A gold-deposited EFPI (G-EFPI) sensor was developed in order to measure the dynamic strain of composites and to improve the sensitivity for detecting ultrasonic waves. Since stabilization of the sensitivity is very important to improve the performance of the sensor system for the detection of ultrasonic wave, a phase-stabilization controlling sensor system was thus developed as well. The phase-stabilization controlling sensor system was composed of an EDFA (erbium-doped fiber amplifier) source, a fiber Fabry-Perot (F-P) tunable filter and a control-circuit board. The control-circuit board controlled the F-P tunable filter to lock the sensitivity at the quadrature-point where the sensitivity reaches to the maximum value. In addition, a multi-parameter sensing system was developed using a WDM to measure the strain and AE signals simultaneously. Using the aforementioned sensor and system, the damage evaluation of composites was successfully conducted. The characteristics between matrix cracks and delamination were investigated though the spectrum analyses of AE signals detected by G-EFPI during the fracture test of composites. We also evaluated successfully the status of the damaged composites through the investigation of AE rate in an accumulated AE graph. Moreover, the strain and the AE signal could be measured simultaneously by the multi-parameter sensing system. Finally, the directivity of FOS (fiber optic sensor) was investigated, regarding on the directivity as a special property of the FOS. Inherently, FOS has the directivity to be aware of ultrasonic waves because the geometric figure is like the shape of a string; that is, the amplitude of the detected ultrasonic wave is dependent on the direction of the propagation of the wave. Therefore, the directivity should be investigated for the exact analysis of the ultrasonic wave detected by FOS. In this thesis, the directivity of G-EFPI sensor was investigated performing two analyses - theoretical and experimental. From the theoretical and experimental results, it was seen that when the G-EFPI sensor was set as paralleled to the propagation direction of wave, it turned out to be the most sensitive; otherwise, the sensitivity decreased as a cosine function as the aligned angle increased. Consequently, the integrated EFPI sensor system was successfully developed manufacturing the gold-deposited sensor head and the stabilization controlling sensor system as well as conducting the evaluation of the directivity of FOS.
EFPI 센서 시스템을 이용해 복합재료의 손상을 성공적으로 검출하기 위해서는 정현파 형태의 출력 신호 특성으로 인한 동적 변형률 측정의 어려움을 해결해야 한다. 또한 복합재료 파손 신호와 같은 미세 초음파 신호의 측정이 안정적으로 되기 위해서는 센서의 민감도를 향상시켜야 하며 동시에 센서 출력 신호의 선형성을 보장해야 한다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 일반 EFPI 센서의 두 번째 반사면을 금으로 증착 처리한 금 증착 EFPI (G-EFPI) 센서를 개발하였다. 본 센서는 두 반사면 사이를 통과하는 빛의 양을 크게 하여 공기 층을 통과하면서 발생하는 손실량이 상대적으로 크게 발생할 수 있도록 하였다. 따라서 손실량의 증감을 측정함으로써 변형량의 방향을 판단할 수 있게 된다. 또한 G-EFPI 센서의 경우, 미세 신호 취득에 대한 민감도가 기존 센서 시스템과 비교해 최대 4배 향상 되었음을 실험을 통해 검증하였다. 그리고 향상된 민감도를 일정하게 유지시키고 센서 출력 신호의 선형성을 보장하기 위해 안정화 센서 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 센서 간극의 변화에 따른 위상 변화를 광원의 파장 이동을 통해 보상하도록 하였다. 또한 보상 속도를 조절함으로써 초음파 신호와 같은 고주파 신호가 취득될 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 이를 구현시키기 위해 광대역 광원인 EDFA를 광원으로 사용하였고, 센서로 입력되는 광원의 파장을 변화 시켜주기 위해 Fabry-Perot 가변 필터를 사용하였다. 그리고 간극 변화에 따른 위상 변화를 실시간으로 보상해 주기 위해 제어부를 별도로 제작하여 Fabry-Perot 가변 필터를 제어하도록 설계하였다. 따라서 G-EFPI 센서의 민감도를 최대 민감도 지점인 쿼드러처 지점 (quadrature point)에 고정시킬 수 있도록 하였다.
개발된 센서와 안정화 시스템을 이용해 복합재료의 파손 실험 시 발생한 음향파 신호를 성공적으로 취득하였고, 취득 된 신호의 short-time Fourier transformation (STFT) 결과를 이용해 복합재료의 모재균열과 층간분리 시 신호특성을 파악하였다. 실험 결과, 모재균열 시 발생하는 음향파는 extensional mode가 강하게 나타나는 반면, 층간 분리 시 발생하는 음향파의 경우 flexural mode가 상대적으로 강하게 나타나는 특성을 알아냈다. 이를 바탕으로 복합재료의 여러 파손 모드를 구별하기 위해 광섬유 센서로 측정한 음향파의 신호분석 결과가 유용함을 확인할 수 있었다. 또한 안정화 시스템을 이용해 신호 숨김 문제점 (fade-out problem)을 해결함으로써, 신뢰성 높은 음향파 방출 정도 (AE rate)를 측정할 수 있었다. 실험 결과, 음향파 방출 정도를 측정함으로써 복합재 시편의 모재균열 포화도 및 균열의 진전 정도를 예측할 수 있었다. 그리고 파장분할장치 (WDM, wavelength division multiplexer)를 이용해 다중 물리량 동시 측정 시스템을 개발하였고 이를 이용해 복합재료의 변형률과 파손 신호를 하나의 G-EFPI 센서로 동시에 측정하였다.
마지막으로 초음파 측정에 대한 광섬유 센서의 방향성을 해석적 접근법과 실험적 접근법을 이용해 평가하였다. 해석적 접근이 가능하도록 압전재료에 의해 발생할 수 있는 변형률 분포를 제안하였다. 그리고 제안된 변형률 분포 공간상에 부착된 광섬유 센서의 출력 신호를 예측할 수 있는 해석적 모델을 제안하였다. 또한 제안된 모델을 이용해 초음파의 진행 방향과 광섬유 센서의 부착 각도 차이에 따른 센서의 민감도 변화를 해석하였다. 또한 해석 결과의 검증과 보다 정확한 센서의 방향성 평가를 위해 알루미늄 평판에 G-EFPI 센서와 압전세라믹 작동기를 부착해 실험을 수행하였다. 실험과 해석 결과 모두, 센서의 부착 각도가 초음파의 진행 방향과 평행할 때 최대의 민감도를 갖게 됨을 확인할 수 있었다. 또한 해석결과와 실험결과를 비교함으로써 해석 모델의 정확도를 평가하였다.
최종적으로 G-EFPI 센서부 개발, 민감도 안정화 장치의 개발, 그리고 센서의 방향성 평가를 바탕으로 복합재료 손상 검출을 위한 보다 안정적이고 정확한 EFPI 센서 시스템의 개발을 완성할 수 있었다.
