Fiber Bragg grating (FBG) sensors based on the wavelength division multiplexing technology are ideally suitable for structural health monitoring. In many applications, FBG sensors are widely applied to composite materials through embedding or surface attachments. However, FBG sensors have some problems on signal characteristics, especially peak splits, when they are embedded into composites, and this considerably restricts the application fields and scopes of FBG sensors. For this reason, the signal characteristics of FBG sensors when embedded into composites must be investigated and the related problems also must be solved for more stable and broad applications. In this paper, a new fabrication of FBG sensors with signal stability was developed and the signal characteristics were verified when they were embedded into structures, especially composite structures. For the purpose, the peak signals of FBG sensors were investigated when FBG sensors were influenced by the birefringence or strain gradients. In order to prevent the peak signals of FBG sensors from splitting, the protections of sensor heads such as recoating and protection with a glass capillary tube were introduced and their limitations were investigated. A new fabrication process of FBG sensors was developed using a reflection prism with special coatings on the surface. The signal characteristics of new FBG sensors were investigated and the performance was verified through a comparison with the previous sensors under the birefringence and strain gradients. Furthermore, the correlation between strain gradients and the peak signals of FBG sensors was studied quantitatively. In addition, mechanical strength characteristics of FBG sensors were investigated as the reflectivity and grating lengths changed. The effects of jacket stripping methods on the mechanical strength were also examined. Finally, FBG sensors were embedded into filament wound pressure tanks during the fabrication process and the techniques for higher survivability were suggested. Through water pressurizing tests, the signal stability of FBG sensors, which were developed in this study, was verified
최근, 스마트 구조물에 대한 관심이 증가하면서 그 감지계로서 광섬유 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 광섬유 브래그 격자 (FBG) 센서는 절대 변위 측정이 가능하고 다중화가 용이하다는 큰 장점으로 인해 그 적용 영역이 점차 확대되고 있다.
이전 FBG 센서의 복합재료 적용 연구는 내부에 삽입이 가능하다는 큰 장점에도 불구하고 지금까지 주로 구조물의 표면에 부착을 통해 적용되었다. FBG 센서가 복합재료 내부에 삽입 적용될 경우 복합재료의 강화 섬유에 의해 복굴절 현상이 발생할 수 있어 삽입 적용을 할 경우에도 삽입 방향이 강화 섬유와 평행한 방향으로 제한되어 있었다. 뿐만 아니라, 구조물의 기하학적인 형태나 구조물의 손상 등으로 인해 구조물에 발생한 변형률 구배 또한 FBG 센서 신호의 피크 갈라짐을 유발하게 된다. FBG 센서는 센서 피크 신호의 이동을 감지하는 복조기법을 가지고 있으므로 이러한 피크 갈라짐은 곧 변형률 측정 시 오차로 작용하게 된다. 위와 같은 문제점들로 인해 그 동안 FBG 센서의 사용 영역이 주로 시편 단위로 크게 제한되어 왔으며 변형률 또한 낮은 영역에서 연구가 수행된 경우가 많았다. 그러므로, 광섬유 센서의 장점을 살린 삽입 적용을 위해서는 FBG 센서의 신호 특성에 대한 연구가 먼저 선행되어야 하며 이를 통해 신호 안정성의 확보가 전제되어야 한다.
본 논문에서는 신호 안정성을 고려한 광섬유 브래그 격자 센서의 제작 기법을 소개하고 실험을 통해 성능을 검증하였다. 이를 위해 다음과 같은 연구들을 수행하였다.
첫째, FBG 센서의 피크 갈라짐을 유발하는 두 가지 영향, 복굴절과 내부 변형률 구배,에 대한 FBG 센서의 신호 특성을 알아봄으로써 FBG 센서의 피크 갈라짐 현상을 확인하였다.
둘째, FBG 센서의 피크 갈라짐을 유발하는 두 가지 영향을 줄이기 위한 기존의 방법으로 리코팅과 유리 모세관을 이용하는 방법들을 소개하였고, 이러한 방법이 적용되었을 경우 FBG 센서가 나타내는 신호 특성을 확인하였다.
셋째, 기존의 방법들이 갖는 단점들을 분석하였고, 이를 통해 보다 근본적인 해결 방안으로 FBG 센서의 격자 길이를 조절하는 방법을 제안하고 반사 프리즘을 이용한 제작 기법을 제시하였다.
넷째, FBG 센서에 복굴절이나 변형률 구배가 발생할 경우 새롭게 제작된 FBG 센서가 나타내는 신호 특성을 기존의 방식으로 제작된 FBG 센서와 비교, 검증하였다. 특히, 변형률 구배와 FBG 센서의 신호와의 관계를 정량적으로 분석하여 FBG 센서의 적절한 사용영역을 제시하였다.
다섯째, FBG 센서의 제작 과정, 반사율, 격자 길이가 센서의 강도에 미치는 영향을 확인하였으며 이를 통해 높은 강도를 갖는 FBG 센서 제작을 위한 기준을 제시하였다.
마지막으로, 필라멘트 와인딩 된 복합재 압력탱크에 대한 FBG 센서의 삽입 적용을 수행하였다. 이를 통해 실제 구조물에 삽입 적용 시 발생하는 여러 문제점들을 분석하고 해결책을 제시하였다. 또한, 수압시험을 수행함으로써 본 논문에서 새롭게 제시하여 제작한 FBG 센서의 실제 구조물에의 적용 가능성을 확인하였다.
