Development and application of displacement-strain based integrated fiber optic sensor system for multiplexing and multi-parameter measurement in structural health monitoring = 구조 건전성 모니터링을 위한 변위-변형률 기반의 다점 및 다변수 측정 광섬유 센서 통합 시스템 개발과 응용
서명 / 저자 Development and application of displacement-strain based integrated fiber optic sensor system for multiplexing and multi-parameter measurement in structural health monitoring = 구조 건전성 모니터링을 위한 변위-변형률 기반의 다점 및 다변수 측정 광섬유 센서 통합 시스템 개발과 응용 / Yeon-Gwan Lee.
저자명 Lee, Yeon-Gwan ; 이연관
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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DAE 13008







Civil engineering structure health and usage monitoring systems (HUMS) are being developed to pre-vent unexpected accidents and to replace conventional maintenance services. In order to perform HUMS successfully in real applications, various sensors are installed at critical points of large size structures to moni-tor and diagnose the conditions of the structures. However, there are some disadvantages for the conven-tional electric-based sensors such as the addition of mass, wiring problems, and EMI (electromagnetic inter-ference). Thus, optical fiber-based sensors are being studied to overcome such existing problems of the conven-tional electric-based sensors. However, although the conventional optical fiber-based sensing systems are suitable for multiplexing, it presents still difficulties in performing multi-parameter measurements simultane-ously with multiplexing. Moreover, with the lack of an integrated system for multi-parameter measurement, various kinds of equipment are necessary, hence resulting in the critical problem of added weight to the struc-tures. To guarantee the accuracy and reliability of HUMSs in real applications, strain-displacement based multiplexing and multi-parameter measurements using integrated optical sensor systems are presented and developed in this study. First of all, two novel sensor principles are presented in order to resolve limitations in installation and complex cabling problems of the conventional transmission type grating based fiber optic sensors. The first sensor principle was realized using a reflective grating panel after investigation of the sensor signal characteristics according to the grating panel pattern. Based on the first sensor principle, a fiber optic accelerometer prototype was fabricated and investigated. Furthermore, in order to realize the proposed sensor principle as an accelerometer, a single degree of freedom system is developed. The appropriate leaf spring pattern is investigated for high sensitivity and large linear motion range without rotation and lateral motion of the seismic mass through a static and dynamic analysis of the single degree of freedom system using the commercial software, ABAQUS 6.7. Then, the second sensor principle which is an expanded version of the first principle was considered for industrial applications with a stable signal acquisition. An optical fiber-based displacement sensor was developed, which is superior to commercial displacement sensors in terms of large extendable measurement range while maintaining equally high sensitivity, linearity, and accuracy. Furthermore, a fiber optic incli-nometer prototype was fabricated and verified. Next, two kinds of fiber optic accelerometers for use at room temperature and high temperature, respectively, were developed. The high temperature endurable accelerometer can withstand high temperatures up to 130°C and possesses high sensitivity for high temperature areas. In addition, the fiber optic inclinometer was fabricated with a small size and light weight in comparison with previously researched fiber optic incli-nometers. The proposed fiber optic inclinometer, which achieves a full scale measurement range from -90° to 90°, simple structure, simple detection principle, and high sensitivity, measured the gravity-referenced static acceleration. Thus, the proposed two sensor principles resolved difficulties in corner installations and complex cabling problems in multipoint sensing due to the 50% simplified cabling by employing collimated optical fibers as transceivers, which allow the fibers to be placed on only one side of the sensor case. This is research regarding displacement based fiber optic sensors for multi-parameter measurement. In order to measure in various points simultaneously using such developed fiber optic sensors, a multi-plex measurement optical system model using wavelength division method is proposed and 4 optical division modules were fabricated. Furthermore, an integrated optical fiber system which can operate optical sensors of 2 different mechanisms with a single light source is proposed. In other words, an optical system was to be designed where the wavelength variation-based fiber Bragg grating sensor can be utilized simultaneously with the developed grating-based sensors in order to achieve the inherent advantages of FBG usage with strain measurement. This contributes the integration of two different extrinsic and intrinsic fiber optic sensors. Therefore, the integrated optical sensing system suggested in this paper can measure multiple parameters such as strain, displacement, slope, and acceleration with a single optical source. In order to verify the applicability of the integrated optical fiber sensor system, a secondary plumbing pipe structure was selected as the application subject. This research provides possibility of simultaneous mul-ti-parameter measurements with multiplexing through comprehensive sensor signal acquisition for SHM un-der an integrated fiber optic system. Furthermore, for effective impact monitoring on the cylindrical structure, impact source localization was studied using 6 multiplexed FBG sensors in one optical fiber line according to the sensor array and number of used sensors on the pipe structure. With this integrated optical sensing system, it is possible to measure strains of six points with a high sampling rate of 100 kHz as well as displacements and accelerations at four points simultaneously. Therefore, the results of this study can contribute to quantitative determination of the current structural condition based on the multi-point and multi-parameter measurable integrated optical fiber sensor system presented in this paper. Also, effective maintenance schedules can be established using accumulated acquired data. Thus, this research can enhance the possibility of applying SHM techniques to real civil engineering structures. Then, it is expected that these results will contribute to improving the reliability and safety of various structures.

구조물의 붕괴를 미연에 방지하고 기존의 유지 보수 및 관리 시스템을 효율적으로 대체하기 위해 구조물의 주요 부위에 다양한 센서를 부착하고 그들의 상태를 감시/진단하는 구조물 안전진단시스템(HUMS, Health and Usage Monitoring System)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 전자기적 센서 시스템은 크고 복잡한 구조물의 다점-다변수 측정에 있어서 무게 증가, 복잡한 배선 문제 및 전자기적 간섭 등의 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 보완하기 위해 여러 장점을 가진 광섬유 기반의 센서 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 광섬유 센서 시스템은 다점 측정에 유리하지만 여전히 다변수 측정에 있어 여러 문제점을 드러내고 있다. 또한 다변수 측정 시 통합 시스템의 부재로 인하여 많은 장비가 필요하게 됨에 따라 구조물의 무게 증가라는 치명적인 문제점을 초래한다. 따라서 기존의 센서 시스템을 효율적으로 대체하고 보다 정확하고 신뢰성 있는 데이터 확보 및 구조물 안전진단시스템 운용을 위한 다점-다변수 측정 통합 시스템 개발이 반드시 필요하다. 이를 위한 첫 번째 단계로 원천 기술 확보를 목표로 기본적인 변위 물리량을 측정할 수 있는 두 가지 새로운 센서 원리를 제안하였다. 이는 기존의 투과 신호의 변조광을 이용하는 격자판 광섬유 센서의 복잡한 구조와 배선 문제 등을 해결하기 위해 제안되어진 것으로 반사형 격자판을 이용한 광섬유 센서와 반사형 거울-투과 격자판을 이용한 광섬유 센서가 그것이다. 두 가지 원리 모두는 기본적으로 반사를 이용하는 것이며, 변조되는 광신호를 격자판이 만들어준다는 것이다. 우선, 이들의 센서 원리를 검증하기 위해 격자 판의 격자 패턴과 광학적 신호의 특성을 알아내고자 격자 판 설계 인자에 따른 다양한 컴퓨터 시뮬레이션과 이에 대한 비교 검증 실험을 수행하였으며, 최종적으로 격자 판 설계 인자들이 반사형 광섬유 센서 시스템에 미치는 영향들을 분석하였다. 이를 통해 보다 다양한 격자판 패턴에 대한 깊이 있는 파라미터(parameter) 연구가 가능하였고 안정적인 정현파 센서 신호를 취득하는 조건을 찾아낼 수 있었다. 이렇게 검증된 센서의 원리를 가속도나 경사와 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서 시작품으로의 개발을 위해서는 단자유도 시스템이 필요하게 된다. 단자유도 시스템의 움직임에 의해 반사 신호가 취득되는 센서의 성능은 지진계에서의 측면 움직임이나 회전이 없는 완벽한 선형성에 의해 결정되어진다. 따라서 앞서 제안한 센서 측정원리의 가속도계로서의 구현을 위해 유한 요소해석을 통한 박판 스프링의 패턴 최적화를 수행하였으며, 정적 및 동적 해석을 통해 제작되어질 센서 탐촉자에 대한 성능 예측을 수행하였다. 이를 바탕으로 최적의 디자인을 선정하였으며, 제작되어진 시작품에 대한 구조적인 특성 분석을 실험적으로 비교 분석하였다. 이렇게 개발되어진 단자유도 시스템을 활용하여 가속도계 시작품을 제작하고 고성능의 상용 가속도계와 비교 검증하여 정량적인 성능평가를 수행하였다. 제작되어진 가속도계의 경우, 86.52 rad/[G]의 민감도로 4Hz 이하의 주파수 범위에 대해 가속도를 측정할 수 있다. 하지만, 반사 격자판을 이용하여 제안한 첫 번째 측정원리의 경우, 경사계와 같이 다른 물리량 측정을 위한 센서로의 구현에 있어서 한계점이 발견되었다. 따라서 사용자의 편의성을 고려하면서도 실제 불안정한 현장의 큰 구조물에 효율적으로 적용이 가능한 첫 번째 센서 측정원리보다 진보된 두 번째 측정 원리를 제안하였다. 두 번째 측정원리에 대한 신호 특성을 여러 파라미터를 고려하여 검증하고 실제 현장 적용에 있어서 적은 공간을 차지하면서 장착할 수 있는 시작품을 제작하고자 하였다. 검증된 두 번째 측정원리를 바탕으로 광섬유 변위계, 가속도계, 경사계로의 시작품을 제작하였다. 이들 모든 센서에 대해 각각에 맞는 상용센서들과의 비교를 통한 정량적인 성능평가를 수행하였으며, 이들의 우수성을 검증하였다. 이러한 원리로 제작된 광섬유 변위계는 상용 변위계에 견주어 성능과 크기 면에서 우수하며 격자판의 길이만 무한하다면 이론적으로 무한대의 변위 길이를 같은 민감도와 정확도, 분해능을 가지고 측정이 가능하다는 뛰어난 장점을 가지고 있다. 광섬유 가속도계의 경우, 60ºC 이하의 온도범위에서 4 Hz이하의 주파수 범위에서 5% 이하의 오차를 가지고 5.06 rad/(m/s2)의 민감도로 가속도 값을 측정 할 수 있었다. 광섬유 경사계의 경우, -90º에서 +90º의 전체 구간의 기울어짐에서 0.96º의 절대 측정 에러를 가지고 측정 할 수 있음을 검증하였다. 이러한 측정 한도 및 민감도는 센서 내부의 1자유도 시스템의 질량과 스프링강성에 의한 고유 진동수, 격자 주기, 격자판 길이, 초기 반사광의 위치에 의해 결정이 되어지므로 이를 조정함으로써 보다 성능이 우수한 시작품을 만들 수 있다. 또한, 확장 연구로서 발전소와 같이 고온의 환경에도 적용가능 하도록 현재 개발이 전무한 130ºC에 견디는 높은 민감도의 고온용 광섬유 가속도계 시작품을 제작하였다. 이는 5.1 Hz 이하의 주파수 범위에서 10%의 측정 오차를 가지며 5.68 rad/(m/s2) 의 민감도로 가속도를 측정할 수 있다. 다음으로 앞서 새롭게 제안된 측정원리로부터 구현된 다변수 측정 센서들을 동시에 다점에서 측정하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 다점 측정을 위한 광분기 모듈을 설계 및 제작하였으며 이들의 성능을 평가하였다. 이 밖에 이러한 다변수 측정 센서와 더불어 음향 신호 검출을 통한 충격위치 및 손상 유무를 판별 할 수 있는 FBG 센서를 통합하여 사용할 수 있는 배선이 단순하고 하나의 광원만을 사용하는 광 분기 통합 시스템을 제안하고 제작하였다. 이를 통해 본 논문에서 제시한 광섬유 통합 시스템은 변형률, 변위, 경사, 가속도 등의 물리량들을 하나의 광원으로부터 모두 취득할 수 있게 되었다. 즉, 6개의 지점에서 FBG 센서를 활용하여 동시에 100 kHz의 고속 샘플링으로 변형률 데이터 측정이 가능하며, 동시에 4 지점에서의 본 연구에서 제안한 센서 원리로부터 구현된 변위 및 가속도 등의 다변수의 물리량을 측정하는 획기적인 광섬유 통합 광학 시스템이 구축되었다. 마지막으로, 이를 실제 발전소 등지에서 쓰이는 2차 배관용 파이프 구조물에 적용하여 구조 건전성 모니터링을 수행하였다. 우선, FBG 센서를 이용해 다중화된 FBG 센서의 2차원적 및 1차원적 배열과 개수를 조절하면서 파이프 구조물에 가해질 수 있는 공구 낙하 등의 충격위치를 찾아내는 연구를 수행하였다. 1개 혹은 2개의 1차 배열의 FBG 센서로부터 31.12 mm 의 최대 충격위치 추정 오차를 가지면서 추정함을 확인할 수 있었다. 이로써 전체 광섬유 광학 통합 시스템의 신뢰성을 검증하였으며, 큰 구조물에 충격이 가해졌을 때의 변형률, 충격위치, 가속도, 변위 등의 측정이 하나의 광섬유 라인과 하나의 광원만을 사용하여 성공적으로 구조건전성 모니터링이 가능함을 검증하였다. 이와 같이 기존의 전기형 기반 센서 및 광섬유 센서가 보여주는 단점을 효과적으로 극복할 수 있는 다점-다변수 광 센서 시스템을 구축하였으며, 이는 대형 구조물의 안전진단시스템을 수행하는데 있어 보다 높은 정확도와 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다. 또한 본 방법을 통해 구축된 측정 시스템의 데이터 축척 및 분석을 통해 기존의 많은 인력과 비용이 소요되는 구조물의 주기 검사 정비 체계를 벗어나 상태 기반 정비(condition-based inspection) 체계를 구축함으로써 보다 적은 인력과 비용으로도 효과적인 정비 작업을 수행할 수 있으리라 여겨진다.


청구기호 {DAE 13008
형태사항 ix, 175 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이연관
지도교수의 영문표기 : Chun-Gon Kim
지도교수의 한글표기 : 김천곤
수록잡지명 : "Design of Patterned Leaf Spring for Sensor-Probe with Stable Reflectivity and High Sensitivity". Sensors and Actuator Physical A, v.176, pp.19-26(2012)
수록잡지명 : "Development of a Mirror Mounted Fiber Optic Inclinometer". Sensors and Actuator Physical A, vol.184, pp.46-52(2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 References : p. 165-175
Fiber optic displacement sensor
Fiber optic accelerometer
Fiber optic inclinometer
Single degree of freedom system
Impact source localization
FBG sensor
구조건전성 모니터링
광섬유 가속도계
광섬유 변위계
광섬유 경사계
단자유도 시스템
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