KR20210006372A - 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치 - Google Patents

진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210006372A
KR20210006372A KR1020207033005A KR20207033005A KR20210006372A KR 20210006372 A KR20210006372 A KR 20210006372A KR 1020207033005 A KR1020207033005 A KR 1020207033005A KR 20207033005 A KR20207033005 A KR 20207033005A KR 20210006372 A KR20210006372 A KR 20210006372A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
micro
vibration
nano
grating
Prior art date
Application number
KR1020207033005A
Other languages
English (en)
Inventor
화이즈 수
펑펑 저우
멍 양
Original Assignee
허하이 대학교
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 허하이 대학교 filed Critical 허하이 대학교
Publication of KR20210006372A publication Critical patent/KR20210006372A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014—Resonance or resonant frequency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

본 발명은 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자(1) 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치를 제공하며, 여기에는 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자(1)가 포함되고, 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자(1) 외부는 탄소 섬유(2)로 코팅되며, 탄소 섬유(2) 외부에는 은 코팅층(3)이 설치된다. 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자(1) 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치는 대전되지 않고 전자기 간섭을 방지하며 내구성이 우수하고 구조가 간단할 뿐만 아니라 콤팩트한 배치, 높은 감도, 넓은 응답 범위 및 실시간 모니터링 등의 장점을 가지고 있으며, 음향 방출 신호의 감지에 있어서 자체적으로 노이즈를 억제할 수 있다. 또한 엔지니어링 건설, 구조 안전성 모니터링, 광산 개발, 항공 우주, 정밀 측정 등의 분야에서 진동 또는 음향 방출 신호의 감지 요건을 충족시킬 수 있다. 특히 센서에 대한 장시간 사용, 방폭, 소형화 및 전자기 간섭 방지 상황에 적합하다.

Description

진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치
본 발명은 광전자 시험 및 구조 안전성 모니터링 기술 분야에 속하는 것으로, 더욱 상세하게는 진동현식(vibration wire type) 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치에 관한 것이다.
대규모 토목 구조물, 수자원 보존 시설 및 각종 기계류는 운전 과정에서 미세한 진동이 발생하는 경우가 많으며, 동시에 구조물 및 시설물이 비정상적인 운행 조건에 있을 경우 상이한 주파수의 미약한 진동 및 음향 방출 신호가 발생할 수도 있다. 대부분의 경우 이러한 신호를 감지하여 구조물 및 시설의 운행 상태를 완전히 이해하고 이로 인해 발생하는 문제를 적시에 처리해야 한다. 또한 음향 방출 신호의 감지는 구조물이나 장비의 음향 방출 특성을 연구하고 그 음향 방출 메커니즘을 더 깊이 이해하고 사용하는 데에도 도움이 된다.
광섬유 격자를 사용하여 미세 진동 또는 음향 방출 신호를 감지하는 일반적인 유형은, 부유 광섬유 격자와 테스트할 구성 요소의 공명을 이용하여 진폭을 확대하고 광섬유 격자의 공진 파장 또는 출력광 강도를 감지함으로써, 테스트할 구성 요소의 미세 진동을 측정하는 것이다. 광섬유 격자를 사용하여 미세 진동 또는 음향 방출 신호를 측정하는 또 다른 일반적인 유형은, 동일한 강도의 캔틸레버 빔 표면에 광섬유 격자를 접착해 감지 부재로 사용하며, 외부 진동의 여기 하에서 동일한 강도의 캔틸레버 빔에 진동을 발생시킴으로써, 광섬유 격자에 축방향 변형을 유발하여 외부 진동을 감지하는 것이다. 이 두 방법은 모두 미약한 진동을 측정할 수 있으나 감지 부재의 구성이 비교적 복잡하고 크기가 크기 때문에 감지 부재 크기에 대한 요건이 엄격한 일부 상황에서는 적용하기가 어렵다. 또한 종래의 음향 방출 센서는 대부분 압전 재료 등을 감지 부재로 사용하며, 진동 신호를 전기 신호로 변환하여 감지한다. 전기 신호를 기반으로 감지하는 장비는 보편적으로 전자기 간섭의 영향을 많이 받고 방폭 요건 등을 충족시킬 수 없는 단점이 있다.
현재 일반적인 광섬유 격자 진동 또는 음향 방출 센서는 통상적으로 간접 측정 방법을 채택해 외부 진동을 감지하는데, 예를 들어 광섬유 격자를 캔틸레버 빔에 접착해 감지 부재로 사용하여 외부 진동을 감지하는 방법이 있다. 캔틸레버 빔 진동 과정에서 그 표면 변형은 캔틸레버 빔의 진폭 및 캔틸레버 빔의 두께에 따라 달라진다. 캔틸레버 빔의 두께가 일정한 경우 진폭이 클수록 표면 변형이 커지며, 캔틸레버 빔 진폭이 일정한 경우 두께가 두꺼울수록 표면 변형이 커진다. 따라서 두 가지 방법, 즉 캔틸레버 빔의 진동 진폭을 높이거나 캔틸레버 빔의 두께를 늘리는 방법을 채택해 감지 정확도를 높일 수 있다. 그러나 특정 주파수와 진폭을 가진 진동의 경우, 감지 정확도를 높이기 위해서는 캔틸레버 빔의 두께를 늘려야만 구현할 수 있다. 캔틸레버 빔의 고유 주파수를 진동원의 주파수와 가깝게 유지하려면, 캔틸레버 빔의 두께를 늘리는 동시에 캔틸레버 빔의 길이를 증가시켜야 하므로 감지 부재의 크기가 커지게 된다. 동시에 캔틸레버 빔의 표면 변형을 측정하여 진동을 감지한다. 실제로 진동원 → 캔틸레버 빔 진동 → 캔틸레버 빔 표면 변형 → 광섬유 격자 축방향 변형의 여러 변환 과정을 거쳤기 때문에 필연적으로 시스템 오차가 증가하여 감지 정확도가 저하된다. 상기 방법과 비교하여 본 발명은 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 자체의 진동을 통해 신호를 직접 측정하며, 그 측정 과정은 진동원 → 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 축방향 변형이다. 상기 측정 과정은 간단하고 직접적이므로 감지 부재의 복잡성을 크게 줄이고 감지 정확도를 향상시킨다. 환경적 요인으로 인해, 종래의 진동 센서는 장기간 사용 시 부재의 부식 등으로 인해 감지 정확도가 떨어질 수 있다. 본 발명은 신호 발생기를 통해 압전 세라믹이 진동하도록 구동하고, 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자가 종방향 진동을 생성하도록 만들어 감지 성능을 평가하고 감지 매개 변수를 재확인 및 교정하며, 감지 유닛 피로 등 요인이 감지 정확도에 미치는 영향을 줄인다. 또한, 본 발명은 신호 발생기를 통해 압전 세라믹의 구동 전압을 변경함으로써 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자의 고유 주파수를 변경하고 응답 범위의 동적 조정을 구현할 수 있다. 음향 방출 신호는 특정 주파수 범위를 가지므로, 본 발명에서 음향 방출 신호를 감지하면 먼저 압전 세라믹을 통해 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자의 고유 주파수를 조정하여 특정 음향 방출 신호의 측정을 구현할 수 있다. 진동 주파수가 음향 방출 신호와 다른 노이즈의 경우 공진이 일어나지 않기 때문에 제어된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치를 제공함으로써, 감지 부재의 크기를 크게 줄이고 시스템 오차를 낮추며 감지 정확도를 향상시키는 데에 있다.
본 발명은 상기 기술적 문제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 해결책으로 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치를 제공한다. 여기에는 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자가 포함되며, 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 외부는 탄소 섬유로 코팅되고, 탄소 섬유 외부에는 은 코팅층이 설치된다.
바람직하게는, 상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 U자형 브라켓 오목홈에 걸쳐 있고, 양단이 각각 U자형 브라켓의 양벽에 안정적으로 고정된다.
바람직하게는, 상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 마이크로나노 광섬유 브래그 격자, 즉 NFBG이다.
바람직하게는, 상기 제1 광섬유의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 상기 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG의 일단(a)과 용접하고, 제1 광섬유의 단(b)과 NFBG의 단(a)의 용접점 부위를 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 타단(b)을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정한다. 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기와 연결하며, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있다. 여기에서 제1 광섬유는 일반 단일 모드 광섬유이다. 그 감지 원리는 NFBG의 공진 파장 변화가 그 축방향 변형에 정비례하는 것이다. 진동현을 U자형 브라켓에 고정하고 브라켓 양측 벽에 걸치도록 한다. 측정하려는 진동이 진동현의 고유 주파수에 비교적 가까우면, 진동현이 측정 대상물과 공진하여 측정하려는 진동을 확대한다. 진동현에 발생하는 횡방향 진동으로 인해 NFBG는 축방향 변형을 일으키고, 광섬유 격자 복조기를 이용하여 반사 스펙트럼에 대한 분석을 수행하며, 반사 또는 투과 스펙트럼의 파장 변화를 측정함으로써 측정하려는 진동을 감지한다.
바람직하게는, 제3 광섬유의 일단(a)을 단일 주파수 레이저와 연결하고, 제3 광섬유의 타단(b)을 광순환기의 포트(1)와 연결하고, 광순환기의 포트(2)를 제1 광섬유의 일단(a)과 연결하고, 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유를 이용하여 광순환기의 포트(3)를 광출력기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NFBG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 타단(b)은 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정한다. 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기와 연결하며, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있다. 여기에서 제1 광섬유, 제2 광섬유 및 제3 광섬유는 모두 일반 단일 모드 광섬유이다. 그 감지 원리는 다음과 같다. 즉, NFBG는 파장이 그 공진 파장(λ0)과 동일한 입사광에 대한 반사율이 가장 높으며, 입사광 파장이 상기 공진 파장보다 약간 작거나 크면 그에 대한 NFBG의 반사율이 선형에 가깝게 감소한다. NFBG가 비교적 작은 변형을 일으켜 그 공진 파장이 λ0에서 λt로 바뀔 경우, 파장이 여전히 λ0인 입사광에 대한 반사율은 선형에 가깝게 감소한다. 상기 유형의 센서 장치의 감도가 더 높지만, 단일 측정의 응답 범위는 더 작으며, 비교적 큰 주파수 범위 내 진동을 감지하려면 압전 세라믹의 구동 전압을 지속적으로 조정해야 한다. 또한 광출력 감지 방식은 감지 결과가 환경에 쉽게 영향을 받는 단점이 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 마이크로나노 장주기 광섬유, 즉 NLPFG이다. 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG와 NLPFG의 제작 방법은, 마그네트론 스퍼터링법(magnetron sputtering)을 사용하여 탄소 섬유가 부가된 NFBG와 NLPFG의 표면에 각각 은 코팅층을 제작하는 것이다. 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 마이크로나노 광섬유 브래그 격자 또는 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 마이크로나노 장주기 광섬유 격자(이하 "진동현"으로 총칭함) 양단은 2개의 상이한 단일 모드 광섬유와 용접하고, 진동현을 U자형 브라켓에 걸쳐 브라켓 양측벽 상에 안정적으로 고정하며, 고정 부위는 진동현과 단일 모드 광섬유의 용접점이다. 진동현과 U자형 브라켓은 장치의 감지 부재를 구성한다.
바람직하게는, 상기 제1 광섬유의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유의 타단(b)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹은 U자형 브라켓의 벽 상에 장착하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기에 연결한다. 그 감지 원리는 NLPFG의 공진 파장 변화가 그 축방향 변형에 정비례하는 것이다. 따라서 그 공진 파장의 변화를 측정함으로써 측정하려는 진동을 감지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 광섬유의 일단(a)을 단일 주파수 레이저 소스와 연결하고, 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유의 타단(b)을 광출력기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹은 U자형 브라켓의 벽 상에 장착하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기에 연결한다. 그 감지 원리는 다음과 같다. 즉, NLPFG는 파장이 공진 파장(λ0)과 동일한 입사광에 대한 반사율이 가장 낮으며, 입사광 파장이 상기 공진 파장보다 약간 작거나 크면 그에 대한 상기 격자의 투과율이 선형에 가깝게 커진다. NLPFG가 비교적 작은 변형을 일으켜 그 공진 파장이 λ0에서 λt로 바뀔 경우, 파장이 여전히 λ0인 입사광에 대한 투과율은 선형에 가깝게 커진다. 투과광의 광출력 변화를 측정함으로써 외부 진동을 감지할 수 있다. 상기 유형의 센서 장치의 감도가 더 높지만, 단일 측정의 응답 범위는 더 작으며, 비교적 큰 주파수 범위 내 진동을 감지하려면 압전 세라믹의 구동 전압을 지속적으로 조정해야 한다. 또한 광출력 감지 방식은 감지 결과가 환경에 쉽게 영향을 받는 단점이 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자의 직경은 모두 40㎛보다 크지 않다.
바람직하게는, 상기 U자형 브라켓의 하나의 측벽과 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자가 연결되는 부위는 압전 세라믹으로 구성된다.
본 발명에 있어서, 측정 시 상기 감지 부재를 측정할 구조물 상에 고정하고, 측정할 진동 방향은 진동현과 축방향으로 수직을 이룬다. 진동 방향을 미리 알 수 없는 경우, 2개의 감지 부재를 배치하고 그 진동현의 축방향이 서로 수직을 이루도록 만들 수 있다. 측정할 구조물이 진동하면 진동현이 진동하게 되며, 측정할 주파수가 진동현의 고유 주파수와 일치하거나 근접하면, 진동현의 진동이 강화되어 축방향 변형이 비교적 커지게 된다. NFBG와 NLPFG의 공진 파장 또는 투과, 반사 광출력을 측정하여 진동을 감지할 수 있다.
본 발명은 진동현과 피시험 구조물 사이의 공진 원리에 따라 진동을 증폭하고 감지한다. 측정할 진동 주파수가 진동현의 고유 주파수와 같거나 가까우면, 측정할 진동이 증폭되고 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자가 비교적 큰 축방향 변형을 일으키며 나아가 그 공진 파장이 변한다. 광섬유 격자 복조기 또는 광출력기를 통해 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자의 공진 파장 또는 광출력을 측정하면 측정할 진동을 감지할 수 있다. 감쇠를 고려할 때 진동원의 주파수는 다음 조건을 충족시켜야 한다.
Figure pct00001
(1)
Figure pct00002
(2)
여기에서 Ω은 측정할 진동의 주파수이고, T는 진동현의 장력이고, ρ는 진동현의 선형 밀도이고, β는 진동현이 공기 중에서 자유롭게 진동할 때의 감쇠 계수이다. 식(1)을 통해 특정 주파수 범위 내 진동을 측정할 때 필요한 진동현의 길이를 계산하거나, 진동현의 장력을 조정하여 센서의 응답 범위를 변경할 수 있다. 본 발명은 신호 발생기를 통해 압전 세라믹의 신축을 조절함으로써 동시에 진동현의 길이와 장력을 조정하여, 진동현의 고유 주파수를 변경하여 응답 범위의 동적 조절을 구현한다.
이론적 분석에 따르면, 실제 적용에서 진폭이 50nm이고 주파수가 200kHz인 음향 방출 신호를 감지해야 하는 경우 재료 선택에 엄격한 제한이 있다. 일반 단일 모드 광섬유를 사용하면 감지용 광섬유 격자의 길이가 매우 짧아(0.1mm 미만) 제작이 어렵다. 본 발명은 직경이 40μm보다 크지 않은 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자를 채택하고, 탄소 섬유를 이용하여 인장 강도를 높이며, 은 코팅층을 추가하는 방법을 채택하여 진동현 길이를 약 2mm까지 늘린다. 이는 감지 부재의 제작 공정이 간소화되고 감지 부재의 구조를 더욱 콤팩트하게 만들어 감지 부재의 소형화 및 마이크로화에 유리하다.
본 발명은 대전되지 않고 전자기 간섭을 방지하며 내구성이 우수하고 구조가 간단할 뿐만 아니라 콤팩트한 배치, 높은 감도, 넓은 응답 범위 및 실시간 모니터링 등의 장점을 가지고 있으며, 음향 방출 신호의 감지에 있어서 자체적으로 노이즈를 억제할 수 있다. 또한 엔지니어링 건설, 구조 안전성 모니터링, 광산 개발, 항공 우주, 정밀 측정 등의 분야에서 진동 또는 음향 방출 신호의 감지 요건을 충족시킬 수 있으며, 특히 센서에 대한 장시간 사용, 방폭, 소형화 및 전자기 간섭 방지 상황에 적합하다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명은 다음과 같은 장점을 갖고 있다.
1. 본 발명은 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자를 감지 구성요소로 사용하며, 부피가 작으며 대전되지 않고 전자기 간섭을 방지하며 제조비용이 낮은 장점 등이 있다.
2. 본 발명은 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자를 채택하여 진동을 직접 측정하므로 시스템 오차가 적고 측정 감도가 높다. 또한 압전 세라믹을 사용해 진동현 고유 주파수를 조정하여 응답 범위의 동적 조절을 구현하였다.
3. 본 발명은 신호 발생기를 통해 압전 세라믹이 진동하도록 구동하고, 감지 매개 변수를 수시로 확인 및 교정하므로, 감지 부재 피로 등의 문제가 감지 정확도에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
4. 본 발명은 공진 원리를 통해 진동 신호를 증폭시켜 센서의 측정 진행을 향상시켰다.
도 1은 본 발명에 따른 진동현의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공진 파장 변화를 측정하는 NFBG형 감지 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 반사 광출력 변화를 측정하는 NFBG형 감지 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공진 파장 변화를 측정하는 NLPFG형 감지 장치의 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 투과 광출력을 측정하는 NLPFG형 감지 장치의 모식도이다.
도 6은 계산을 통해 획득한 진동현의 진동 모드 다이어그램이다.
도 7은 시간에 따른 진동현 중간점의 진폭 변화이다.
도 8은 시간에 따른 진동현의 변형 변화이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치에는 마이크로나노 광섬유 격자(1), 탄소 섬유(2) 및 은 코팅층(3)으로 구성된 진동현이 포함된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 공진 파장의 변화를 측정하는 NFBG형의 조립 방법은 다음과 같다. 즉, 제1 광섬유(5)의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기(6)와 연결하고, 제1 광섬유(5)의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG의 일단(a)과 용접하고, 제1 광섬유(5)단(b)과 NFBG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 단(b)을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹(8)은 도선(9)을 통해 신호 발생기(10)와 연결한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반사 광출력 변화를 측정하는 NFBG형의 조립 방법은 다음과 같다. 즉, 제3 광섬유(14)의 일단(a)을 단일 주파수 레이저 소스(12)와 연결하고, 제3 광섬유(14)의 타단(b)을 광순환기(11)의 포트(1)와 연결하고, 광순환기(11)의 포트(2)를 제1 광섬유(5)의 일단(a)과 연결하고, 제1 광섬유(5)의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG 일단(a)과 용접하고, 제1 광섬유(5)단(b)과 NFBG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 타단(b)은 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유(15)를 이용하여 광순환기(11)의 포트(3)를 광출력기와 연결하고, 압전 세라믹(8)은 도선(9)을 통해 신호 발생기(10)와 연결한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 공진 파장 변화를 측정하는 NLPFG형의 조립 방법은 다음과 같다. 즉, 제1 광섬유(5)의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기(6)와 연결하고, 제1 광섬유(5)의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유(15)의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유(15)의 타단(b)을 광섬유 격자 복조기(6)와 연결하고, 제1 광섬유(5)단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유(15)단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹(8)은 도선(9)을 통해 신호 발생기(10)에 연결한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 투과 광출력을 측정하는 NLPFG형의 조립 방법은 다음과 같다. 즉, 제1 광섬유(5)의 일단(a)을 단일 주파수 레이저 소스와 연결하고, 제1 광섬유(5)의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유(15)의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유(15)의 타단(b)을 광출력기(13)와 연결하고, 제1 광섬유(5)단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유(15)단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹(8)은 도선(9)을 통해 신호 발생기(10)에 연결한다.
계산을 통해 진동현의 진동을 분석하며, 그 계산 매개변수는 표 1과 같다. 도 6에서 초기 단계(약 0 내지 500μs 구간 내)에서는 에너지 축적으로 인해 진동현의 진폭이 시간이 지남에 따라 증가하고, 그 후 에너지의 감쇠로 인해 진동현의 진폭이 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 진동현 중간 변위가 가장 크며, 양단은 브라켓의 제한으로 인해 변위가 모두 0이다. 도 7에서 진폭의 최댓값은 1000nm보다 크고 진동원의 진폭은 50nm에 불과하다는 것을 알 수 있다. 도 8에서 진동현 변형의 최댓값은 1με보다 크다는 것을 알 수 있으며, Micron Optics사의 si425 제품을 사용하면 상기 정도의 변형을 효과적으로 감지할 수 있다.
Figure pct00003
1 : 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자
2 : 탄소 섬유
3 : 은 코팅층
4 : 진동현
5 : 제1 광섬유
6 : 광섬유 격자 복조기
7 : U자형 브라켓
8 : 압전 세라믹（PZT)
9 : 도선
10 : 신호 발생기
11 : 광순환기
12 : 단일 주파수 레이저 소스
13 : 광출력기
14 : 제3 광섬유
15 : 제2 광섬유

Claims (10)

  1. 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치에 있어서,
    마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자를 포함하고, 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 외부는 탄소 섬유로 코팅되고, 탄소 섬유 외부에는 은 코팅층이 설치되고, 상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 직경은 40μm보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자의 양단에는 제1 광섬유 및 제2 광섬유가 연결되는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 U자형 브라켓 오목홈에 걸쳐 있고, 양단이 각각 U자형 브라켓의 양벽에 안정적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 브래그 격자, 즉 NFBG인 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 상기 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG의 일단(a)과 용접하고, 제1 광섬유의 단(b)과 NFBG의 단(a)의 용접점 부위를 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 타단(b)을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기와 연결하며, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면, 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    제3 광섬유의 일단(a)을 단일 주파수 레이저와 연결하고, 제3 광섬유의 타단(b)을 광순환기의 포트(1)와 연결하고, 광순환기의 포트(2)를 제1 광섬유의 일단(a)과 연결하고, 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NFBG 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유를 이용하여 광순환기의 포트(3)를 광출력기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NFBG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, NFBG의 타단(b)은 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기와 연결하며, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면, 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자는 마이크로나노 장주기 광섬유, 즉 NLPFG인 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 일단(a)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 상기 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유의 타단(b)을 광섬유 격자 복조기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹은 U자형 브라켓의 벽 상에 장착하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기에 연결하고, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면, 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 일단(a)을 단일 주파수 레이저 소스와 연결하고, 제1 광섬유의 타단(b)을 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 일단(a)과 용접하고, 탄소 섬유 및 은 코팅층이 부가된 NLPFG의 타단(b)을 제2 광섬유의 일단(a)과 용접하고, 제2 광섬유의 타단(b)을 광출력기와 연결하고, 제1 광섬유단(b)과 NLPFG단(a)의 용접점을 U자형 브라켓의 일측벽(a) 상에 안정적으로 고정하고, 제2 광섬유단(a)과 NLPFG단(b)의 용접점을 U자형 브라켓의 타측벽(b) 상에 안정적으로 고정하고, 압전 세라믹은 U자형 브라켓의 벽 상에 장착하고, 압전 세라믹은 도선을 통해 신호 발생기에 연결하고, 사용 장소에 대전이 허용되지 않으면, 도선으로 압전 세라믹에 연결하지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 U자형 브라켓의 하나의 측벽과 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자가 연결되는 부위는 압전 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치.
KR1020207033005A 2018-04-17 2019-01-14 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치 KR20210006372A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810341925.0 2018-04-17
CN201810341925.0A CN108362777A (zh) 2018-04-17 2018-04-17 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置
PCT/CN2019/071527 WO2019200986A1 (zh) 2018-04-17 2019-01-14 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210006372A true KR20210006372A (ko) 2021-01-18

Family

ID=63008344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207033005A KR20210006372A (ko) 2018-04-17 2019-01-14 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR20210006372A (ko)
CN (1) CN108362777A (ko)
WO (1) WO2019200986A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108362777A (zh) * 2018-04-17 2018-08-03 河海大学 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置
CN114261947B (zh) * 2021-12-22 2024-05-14 东北林业大学 一种利用振动辅助针尖轨迹运动加工纳米周期结构的方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101324447A (zh) * 2008-07-25 2008-12-17 北京交通大学 基于ccd和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调系统
CN201266127Y (zh) * 2008-09-28 2009-07-01 中冶建筑研究总院有限公司 一种有粘结预应力钢束力值监测装置
CN201662424U (zh) * 2009-12-18 2010-12-01 东华大学 一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪
CN202041222U (zh) * 2011-03-29 2011-11-16 哈尔滨工程大学 一种壁中波导长周期光纤光栅传感器
LT6006B (lt) * 2012-07-25 2014-03-25 Uab "Ekspla" Įsotinantis sugėriklis, skirtas skaidulinių lazerių modų sinchronizacijai, įsotinančios sugerties skaidulinis brego veidrodis ir skaidulinis sinchronizuotų modų lazeris
CN103308145B (zh) * 2013-05-09 2015-04-29 山东大学 高灵敏度光纤振弦式微震传感器及制作方法
CN103364070B (zh) * 2013-07-20 2015-07-15 北京航空航天大学 一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统
CN103438815B (zh) * 2013-08-02 2015-07-08 东南大学 一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法
KR101724828B1 (ko) * 2015-04-13 2017-04-10 한국표준과학연구원 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법
CN104808287A (zh) * 2015-05-19 2015-07-29 南通大学 一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅及其制备方法
CN108139366A (zh) * 2015-07-30 2018-06-08 天津生态城数聚空间信息技术有限公司 基于声发射的健康监测方法和系统
CN105043425A (zh) * 2015-07-31 2015-11-11 冉曾令 一种振弦式光纤光栅传感器及其制作工艺
CN205981114U (zh) * 2016-08-01 2017-02-22 长安大学 基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置
CN208547608U (zh) * 2018-04-17 2019-02-26 河海大学 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置
CN108362777A (zh) * 2018-04-17 2018-08-03 河海大学 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108362777A (zh) 2018-08-03
WO2019200986A1 (zh) 2019-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6289143B1 (en) Fiber optic acoustic emission sensor
US7646946B2 (en) Intensity modulated fiber optic strain sensor
US7697797B2 (en) Aligned embossed diaphragm based fiber optic sensor
Chen et al. A novel ultrasound fibre optic sensor based on a fused-tapered optical fibre coupler
US10551255B2 (en) Optical sensor device, sensor apparatus and cable
Sun et al. Multimode interference-based fiber-optic ultrasonic sensor for non-contact displacement measurement
KR20210006372A (ko) 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치
CN111289085B (zh) 麦克风振膜振幅测量方法及其装置
US6097478A (en) Fiber optic acoustic emission sensor
CN104776954A (zh) 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器
CN112147368A (zh) 一种反射式光纤加速度测量装置
Li et al. Multipoint and energy-equal fiber-optic laser-ultrasonic actuator based on peanut-shaped structures
CN109596206B (zh) 基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器
Chang et al. Fiber optic vibration sensor based on over-coupled fused coupler
CN208547608U (zh) 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置
CN112067843A (zh) 一种基于纤芯失配的光纤加速度测量装置
Kishore et al. Fiber optic vibration sensors
Wu et al. A novel optical accelerometer based on slant-ended fiber
CN216746413U (zh) 一种基于lpg和fbg的联级结构振动传感器
Sakai et al. Sensitivity Enhancement of FBG Sensors for Acoustic Emission Using Waveguides
CN203745132U (zh) 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器
Yamazaki et al. Micro-displacement vibration measurement using a hetero-core fiber optic tip macro-bending sensor
Lim et al. Ultrasonic active fiber sensor based on pulse-echo method
Wang et al. Method of EFPI fiber sensor in partial discharge detection
Png Design and Development of Mach-zehnder Interferometer Fiber Sensor for Structural Health Monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application