광섬유 브래그 격자 센서가 있는 광섬유 라인에 라만 OTDR을 이용한 분포 온도 및 변형률 측정 가능성에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

한 개의 감지 광섬유 라인으로 분포 온도와 몇 개의 변형률을 측정할 수 있는 새로운 광섬유 센서연구를 수행하였다. 분포 온도는 감지 광섬유의 라만 안티-스토크스 산란광을 시간영역 반사계(OTDR: optical time domain reflectometry)로 측정하고, 변형률은 광섬유 브래그 격자(FBG: fiber Bragg grating)를 사용하여 측정하였다. 분포 온도는 4 km의 단일 모드 광섬유의 감지 광섬유로부터 안티-스토크스 후방 산란광을 양방향에서 취득하고 새로이 고안된 수식으로 온도를 계산하였다. 온도 실험은 감지 광섬유의 중간쯤에서 약 50 m의 광섬유 부분의 온도를 30℃부터 70℃까지 10℃ 간격으로 변화시키면서 실험한 결과 온도 측정 오차 범위는 0.50℃이하로 확인되었다. 또한 감지 광섬유에 설치된 FBG는 변위 스테이지로 변형시키고 파장 변화를 광학 스펙트럼 분석기로 측정한 결과 각각 0.10 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm를 얻었다. 이러한 파장이동은 각각 85.76µϵ, 145.55 µϵ, 247.86µϵ, 0.00 µϵ에 해당되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we propose a novel fiber optic sensor to show the measurement feasibility of distributed temperature and strains in a single sensing fiber line. Distributed temperature can be measured using optical time domain reflectometry (OTDR) with a Raman anti-Stokes light in the sensing fiber line. Moreover, the strain can be measured by fiber Bragg gratings (FBGs) in the same sensing fiber line. The anti-Stokes Raman back-scattering lights from both ends of the sensing fiber, which consists of a 4 km single mode optical fiber, are acquired and inserted into a newly formulated equation to calculate the temperature. Furthermore, the center wavelengths from the FBGs in the sensing fiber are detected by an optical spectrum analyzer; these are converted to strain values. The initial wavelengths of the FBGs are selected to avoid a cross-talk with the wavelength of the Raman pulsed pump light. Wavelength shifts from a tension test were found to be 0.1 nm, 0.17 nm, 0.29 nm, and 0.00 nm, with corresponding strain values of 85.76µϵ, 145.55µϵ, 247.86µϵ, and 0.00µϵ, respectively. In addition, a 50 m portion of the sensing fiber from 30℃ to 70℃ at 10℃ intervals was used to measure the distributed temperature. In all tests, the temperature measurement accuracy of the proposed sensor was less than 0.50℃.

목차 (Table of Contents)

• 초록
• Abstract
• 1. 서론
• 2. FBG가 있는 라만 OTDR 센서의 원리
• 3. 분포 온도 및 변형률의 측정 실험
• 4. 결론
• References

참고문헌 (Reference)

• 1 김헌영, "주기적인 반복 열하중에 노출된 광섬유 센서의 신뢰성 평가" 한국비파괴검사학회 36 (36): 225-230, 2016
• 2 이진혁, "광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 에폭시 수지의 경화도 모니터링" 한국비파괴검사학회 36 (36): 211-216, 2016
• 3 김근진, "광섬유 FBG 센서의 시간 분할 다중화를 위한 반사 신호의 분석" 한국비파괴검사학회 30 (30): 6-12, 2010
• 4 G. J. Lee, "The study on the fiber optic sensor for the distributed temperature measurement" 1746-1749, 1997
• 5 K-J. Lee, "The Study on the Fiber Optic Sensor for the Distributed Temperature Measurement" 12 : 1746-1749, 1997
• 6 Derek A. Long, "The Raman Effect : A Unified Treatment of the Theory of Raman Scattering by Molecules" 2002
• 7 I.-B. Kwon, "Structural health monitoring using fiber optic sensors" 25 (25): 400-404, 2005
• 8 D. Hwang, "Novel autocorrection method in a fiber-optic distributed-temperature sensor using reflected anti-Stokes Raman scattering" 18 : 9747-9754, 2010
• 9 F. Zaidi, "Integrated hybrid Raman/fiber Bragg grating interrogation scheme for distributed temperature and point dynamic strain measurements" 51 (51): 7268-7275, 2012
• 10 J. M. Lopez-Higuera, "Handbook of Optical Fibre Sensing Technology" Wiley 2002
• 11 P. R. Stoddart, "Fiber optic distributed temperature sensor with an integrated background correction function" 16 : 1299-1304, 2005
• 12 J. P. Dakin, "Distributed optical fibre Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector" 21 (21): 569-570, 1985
• 13 K. Suh, "Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor" 33 : 1845-1847, 2008
• 14 A. Kimura, "Application of a Raman distributed temperature sensor to the experimental fast reactor JOYO with correction techniques" 12 : 966-973, 2001
• 15 P. C. Wait, "A theoretical comparison of spontaneous Raman and Brillouin based fiber optic distributed temperature sensors" 144 : 17-23, 1997
• 16 G. Yilmaz, "A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables" 125 : 148-155, 2006
• 17 J-K. Min, "A Study on the Distributed Temperature Sensor System using Scattering Light in Optical fiber" 41 : 75-80, 1996
• 18 J-K. Min, "A Study on the Distributed Optical-Fiber Temperature Sensor using Raman Scattering" Chonbuk National University Electrical Engineering 1995