광섬유 산란형 센서를 이용한 사회기반시설물의 보안에 관한 연구

권일범,윤동진,이승석 한국비파괴검사학회 2004 한국비파괴검사학회지 Vol.24 No.5

광섬유 ROTDR (Rayleigh optical time domain reflectometry) 센서와 보다 긴 광섬유를 감지광섬유로 사용할 수 있는 광섬유 BOTDA (Brillouin optical time domain analysis) 센서를 구성하고, 이들 각각을 이용하여 중요보안 대상체인 사회기반시설물에 침투하는 침입자를 탐지할 수 있는 기초 연구를 수행하였다. ROTDR 센서의 감지부로는 넓은 면적을 감지할 수 있는 매설형 광섬유 센서 탐지판을 제작하고, 인가된 침입물체의 위치와 무게에 따른신호특성을 고찰하였다. ROTDR 센서는 펄스 폭이 30 ns이고, 광섬유의 길이는 10 km 이상이다. 위치탐지오차는 약 2m 이내였으며, 무게에 따른 탐지능력은 20 kgf, 40 kgf, 60 kgf, 80 kgf의 네 단계를 구분할 수 있음을 알 수 있었다. 넓은 지역에 걸친 침입자의 침투를 감시하기 위하여 수십 km의 광섬유 길이 전체를 감지부로 사용할 수 있는 광섬유 BOTDA 센서를 개발하였다. BOTDA 센서는 한 개의 레이저 다이오드와 두 개의 광전 변조기(electro-optic modulator)를 사용하여 간단하게 구성하였다. 침입자에 의한 광섬유의 변형률 벽화를 탐지하는 실험을 수행하기 위하여 광학테이블 위에 광섬유에 변형률을 인가하기 위한 실험 장치를 설치하여 실험을 수행하였다. 이 실험으로부터 시간간격 1.5 초동안 광섬유 약 4.81 km의 길이를 거리분해능 3 m로 침입자를 탐지할 수 있음을 확인하였다. We have studied the detection techniques, which can determine the location and the weight of an intruder into infrastructure, by using fiber-optic ROTDR (Rayleigh optical time domain reflectometry) sensor and fiber-optic BOTDA (Brillouin Optical time domain analysis) sensor, which can use an optical fiber longer than that of ROTDR sensor. Fiber-optic sensing plates of ROTDR sensor, which are buried in sand, were prepared to respond the intruder effects. The signal of ROTDR was analyzed to confirm the detection performance. The constructed ROTDR could be used up to 10 km at the pulse width of 30 ns. The location error was less than 2 n1 and the weight could be detected as 4 grades, such as 20 kgf, 40 kgf, 60 kgf and 80 kgf. Also, fiber optic BOTDA sensor was developed to be able to detect intrusion effect through an optical fiber of tens of kilometers longer than ROTDR sensor. Fiber-optic BOTDA sensor was constructed with 1 laser diode and 2 electro-optic modulators. The intrusion detection experiment was peformed by the strain inducing set-up installed on an optical table to simulate a11 intrusion effect. I11 the result of this experiment, the intrusion effect was well detected as the distance resolution of 3 m through the fiber length of about 4.81 km during 1.5 seconds.

광파이버를 이용한 변위 센서

도규봉,이환석 한국항공대학교 2000 論文集 Vol.38 No.-

본 논문은 optical fiber bundle(hemispherical type)과 mirror를 이용하여 displacement sensor를 제작하고 위치의 변화에 따른 출력광의 세기를 측정하였다. 이러한 displacement sensor는 산업, 군대나 의료 장비 등에 중요하게 이용되고 있는 센서이다. 제작된 센서는 1500㎛ 부터 3500㎛ 까지 측정이 가능하며 위치 분해능은 50㎛으로 측정되었다. 이 센서의 장점은 구성이 매우 간단하고 조작이 간편함에도 불구하고 매우 정밀한 측정이 가능하다는 것이다. 또한 optical fiber를 이용함으로써 열악한 환경이나 원거리 계측이 용이하며, 온도나 기타 환경변화에 영향을 적고 다중화 기법(TDM, FOM, WDM)을 이용하면 multi-pointing sensing이 가능하다. In this paper, we fabricated optical fiber displacement sensor with optical fiber bundles( hemispherical type) and high reflectlive mirror and measured optical output power with distance between the bundles and the mirror. The displacement sensors play a role in a broad range of industrial, military and medical application. The dynamic range of the fabricated sensor is from 1500㎛ to 3500㎛ and the potential resolution of that is 50㎛. The advantages of the sensor are not only a very simple structure but also a highly accurate measurement capability.

광섬유센서의 프리스트레인 부가 고정방식

김기수 ( Ki Soo Kim ) 한국복합재료학회 2012 Composites research Vol.25 No.6

광섬유센서는 구조물에 매립 또는 부착시 전단응력에 의해 편광이 발생하여 피크가 2개로 갈라질 수 있기 때문에 센서는 보호되고 양 끝단을 고정하는 방법으로 패키징을 하여야 하나, 광섬유의 클래딩 부분을 부착하는 방식으로 고정하면, 변형발생시 광케이블을 구성하는 코어와 클래딩 사이에서 미끄러짐 현상이 발생하기 때문에 이를 방지하기위해 센서의 양 끝단에 고정구를 사용하고 광섬유를 부분탈피하여 부착하여 접점을 만들어 줌으로써 외력에 의해 발생하는 변형을 정확하게 측정이 가능하도록 하였다. 그리고 기존 광섬유격자센서가 자체적으로 압축변형의 측정이 곤란한 점을 개선하기위해 미리 긴장(Pre-Strain)상태를 유지하기 위하여 두 개의 접점사이를 볼트와 너트로 조절하여 프리스트레인 가변이 가능하도록 하여 인장/압축변형 측정을 가능하게 한 광섬유격자센서 패키지를 제작하였다. 이러한 광섬유격자센서패키지를 실제구조물에 적용하여 측정하였으며, 이를 통하여 안전을 감시하는 모니터링시스템에 적용할 수 있도록 하였다. FBG sensor peaks could be split due to polarization by shear strain, when the fiber optic sensors embedded or attached to the structure. For the fiber optic sensor packages, sensor grating has to be protected from shear strains. Also, pretension has to be applied to the sensor because compressive strain must be measured. Without pretension of sensor, the sensor does not show any change of signal until it is stretched. In order to mesure compressive and tensile strains, two fixing point and prestressed sensor need. In the fixing point, just holding the optical fiber cause slip between core and cladding in the fiber. A Fixation method of prestressed FBG sensors fixed with partially stripped fibers was developed. The sensor package has the prestress controllable fixtures at the fixing points. Prestress to the sensor imposed by controlling the two fixed points with bolts and nuts make it easy to measure compressive strain as well as tensile strain. The fiber optic sensor packages applied to the actual structure and the structural monitoring system using the package can be applied to safety through surveillance.

대형 구조물의 변형률 측정을 위한 광섬유 TR-EFPI 센서의 개량

권일범 ( Kwon¸ Il-bum ),최만용 ( Choi¸ Man-yong ),김치엽 ( Kim¸ Chi-yeop ) 한국구조물진단유지관리공학회 2000 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.4 No.2

The sensor for continuous in-situ monitoring is better to be embedded in large structures. Fiber optic sensors can be embedded in the structures to get the health information in the structures. Fiber optic EFPI(extrinsic Fabry-Perot interferometric) sensors had been shown in many publications which concerned about the structural strain measurement. However, the gage lengths of the sensors in these papers were limited at about 1 cm because it is very difficult to make the long gage length fiber optic EFPI sensor. If the gage length of the fiber optic EFPI sensor could be made as long as about 90 mm, then the sensitivity is to be more higher than the short gage length fiber sensor at about 9 times. In this study, the fiber optic TR-EFPI (total reflected - extrinsic Fabry-Perot interferometric) sensor was developed and was improved to be get the long gage length about 90 mm. The loading-unloading test was performed to confirm the performance of the improved fiber optic TR-EFPI sensor. In this experiment, the strain which was determined by the fiber optic signal had some errors. It was considered that this errors caused by the sliding mismatch in the sensor probe.

가변 페브리-페로 필터와 FBG를 이용한 광세기 기반 자기기준 광섬유 센서

최상진(Sang-Jin Choi),반재경(Jae-Kyung Pan) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.3

본 논문에서는 자기기준 특성을 가지는 광세기 기반 광섬유 센서 구조를 제안하고 실험적으로 구현하여 성능을 제시한다. 제안하는 광섬유 센서는 광대역 광원(BLS), fiber Bragg grating (FBG), 가변 페브리-페로(Fabry-Perot) 필터, LabVIEW 프로그램으로 구성된다. 제안한 자기기준 광섬유 센서의 이론적인 해석을 통하여 측정 변수(Χ)와 보정 변수(β)를 정의하고, 이를 바탕으로 전달함수(Η)를 구한다. 또한 실험을 통하여 이론적인 해석의 타당성을 제시한다. 제안한 광섬유 센서 구조는 광대역 광원의 출력 광세기가 0 dB, 3 dB, 6 dB 감소해도 측정결과에 영향을 미치지 않는 자기기준 특성을 가진다. 또한 다른 특성의 FBG를 사용하여도 측정 가능하므로, 제안한 광섬유 센서 구조는 임의의 규격을 가진 FBG를 사용할 수 있다. 광원의 광세기가 감소하였을 때와 세 가지 다른 특성의 FBG 쌍을 이용하여 측정한 결과 이론적인 값과 잘 일치함을 보였다. 따라서 제안한 광섬유 센서는 자기기준 특성과 구성하는 FBG의 규격이 비교적 엄격하지 않아도 되는 장점을 가진다. In this paper, we have proposed and experimentally demonstrated an intensity-based self-referencing fiber optic sensor. The proposed fiber optic sensor consists of a broadband light source (BLS), fiber Bragg grating (FBG), tunable Fabry-Perot (F-P) filter, and LabVIEW program. We define the measurement parameter (Χ) and the calibration parameter (β) to determine the transfer function(Η) of the self-referencing fiber optic sensor, and the validity of the theoretical analysis is confirmed by experiments. The self-referencing characteristic for the proposed system has been validated by showing that the measurement parameter (Χ) is invariant for BLS optical power attenuations of 0 dB, 3 dB, and 6 dB. Also, the measured result is irrelevant to the FBGs with different characteristics. This means that the proposed fiber optic sensor offers the flexibility for determining the FBGs needed for implementation. Experimental results for the proposed fiber optic sensor are in good agreement with a theoretical analysis for BLS optical power attenuations and for three FBG pairs with different characteristics. So, the proposed fiber optic sensor has several benefits, including the self-referencing characteristic and the flexibility to determine the FBGs.

무선 기반의 광섬유 간섭계형 맥파센서 시스템

박재희 ( Jae Hee Park ),신종덕 ( Jong Dug Shin ) 한국센서학회 2013 센서학회지 Vol.22 No.6

A wireless optical fiber interferometer arterial pulse wave sensor system is developed for remote sensing. The wireless optical fiber sensor system consists of Zigbee communication modules and an optical fiber interferometer arterial pulse wave sensor. The optical fiber arterial pulse wave sensor is an in-line Michelson interferometer enclosed with steel reinforcement in a heat-shrinkable tube. The Zigbee communication modules are composed of an ATmega128L microprocessor and a CC2420 Zigbee chip. The arterial pulse waves detected by the optical fiber sensor were transmitted and received via the Zigbee communication modules. The experimental results show that the wireless optical fiber sensor system can be used for monitoring the arterial pulse waves remotely.

가변 페브리-페로 필터와 FBG를 이용한 광세기 기반 자기기준 광섬유 센서

최상진,반재경,Choi, Sang-Jin,Pan, Jae-Kyung 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.49 No.11

본 논문에서는 자기기준 특성을 가지는 광세기 기반 광섬유 센서 구조를 제안하고 실험적으로 구현하여 성능을 제시한다. 제안하는 광섬유 센서는 광대역 광원(BLS), fiber Bragg grating (FBG), 가변 페브리-페로(Fabry-Perot) 필터, LabVIEW 프로그램으로 구성된다. 제안한 자기기준 광섬유 센서의 이론적인 해석을 통하여 측정 변수(X)와 보정 변수(${\beta}$)를 정의하고, 이를 바탕으로 전달함수(H)를 구한다. 또한 실험을 통하여 이론적인 해석의 타당성을 제시한다. 제안한 광섬유 센서 구조는 광대역 광원의 출력 광세기가 0 dB, 3 dB, 6 dB 감소해도 측정결과에 영향을 미치지 않는 자기기준 특성을 가진다. 또한 다른 특성의 FBG를 사용하여도 측정 가능하므로, 제안한 광섬유 센서 구조는 임의의 규격을 가진 FBG를 사용할 수 있다. 광원의 광세기가 감소하였을 때와 세 가지 다른 특성의 FBG 쌍을 이용하여 측정한 결과 이론적인 값과 잘 일치함을 보였다. 따라서 제안한 광섬유 센서는 자기기준 특성과 구성하는 FBG의 규격이 비교적 엄격하지 않아도 되는 장점을 가진다. In this paper, we have proposed and experimentally demonstrated an intensity-based self-referencing fiber optic sensor. The proposed fiber optic sensor consists of a broadband light source (BLS), fiber Bragg grating (FBG), tunable Fabry-Perot (F-P) filter, and LabVIEW program. We define the measurement parameter (X) and the calibration parameter (${\beta}$) to determine the transfer function(H) of the self-referencing fiber optic sensor, and the validity of the theoretical analysis is confirmed by experiments. The self-referencing characteristic for the proposed system has been validated by showing that the measurement parameter (X) is invariant for BLS optical power attenuations of 0 dB, 3 dB, and 6 dB. Also, the measured result is irrelevant to the FBGs with different characteristics. This means that the proposed fiber optic sensor offers the flexibility for determining the FBGs needed for implementation. Experimental results for the proposed fiber optic sensor are in good agreement with a theoretical analysis for BLS optical power attenuations and for three FBG pairs with different characteristics. So, the proposed fiber optic sensor has several benefits, including the self-referencing characteristic and the flexibility to determine the FBGs.

광섬유를 이용한 충격 및 압력 센서에 관한 연구

양승국,조희제,이석정,전중성,오상기,김인수,오영환 한국정보통신학회 2003 한국정보통신학회논문지 Vol.7 No.1

광섬유 센서의 주된 이점으로는 기계적 구동부가 없으므로 고신뢰성, 긴수명, 무전기적 간섭, 고응답속도, 저가이다. 본 연구에서는 공장설비 및 자동문 등과 같은 곳에서 많이 사용되어지는 자동장치의 오작동으로 인한 사고를 미연에 감지하여 인명피해를 줄이기 위하여 광섬유를 이용한 충격 및 압력센서를 제안 및 개발하였다. 센서의 원리로는 충격에 의해 다중모드 광섬유에서 발생하는 스펙클 패턴의 변화를 포토다이오드로 검출하는 방식이다. 광섬유에 충격의 세기를 변화하여 여러 차례 측정한 결과 충격의 세기의 변화에 따른 반응정도는 선형적으로 변하지는 않았으나 주어진 충격에 대해 민감하게 반응하는 것을 실험을 통하여 확인하였으며 광섬유의 피복 두께의 변화나 신호처리부에서의 증폭도를 조절함으로써 충격에 대한 반응감도를 조절할 수 있었다. 광섬유를 이용한 충격 및 압력센서의 장점으로는 점대점 방식이 아닌 라인 방식으로 설치하거나 측정함으로써 광섬유 전체가 센서역할을 하기 때문에 설치가 용이하고 감지범위가 넓어 센서로서의 우수한 특성을 가지므로 다양한 자동시스템 분야나 충격 및 압력센서로 활용될 수 있을 것이다. Optical fiber has many advantages, such as high reliability, long lifetime, immunity to the electromagnetic interference, high speed response and low cost. In this study, we proposed and developed an optical fiber impact and pressure sensor for prevention of accident which occurs in the automatic system or auto door. The principle of the sensor is to detect different optical intensity caused by variation of a speckle pattern due to the external perturbation. Speckle pattern appears at the end of a multimode fiber in which coherent beam propagates. The fabricated sensor in this study was tested. As a result of experiments, amplitude of the output signal isn't linear, but it has sufficient sensitivity for a sensor. Moreover, we can control sensitivity of the sensor by an amplifier at receiver. It has several advantages which are ability of detection at all point on the multimode fiber, large sensitive area, and many application areas for a sensing impact and pressure.

Hopper lens type WDM을 이용한 광섬유 Dual Sensor 외곽경보시스템 설계 및 제작 연구

김경복(Kyung Bok Kim) 대한전자공학회 2018 전자공학회논문지 Vol.55 No.10

본 논문에서는 최근 광섬유를 이용한 센서가 산업 전부에 널리 활용되고 있다. 더욱이 광섬유의 광학적인 특성을 이용하여 감시 및 경보 시스템 분야에도 관련기술이 비약적인 발전을 이루고 있다. 본 연구에서는 국내최초로 Hopper Lenz type WDM을 이용한 광섬유 dual sensor 외곽감시용 경보 시스템 시제품을 개발하여 특성을 평가하였다. 개발된 외곽감시용 경보 시스템 시제품은 파장이 1310nm 특성의 경강선이 삽입된 광섬유 line sensor와 사용파장이 1550∼1555nm에서 최적의 특성이 나타나는 FBG 광섬유 압력센서를 동일 구간의 철조망 감지부 광 케이불에 적용하였다. 그 결과 기존의 OTDR방식의 광 경보시스템보다 감지 신호의 정확성과 다중점 신호를 검출하는 효과를 나타내었다. 감지 구간도 종전의 시스템보다 1.5배 향상 되었다. 검출된 신호는 경고음을 알리는 알람시스템과 고해상도의 ITV 시스템과 연동된다. 개발된 시스템은 향후 유사 경보시스템의 수입대처 시스템으로 가능하며, 그 외 중요 산업현장에서 보안 감시용으로 적용될 수 있고, 국가 주요설비나 시설의 감시용도로 사용될 수 있다. In this paper, recently, as if the rapidly developing of optical fiber sensor is widely used all round the industries. Furthermore, The related technology of an optical fiber perimeter warning and guard system using optical characteristics make rapid progress. In this study, we have develop an optical fiber perimeter warning system carried dual sensor using hopper lens type WDM in making prototype and its characteristics were evaluated for the first time in korea. we used its and applied an optical fiber line sensor insert wire by heart treatment processing of 1310nm in wavelength and FBG optical fiber pressure sensor of 1550∼1555nm in wavelength in order to take advantage of wire fence. In result, A fabricated prototype showed each of higher accuracy and detected multi-point signal compared with OTDR method system. we have improved 1.5 of detected distance compared with its. we have connected alarm system and ITV of good. especially, we can expect the utilization of all round the industries and national infrastructure and facilities base for security. therefore we can expect its deal with income in the future.

A novel fiber optic temperature monitoring sensor using hard-polymer-clad fiber and an optical time-domain reflectometer

Kim, Hyeong-Cheol,Lee, Jung-Ryul SAGE Publications 2014 Journal of intelligent material systems and struct Vol.25 No.5

<P>Hard-polymer-clad fiber is a specific type of optical fiber, in which a hard polymer cladding made of fluoroacrylate acts as a protective coating for an inner silica core. An optical time-domain reflectometer is an optical loss measurement system that provides optical loss and event distance measurement in real time. This study proposes a novel fiber optic temperature monitoring sensor system using an economical optical time-domain reflectometer and hard-polymer-clad fiber. Sensor nodes were economically and quickly made by locally stripping hard-polymer-clad fiber clad through photothermal and photochemical processes using a continuous/pulse hybrid-mode laser. The core length exposed was easily controlled by adjusting the laser beam diameter, and the exposed core created a backscattering signal in the optical time-domain reflectometer attenuation trace. The backscattering peak was sensitive to the temperature variation. Since the elaborated hard-polymer-clad fiber temperature sensor was insensitive to strain applied to the sensor node and to temperature variation in the normal hard-polymer-clad fiber line, neither strain compensation nor isolation technique is required. These characteristics are important advantages for using as structure-integrated temperature sensors. The performance characteristics of the sensor nodes included an operating range of up to 120 °C, a resolution of 1.52 °C, a tensile strain resistance of 13%, and a temperature sensitivity of −0.01 dB/°C.</P>