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가속도계 적용을 위한 반사형 격자판-광섬유 센서 시스템의 특성 = Characteristics of a novel reflective grated panel-optical fiber sensor system for accelerometers
서명 / 저자 가속도계 적용을 위한 반사형 격자판-광섬유 센서 시스템의 특성 = Characteristics of a novel reflective grated panel-optical fiber sensor system for accelerometers / 이연관.
저자명 이연관 ; Lee, Yeon-Gwan
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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It is well known that optical fiber sensors have many merits. Especially, the immunity to electromagnetic interference(EMI) makes it suitable for the sensor to be used in electronic environments. In order to inspect the reliability of a structure, it is important to know the dynamic characteristics of the structure. An accelerometer associated with optical fiber makes it easy to do the real-time structural health monitoring in high electromagnetic environments. This paper describes an optimal design of a novel fiber optic accelerometer using one grating panel to monitor civil engineering structures. The fiber optic sensor design was optimized to have best sensitivity to motion of the reflective grating using two optical fibers in quadrature. The reflected optical signal of the sensor is influenced by the reflective grating pattern, optical fiber dimensions and optical fiber - grating distance. In this paper, several simulations and experiments were carried out to estimate the characteristics of the output signals according to the grating pattern and the distance between the optical fiber and the grating for a fixed fiber core diameter. Based on the results of the simulations and the experiments, the optimum design of the grating-pattern is determined to obtain a stable and periodic sine wave as the output signal. Furthermore, it was demonstrated that the output signals reflected by one grating panel could be used for the final parameter-measurement.

본 연구에서는 격자판을 이용한 반사형 광섬유 가속도 센서의 설계 및 제작을 위해 격자 판의 격자 패턴과 광학적 신호의 특성을 알아내고자 한다. 따라서 격자판 설계 인자에 따른 다양한 컴퓨터 시뮬레이션과 이에 대한 비교 검증 실험을 수행하였으며, 최종적으로 격자판 설계 인자들이 반사형 광섬유 센서 시스템에 미치는 영향들을 분석하였다. 그 결과, 광원 크기의 38.5 % 이상의 격자폭을 설계하게 되면 안정적인 정현파의 신호를 얻을 수 있으며, 이때 격자폭과 격자간격이 1:1인 경우에는 격자폭이 커질수록 진폭이 커진다. 또한, 격자폭이 광원의 직경과 같을 때 가장 높은 해상도를 보이며, 40 %이상의 격자폭에서는 ratio가 0.8~1.2인 범위에서도 비교적 선형적이고 안정적인 신호를 얻을 수 있다. 변조 광을 만들어내는 격자판의 제작에 있어서는 크게 wet method를 이용해 두 번의 제작과정을 거쳤으며 금속의 증착 두께를 최소로 하고 mask로 유리 마스크를 사용한다면 오차를 최소화 할 수 있으나 wet method로 격자판을 제작하게 될 시에는 격자폭과 격자간격에 있어서 다소 오차가 발생할 수 밖에 없다. 따라서 이러한 오차의 영향을 최소화 하려면 40 %이상의 격자폭을 갖는 격자판을 제작하여야 하고 이때 negative PR을 사용하여 격자폭이 격자간격보다 크게 제작하는 것이 보다 좋은 해상도를 얻을 수 있을 것이다. 실제, 제작되어진 40, 67.5, 90, 101 $\mu m$정도의 격자폭을 갖는 격자판에서는 2 % 이하의 오차를 갖는 정현파의 신호를 얻었다. 또한, 본 센서를 설계하기 이전에 중요한 설계변수로 유효한 광원의 크기에 대한 기준과 크기를 알아야 한다. 2 % 정도의 오차로 Gaussian 분포에 부합되는 다중 모드 광섬유에 collimator를 달아 센서로 사용한 본 연구에서는 광원의 크기에 대한 여섯 정의 중에서 $1/e^2$ 의 기준을 따른 다는 것을 알 수 있었다. 따라서 격자판을 설계하기 이전에 어떤 종류의 광섬유를 사용하느냐에 따라 약간의 차이는 있을 수 있지만, $1/e^2$ 의 기준에 의거해 광원의 크기를 알고 설계를 해야 한다. 마지막으로 본 연구에서 분석한 격자판을 이용한 반사형 광섬유 센서 시스템의 특성을 바탕으로 낮은 고유진동수를 갖는 매우 큰 기간 토목 구조물의 모니터링을 위해 가속도계로 응용하고자 하였으며, calibration을 통한 사용 가능성을 확인 할 수 있었다. 또한, 센서내부의 질량을 줄이거나 스프링상수를 늘린다면 동적 구간이 늘어나 보다 다양한 구조물에 적용 가능할 것으로 기대된다.

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청구기호 {MAE 09006
형태사항 ix, 116 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Yeon-Gwan Lee
지도교수의 한글표기 : 김천곤
지도교수의 영문표기 : Chun-Gon Kim
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 114-116
주제 grating panel;optical fiber sensor;accelerometer;reflective;strutural health monitoring
격자판;광섬유 센서;가속도계;반사;구조 건전성 모니터링
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