(Fiber Bragg Grating) 하이드로폰(Hydrophone)의 다중점신호검출 및 지향성 연구

김경복(Kyung Bok Kim) 대한전자공학회 2015 전자공학회논문지 Vol.52 No.11

Temperature Compensation Technique for Steel Sleeve Packaged FBG Strain Sensor and Its Application in Structural Monitoring

운영위,장일영 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.08 No.06

As bare Fiber Bragg Grating (FBG) sensors are very fragile, bare FBG without encapsulation is not properly applied in practical infrastructures directly due to the harsh environment in practical engineering. Steel sleeve packaged FBG strain sensor is widely used in civil engineering. Since FBG senses both strain and temperature simultaneously, for accurate measurement of strain, temperature compensation for FBG strain sensors is indispensable. In this paper, based on the FBG’s strain and temperature sensing principles, the temperature compensation techniques for steel sleeve packaged FBG sensors are brought forward. And the experiment of concrete early-age shrinkage monitoring by dual FBG sensors is carried out to test the feasibility of the temperature compensation technique. 피복이없는 FBG 센서는내구성이매우약하기때문에 FBG 센서주위의피복이없이는, 많은변수가존재하는실제자연환경에서의정확한데이터수집이어렵다. Steel sleeve packaged FBG 변형률센서는토목공학에서널리사용되고있는센서중하나이다. 변형률과온도가동시에측정되는 FBG 센서의도입이후로, 변형률과온도의정확한보정은필수적인과정이되었다. 이논문에서는 FBG의변형률과온도의측정원리에기초하여 steel sleeve packaged FBG 센서의온도보정기술을도출하였다. 그리고두개의 FBG 센서를이용한콘크리트초기재령의건조수축실험을통해온도보정의실행가능성을확인하였다.

FBG 센서를 이용한 축소형 복합재 풍력 터빈 블레이드의 정적, 동적 구조 특성 시험

김상우,Pratik Shrestha,이인 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

본 연구에서는 복합재 풍력 터빈 블레이드(750kW 블레이드 1/23 스케일 축소 모델)의 정적, 동적 구조 특성 시험을 수행하였다. 정적 구조 시험에서는 준 정적 굽힘 시험을 진행하였고, 작은 변형을 받는 단순 보 가정을 적용하여 처짐량을 예측하였다. FBG 센서로부터 얻어진 처짐 결과를 레이저 변위센서 및 디지털 카메라로부터 얻은 결과와 비교하였으며, 비교적 일치된 결과를 확인하였다. 동적 구조 시험에서는 impact hammer 를 이용한 임펄스 가진 시험을 수행하였다. 이때, FBG 센서로부터 측정된 구조물의 공진 주파수를 LDV 로부터 획득한 결과와 비교하였으며, 약 6 % 이내의 오차가 발생함을 확인하였다. 이를 통해 실물 크기의 블레이드의 거동 예측을 위한 축소형 블레이드의 구조 특성을 실험적으로 확인하였다. 또한 본 연구에 사용된 FBG 센서는 스트레인 게이지와 같은 종래의 센서 시스템이 가지는 단점들을 극복하고, 축소형 풍력 터빈 블레이드 구조물의 정적, 그리고 동적 특성 시험에 매우 적합한 센서로서 사용될 수 있음을 확인하였다. In this study, static and dynamic tests of the 1/23 scaled model of the 750 kW composite wind turbine blades were performed by using the embedded FBG sensors. In static tests, the quasi-static bending tests were carried out. The deflections were evaluated from the strain data of FBG sensors with assumption of simple beam with small deflection. They were compared to those from the LDS and digital camera. All the results of deflections seemed to be good agreement. In dynamic test, impact hammer test were performed. The natural frequencies obtained from the FBG sensors were compared to those from the LDV, and they showed the results within 6.0% of errors. Thus, the structural characteristics of down scaled wind turbine blade were verified through experimental approaches to predict full scale structural behavior. Moreover, the embedded FBG sensors showed the good feasibility of measuring the structural performances of the down scaled composite wind turbine blade.

광섬유 격자 센서를 이용한 모르타르시편의 온도구배 및 열 변형 측정

임홍철 ( Rhim Hong-chul ),이은주 ( Lee Eun-joo ),전흥재 ( Chun Heung-jae ),박동녘 ( Park Dong-nyuck ) 한국구조물진단유지관리공학회 2003 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.7 No.3

FBG sensor의 다중 측정성을 이용하여 모르타르 시편의 열 변형률과 온도 변화를 동시에 측정하였다. 또한, 광섬유 격자 센서를 이용하여, 열 변화에 따른 모르타르 시편의 내부 온도 구배를 측정하였다. 열 변형률을 기존 strain gauge와 함께 측정하였을 때, strain gauge는 섭씨 60도 이상의 온도에서 오차를 보이는 반면, FBG 센서는 안정된 측정값을 나타냈다. FBG 온도 sensor로 측정한 온도 변화량은 thermocouple로 측정한 값과 비교하였으며, 선형적인 대응관계를 보였다. As concrete structures are heated, thermal strain can be developed. Because of the boundary conditions, the thermal stress may be arisen. Thermal strain and temperature were measured simultaneously using an optical fiber sensor. Fiber Bragg Grating Sensor(FBG sensor) was used in the measurement. Because it can measure the strains more than two points with one line, it was possible to measure both thermal strain and temperature with one line. To compare data measured by FBG sensor, strain and temperature were measured using strain gauge and thermocouple. The FBG sensor could measure the strain under the temperature greater than 60°C but strain gauge couldn’t. Both the FBG temperature sensor and thermocouple could measure the temperature and the results are related each other linearly.

광섬유 열 수축 슬리브를 활용한 FBG 굽힘 센서 개발

황성준(Sung Jun Hwang),김태희(Tae-Hee Kim),김대현(Dae-Hyun Kim) 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.4

단일 FBG 센서를 대신해 세 가닥의 FBG센서 광섬유 라인의 기하학적 조합을 통해 새로운 형태의 광섬유 굽힘 센서를 제안하였다. 그러나 새롭게 제안된 광섬유 굽힘 센서의 성능을 확보하기 위해서는 세 가닥의 FBG 센서 광섬유 라인을 원주 방향을 따라 서로 120도 간격으로 위치시켜야만 한다. 이러한 기하학적 구조를 만들기 위해 기존에는 섬세한 수작업을 통한 센서의 제작이 이뤄졌으나 오차 발생의 가능성이 높아 제작성이 매우 떨어진다. 따라서 본 논문에서는 기존 제작 방법의 어려움을 해결하고자 열 수축 슬리브를 이용한 새로운 제작 방법을 제안하였다. 또한 새롭게 제안한 열 수축 슬리브를 이용한 굽힘 센서와 기존의 방식으로 제작한 굽힘 센서를 각각 제작하고 두 가지 형태의 광섬유 굽힘 센서의 성능 분석을 비교하기 위해 외팔보 굽힘 실험을 수행하였다. 실험결과, 새롭게 제안한 열 수축 슬리브를 이용한 굽힘 센서의 성능이 보다 안정적임을 확인하였다. Instead of a single fiber Bragg grating (FBG) sensor, a new type of optical-fiber bending sensor was proposed through the geometrical combination of three strands of optical fiber lines of a fiber Bragg grating (FBG) sensor. The three strands of the FBG sensor optical fiber lines must be positioned at 120° intervals from one another in the circumferential direction to improve the performance of the proposed optical-fiber bending sensor. The sensor was manufactured through delicate manual work to fabricate the geometrical structure; however, the fabrication was very difficult because the possibility of error was high. Therefore, in this study, a new manufacturing method using a heat-shrink sleeve was developed to solve the problems of the conventional manufacturing method. In addition, a bending sensor was fabricated using a heat-shrink sleeve and a bending sensor manufactured based on the conventional method. Cantilever bending experimental tests were performed to compare the performance of the two types of optical-fiber bending sensors. It was confirmed that the performance of the bending sensor using the proposed heat-shrink sleeve was more stable.

가변 페브리-페로 필터와 FBG를 이용한 광세기 기반 자기기준 광섬유 센서

최상진,반재경,Choi, Sang-Jin,Pan, Jae-Kyung 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.49 No.11

본 논문에서는 자기기준 특성을 가지는 광세기 기반 광섬유 센서 구조를 제안하고 실험적으로 구현하여 성능을 제시한다. 제안하는 광섬유 센서는 광대역 광원(BLS), fiber Bragg grating (FBG), 가변 페브리-페로(Fabry-Perot) 필터, LabVIEW 프로그램으로 구성된다. 제안한 자기기준 광섬유 센서의 이론적인 해석을 통하여 측정 변수(X)와 보정 변수(${\beta}$)를 정의하고, 이를 바탕으로 전달함수(H)를 구한다. 또한 실험을 통하여 이론적인 해석의 타당성을 제시한다. 제안한 광섬유 센서 구조는 광대역 광원의 출력 광세기가 0 dB, 3 dB, 6 dB 감소해도 측정결과에 영향을 미치지 않는 자기기준 특성을 가진다. 또한 다른 특성의 FBG를 사용하여도 측정 가능하므로, 제안한 광섬유 센서 구조는 임의의 규격을 가진 FBG를 사용할 수 있다. 광원의 광세기가 감소하였을 때와 세 가지 다른 특성의 FBG 쌍을 이용하여 측정한 결과 이론적인 값과 잘 일치함을 보였다. 따라서 제안한 광섬유 센서는 자기기준 특성과 구성하는 FBG의 규격이 비교적 엄격하지 않아도 되는 장점을 가진다. In this paper, we have proposed and experimentally demonstrated an intensity-based self-referencing fiber optic sensor. The proposed fiber optic sensor consists of a broadband light source (BLS), fiber Bragg grating (FBG), tunable Fabry-Perot (F-P) filter, and LabVIEW program. We define the measurement parameter (X) and the calibration parameter (${\beta}$) to determine the transfer function(H) of the self-referencing fiber optic sensor, and the validity of the theoretical analysis is confirmed by experiments. The self-referencing characteristic for the proposed system has been validated by showing that the measurement parameter (X) is invariant for BLS optical power attenuations of 0 dB, 3 dB, and 6 dB. Also, the measured result is irrelevant to the FBGs with different characteristics. This means that the proposed fiber optic sensor offers the flexibility for determining the FBGs needed for implementation. Experimental results for the proposed fiber optic sensor are in good agreement with a theoretical analysis for BLS optical power attenuations and for three FBG pairs with different characteristics. So, the proposed fiber optic sensor has several benefits, including the self-referencing characteristic and the flexibility to determine the FBGs.

가변 페브리-페로 필터와 FBG를 이용한 광세기 기반 자기기준 광섬유 센서

최상진(Sang-Jin Choi),반재경(Jae-Kyung Pan) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.3

광섬유센서를 이용한 쓰레기 이송관로의 장기 계측시스템 구축을 위한 실험적 연구

김행배,송재호 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.4

Recently, the pipeline system for waste transportation has been increasingly constructed as new solution for the waste collection and disposal system by constantly increasing domestic waste which issued as social problem. The pipeline system is constructed through long distance, so proper long-term monitoring system is necessary which available to detect the damage location for the effective maintenance. In this paper, the experimental study is carried out to evaluate the applicability of optical strain gauge sensor based on FBG for the long-term monitoring system. Three test parameters such as pressure leaking, blockage and deformation are considered as typical damages for real-scale pipeline test specimen. In order to measure flexural and volumetric strain and temperature, three FBG sensors are installed at each monitoring sections. From the test results, this study suggested effective methods of sensor installation and arrangement. Also the sensor spacing for the design of monitoring system using FBG sensor is derived by the correlation of distances from deformation between sensor responses. 최근 지속적으로 증가하는 생활폐기물의 배출과 처리가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 새로운 폐기물의 수거 및 운반방식으로 쓰레기 이송관로시스템이 최근 부각되고 있다. 이러한 이송관로시스템은 긴 연장을 갖기 때문에 이송관로에 문제가 발생할 경우 즉각적으로 해당 위치를 파악하여 조치할 수 있는 적절한 장기계측시스템을 적용하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 FBG 광섬유 변형률 센서를 이용한 계측시스템의 적용성을 검토하고, 이를 이용한 최적의 계측시스템을 도출할 수 있는 자료를 확보하기 위한 실험적 연구로서, 이송관로에 발생할 수 있는 대표적인 손상유형으로 압력누출, 관로변형 및 관로폐색의 3가지 현상을 실제규모의 모형 이송관로실험체에 모사한 후 관로에 설치된 FBG센서로부터 응답을 측정하였다. 실험결과를 바탕으로 실험변수로 적용한 각각의 손상유형에 따른 효과적인 센서설치 방법과 배치방법을 도출하였다. 특히 관로변형실험 결과는 변형발생지점으로부터의 센서와의 거리에 따른 응답 상관관계를 통해 센서배치간격을 산출하여 FBG센서를 이용한 계측설계를 수행하였다.