복합재 구조물의 변형률과 고주파 진동의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 개발

Abstract

복합재 구조물의 변형률과 고주파 진동을 동시에 측정하기 위하여 이중복조기를 갖는 새로운 광섬유 브래그 격자 센서시스템을 개발하였다. 이중복조기는 가변 패브리-페로 필터를 사용하여 변형률과 같이 변화가 큰 저주파 신호를 측정하는 복조기와 수동 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 충격이나 파손신호와 같이 미세한 크기의 고주파 신호를 측정하는 복조기로 구성된다. 가변 패브리-페로 필터 복조기는 120 $n \epsilon / \sqrt {Hz}$ 의 민감도와 최대 1kHz의 취득 속도를 보유하고 있으며, 수동 마흐-젠더 간섭계 복조기는 1.4$n \epsilon / \sqrt {Hz}$ 의 최대 민감도와 200kHz의 주파수 대역을 보유하고 있다. 이중복조기를 갖는 광섬유 브래그 격자 센서시스템을 이용하여 인장과 저속충격을 받는 복합재 구조물의 구조 건전성 모니터링을 수행하였다. 인장하중을 받는 직교 적층 복합재 빔의 변형률과 파손신호를 동시에 계측하였다. 하나의 광섬유 브래그 격자 센서로 측정한 변형률과 파손신호를 분석한 결과 인장하중을 받는 복합재 시편의 90도 층에서 기지 균열이 전파하는 순간에 급작스런 변형률 저하와 함께 수백 킬로 헤르츠에 이르는 고주파 진동이 발생하였다. 저속충격을 받는 직교 적층 복합재 평판의 동적 변형률, 충격과 파손신호를 동시에 측정하였다. 1kHz의 취득속도를 갖는 가변 패브리-페로 필터 복조기로 복합재 평판의 동적변형률을 측정할 수 있었으며, 높은 주파수 대역을 갖는 수동 마흐-젠더 간섭계 복조기로 충격과 파손신호를 구분할 수 있었다. 이중복조기를 가진 광섬유 브래그 격자 센서시스템은 변형률과 충격 및 파손신호의 동시 측정이 가능할 정도로 민감도와 주파수 대역 성능이 우수하면서도 넓은 측정범위를 갖고 있음이 증명되었다. 따라서 광섬유 브래그 격자 센서는 다중센싱 능력이 뛰어날 뿐만 아니라 변형률과 파손신호와 같이 서로 다른 성격의 두 가지 신호를 동시에 계측할 수 있는 매우 우수한 센서이므로 실시간 구조건전성 모니터링 분야에 그 활용도가 더욱 증대될 것이다.