그림 1. FBG (광섬유 브래그 격자) 스트레인 게이지의 작동 원리.

공공 기반 시설에 적합한 최신식 모니터링 기술

교량, 파이프 라인, 터널, 토대, 도로, 댐을 포함한 거의 모든 유형의 공공 기반 시설은 성능을 저하시키거나 오작동을 일으킬 수 있는 요인에 영향을 받습니다. 이러한 구조적 문제는 열화, 부적절한 시공 방법, 지진 활동, 인근 건축 공사 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 전기식 스트레인 게이지는 구조 변화를 모니터링하는데 오랫동안 사용되었지만, 장기간에 걸쳐 정확하고 실행 가능한 정보를 제공하는데 필요한 내구성과 무결성이 부족한 경우가 있습니다.

광섬유 센서란 무엇입니까?

FBG (광섬유 브래그 격자)를 기반으로 하는 광섬유 스트레인 게이지는 기존의 전기식 스트레인 게이지를 제어하는 원리와는 매우 다른 원리로 작동합니다. 쉽게 말하면, 광섬유 브래그 격자는 자외선 레이저로 게르마늄 도핑된 표준 단일 모드 통신 섬유를 수정하여 만든 미세 구조(일반적으로 수 밀리미터 길이)입니다. 이 미세 구조는 그 광섬유의 굴절률에 주기적인 변화를 일으킵니다. 빛이 광섬유를 따라 이동함에 따라 브래그 격자는 매우 좁은 범위의 파장을 반사합니다; 모든 다른 파장들은 격자를 통해 전송됩니다. 반사된 파장의 이 대역의 중심은 브래그 파장(Bragg wavelength)으로 알려져 있습니다 (그림 1 과 2). 변형력 하에서, FBG의 주기는 광섬유의 물리적 확장 혹은 압축으로 인해 증가합니다. 이러한 변화는 브래그 파장의 이동을 일으키고, 브래그 파장은 이어서 인터로게이터(즉, 데이터 획득 시스템)에 의해 감지되고 기록됩니다.

그림 2. 위상 마스크 방법을 사용하여 광섬유 브래그 격자 제작. 위상 마스크는 입사된 자외선의 2차 굴절을 생성하여 섬유의 코어에서 최대 및 최소 간섭 패턴을 만들어냅니다. 섬유의 굴절률은 노출되는 빛의 강도에 따라 영구적으로 변경됩니다. 광섬유 내에서의 다양한 광학 특성의 정확한 간격은 브래그 격자를 형성합니다.

옵티컬 측정 기술에는 많은 장점이 있습니다.

스트레인과 더불어, 광섬유 브래그 격자는 온도에 민감합니다. FBG를 사용하여 온도를 모니터링 할 수 있지만 온도 센서를 변형 센서와 결합하여 온도 센서가 변형 센서에 미치는 영향을 보완하는 것이 좋습니다. 변형 및 온도 외에도 FBG 기반 센서를 사용하여 기울기, 가속, 압력 등과 같은 다양한 다른 매개 변수를 모니터링 할 수 있습니다.

FBG 기반 광섬유 스트레인 게이지는 전기식 스트레인 게이지보다 많은 장점이 있습니다. 예를 들어 장기적인 신호 안정성과 시스템 내구성을 제공합니다. 교통량이 매우 많은 도로나 교량과 같은 높은 진동이 발생하는 상황에서 기계 고장이 발생할 확률이 매우 적습니다. 거리 및 케이블 길이는 측정 정확도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 광섬유 기반 시스템은 최소한의 신호 감쇠만을 감지하기 때문에 데이터 수집 시스템이 가장 멀리 떨어져있는 센서에서 수 킬로미터 떨어진 곳에 있어야 한다고 해도 데이터 무결성은 높습니다. 광섬유는 구리 도체보다 훨씬 얇고 가벼우므로 연결 리드가 훨씬 가볍습니다. 단일 측정 리드를 사용하면 기본 파장이 다른 많은 센서를 연결할 수 있기 때문에 필요한 배선 작업을 줄일 수 있습니다. 전자기 및 무선 주파수 간섭(EMI/RFI)에 대한 내성은 철도 교량 또는 강력한 전자기장을 생성할 수 있는 전동식 열차용 터널과 같은 구조에서 매우 중요합니다.

케이블링이 훨씬 적게 필요합니다.

FBG 센서를 사용하면 기술에 내재된 다중 송신 기능으로 감시 시스템에 필요한 케이블 연결량을 대폭 줄여 모니터링 중인 구조물에 미치는 영향을 최소화 할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 "멀티플렉싱"은 여러 유형의 많은 광 센서를 단일 광섬유에 연결할 수 있는 기능을 말하며 네트워크 및 설치 시에 복잡성을 줄여줍니다. 수십 개의 센서가 있는 센서 어레이는 사전 조립되어 설치가 간단합니다; 이는 표면과 재료들에 붙이기 쉽고, 구조물이나 부품에 스폿 용접을 하거나, 부을 때 콘크리트에 붙이거나 주조하기 쉽습니다. 크기가 작고 무게 또한 가볍기 때문에 복합 구조물과 같은, 한정적인 공간과 내재된 애플리케이션에 특히 적합합니다. 센서당 비용이 상대적으로 저렴하고 단일 케이블에서 여러 센서 유형을 결합할 수 있으며 시스템에 다중 인터로게이터가 필요하지 않아 중대형 프로젝트의 비용적인 면에서 효율적인 솔루션을 제공합니다.

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극한 환경의 측정에 적합합니다.

극한 환경에서도 사용하기에 적합합니다. EMI / RFI 내성뿐만 아니라 물 및 습기, 염분, 극한 기온 및 고압(최대 400 bar)으로 인한 내식성도 뛰어납니다. 폭발 가능성이 있는 대기 및 고전압 지역에서도 사용하기에 안전합니다.

금속 호일 스트레인 게이지와 달리 FBG 센서는 인터로게이터/수집 시스템과 독립적으로 참조됩니다. 그 대신, 전력 변동에 독립적이며 변형(또는 온도 변화)이 적용될 때만 변화하는 절대 파라미터 (Bragg wavelength)의 측정을 기반으로 합니다. 센서에 의해 생성된 값을 측정하는 광학 인터로게이터 자체에는 수신된 파장 값을 정확하게 결정하기 위한 "눈금자"와 같이 작동하는 내재된 기준이 있습니다. 이 내부 기준을 바탕으로 측정하는 모든 순간마다 인터로게이터를 교정할 수 있게 됩니다.

그림 3. 터널 모니터링을 위한 측정 섹션 설치.

오늘 날 사용되는 건축 자재의 피로도 측정

공공 기반 시설에 사용되는 오늘 날의 건축 자재는 예전에 비해 더 높은 피로도를 가지고 있어 피로 및 변형률이 높습니다. 강철, 콘크리트 및 목재와 같이 일반적으로 사용되는 재료일지라도 피로 거동을 최적화하기 위해 점점 더 많은 수정이 이루어지고 있으므로 피로 한계가 더 높은 설계 시스템도 요구하고 있습니다.
그림 3은 공공 기반 시설 모니터링에서 광섬유 감지의 사례에 대해 보여줍니다. HBM FiberSensing은 브라질 상파울로의 지하철 선로에서 터널 변형 및 내공변위를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 센서 네트워크를 설계하는데 도움을 주었습니다. 터널 감시 시스템은 굴착 과정 및 지하철 선로의 작동이 중단되지 않고 메트로 라이더의 안전을 보장하기 위해 고층건물용 지지벽을 건설하는 동안 필요했습니다. 이 프로젝트에 사용 된 터널의 내공변위를 결정하는 기계식 변형률계 사용 방법은 FBG 기반 센서를 사용하여 터널 윤곽을 따라 다른 지점에서 변형을 측정하고 터널 지보공의 변위로 변환합니다.. 또한 시간 경과에 따른 지보공 내공변위의 정량화와 기하학적 진화를 가능하게 합니다.

터널의 두 섹션은 각각 7개의 측정 포인트와 각 측정 포인트에서 하나의 변형 및 하나의 온도 센서로 모니터링 되었습니다. 4개의 광학 채널이 있는 FS22 rack-mountable BraggMETER를 사용하여 모든 센서를 조사하고 분당 한 번씩 데이터를 수집한 다음 처리하여 데이터베이스에 저장하였습니다. 측정 장치, 서버 PC, UPS 및 인터넷 연결을 보호하기 위해 19인치 랙이 인근에 설치되었습니다. 측정된 파장은 브래그 파장에 대한 열 효과를 보정한 변형률 측정값을 얻기 위해 계산되었고, 내공변위는 method 알고리즘으로 추정되었습니다. 시스템 설계도를 포함하여 이 프로젝트에 대한 자세한 내용은 다음 웹 사이트에서 제공되는 제 15회 실험 역학 국제 학술회의 "광섬유 기반 센서를 사용한 상 파울로 메트로 터널 변형 원격 모니터링"에서 볼 수 있습니다: http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.

그림 4. 콘크리트를 붓기 전, 교량의 갑판 위에 설치된 내장형 스트레인 센서.

최적화 된 성능 및 가격

마찬가지로, HBM FiberSensing 변형률 및 온도 측정 시스템은 알제리 콘스탄틴 루멜 강에서 1.1km의 케이블로 고정 된 다리를 장기간 모니터링 하는데 사용되어 왔습니다. 이 시스템은 기존 기술 센서 및 데이터 수집 장치와 병렬로 설치되었으며 전체 구조 모니터링 시스템 (SHM)으로 통합되었습니다. 센서는 변형 및 온도 센서 배열로 미리 조립되어 운반되어 콘크리트 내부로 운반됩니다. 어레이의 각 끝에는 광 커넥터가 있습니다. 4개의 광섬유가 있는 긴 광 브레이크아웃 케이블과 각 끝에 있는 커넥터를 사용하여 여러 어레이 위치를 연결했습니다. 이 사전 조립 및 준비 작업은 케이블 수를 줄여주었을 뿐만 아니라 커넥터를 사용하기에, 특수 인력이나 장비를 필요로 하지 않기 때문에 설치 효율성이 향상되었습니다. 하나의 4채널 BraggMETER 인터로게이터는 총 40개의 FGB 기반 센서에 대해 22개의 변형 센서와 18개의 온도 센서에서 동시에 데이터를 수집합니다. 인터로게이터는 다른 데이터 수집 시스템과 함께 설치되며 사용 가능한 LAN 인터페이스를 사용하여 동시에 제어됩니다. 비록 엔지니어들이 구조적 모니터링에 있어서 전기식 스트레인 게이지를 사용하는 데 수십 년의 경험을 갖고 있을 수 있지만 이러한 애플리케이션은 광섬유 센서가 얼마나 다양한 경제적 및 성능적 이점을 제공할 수 있는지를 입증해 줍니다.