This research focuses on the development of the shape estimation technique for the rotating structure using distributed fiber Bragg grating (FBG) sensors. The FBG sensors with the optical rotary joint showed the sufficient strain measurement uncertainty for the shape estimation of the rotating structure. The modal approach considering the locations and directions of the strain sensors was investigated in order to formulate the displacement-strain relation of the real structures using finite element method (FEM) model. For the enhancement of the construction process of displacement-strain transformation (DST) matrix, the process based on the observability grammian of modal state-space model was suggested for the selections of relevant modes and sensor locations. The operational modal analysis (OMA) was introduced to the construction of DST matrix in order to overcome the uncertainties in environments, structure modeling, operation conditions, and sensor status during the operation. An acryl beam equipped with four FBG sensors was prepared and shape estimation tests were performed with varying rotating speeds. The four FBG sensors provided reliable strain data even for very large strains cases with minimal mechanical loadings. From the results, it was shown that strain based shape estimation using FBG sensors showed good performance in estimating the rotating beam deflection. Also, the shape estimation of the real wind turbine blade was demonstrated with proposed selection process of the modes and sensor locations and with the OMA approach. From the detail FEM model, selection of the relevant modes was performed and the sensor locations were decided by applying both condition number minimization approach and strain observability approach. The blade shapes were estimated for the snap-back, pseudo-random and sine sweep loading conditions using the strain data from embedded FBG sensors and three kinds of DST matrices, “FEM only”, “OMA only” and “OMA-FEM” which were the DST matrices obtained from the FEM model, OMA results and calibration of OMA results with FEM model, respectively. From the results, the shape estimation of the wind turbine blade was successfully accomplished. The “FEM only” DST matrix showed best performance because the detail FEM model was available in these tests. Also, the OMA based shape estimation results showed still very good agreement, demonstrating the potential of the OMA based shape estimation for the real structure using FBG sensors.
최근 들어 다양한 분야에서 구조물의 형상 예측 기술의 필요가 제기되고 있다. 특히 시스템의 성능이 구조물의 형상 변형에 의한 공기력 변화로 인해, 직접적으로 영향을 받는 헬리콥터의 로터, 풍력 발전기 날개 등과 같은 회전 구조물에서 그 필요성은 더욱 부각된다. 변형률은 구조물의 가장 대표적인 기계적 물리량으로 구조물에 직접 장착된 센서로부터 획득 가능하다. 따라서 본 연구에서 구조물의 변형률을 기반으로 한 회전 구조물의 변형 예측 기법을 개발하였다. 회전 구조물의 변형률을 효과적으로 획득하기 위하여, 전기장의 영향을 적게 받으며, 동시 다점 측정이 가능하며, 특히 광 로터리 조인트를 통하여 손쉽게 신호를 전달할 수 있는 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하였다. 광섬유 브래그 격자 센서와 광 로터리 조인트를 사용하였을 때 변형률 불확도 평가를 수행하여, 이들이 회전 구조물의 형상 예측에 충분한 정확도를 가지고 있음을 확인하였다. 모달 접근법을 개선하여, 복잡한 형상을 가진 구조물의 변형-변형률 변환 행렬을 유한 요소 모델을 이용하여 획득하는 방법을 정리하였다. 그리고 가관측성 개념을 기반하여, 유효 모드 및 센서 위치를 선정하는 과정을 제시하였다. 또한 운용 중 구조물의 불확실성을 극복할 수 있는, 작동 중 모달해석 기법을 사용한 변형-변형률 변환 행렬 획득 방법을 제안하였다. 일련의 실험을 통하여 앞서 제시한 변형률 기반 회전 구조물의 변형 예측 기법을 검증하였다. 먼저, 4개의 광섬유 브래그 격자 센서가 부착된 보의 회전 속도를 변화시켜가면서, 형상 예측을 수행하였다. 광 로터리 조인트와 결합된 광섬유 브래그 격자 센서는 효과적으로 변형률을 측정할 수 있었으며, 이 변형률을 이용하여 예측된 보의 형상 또한 매우 정확하였다. 이를 통해 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 효과적으로 회전 구조물의 변형 예측이 가능함을 확인할 수 있었다. 그리고 본 연구에서 제안된 모달 접근법, 유효 모드 및 센서 위치 선정 기법, 작동 중 모달해석 기법을 사용한 변형-변형률 변환 행렬 획득 방법을 실제 풍력 발전기 날개에 적용, 형상 예측 실험을 수행하였다. 정교한 유한 요소 모델로부터 결정한 센서 위치에 놓인 9개의 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여, 여러 종류의 동적 하중 조건에 대해 매우 정확한 형상 예측이 수행됨을 확인하였다. 또한 작동 중 모달해석 기법을 사용한 변형-변형률 변환 행렬을 통해서도 풍력 발전기 날개의 형상 예측이 효과적으로 수행됨을 확인하였고, 이를 통해 실제 회전 구조물에의 본 기술의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 분포형 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 실시간으로 작동 중인 회전 구조물의 변형을 매우 정확하게 예측할 수 있었으며, 추후 실제 헬리콥터 로터나 풍력 발전기 날개 등에 적용할 수 있을 거라 판단된다.
