광섬유 센서와 토목현장계측
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변형과 온도변화에 의해 발생한 광섬유의 측정원리
광섬유의 중심부를 코어(core)라 하고 코어의 둘레를 이루는 부분을 클래드(clad)라고 한다. 클래드는 코어부분에 비하여 굴절률이 낮기 때문에 코어에 입사된 광은 클래드와의 경계면에서 전반사(全反射)를 반복하게 되어 코어 내에서 밖으로 나오지 못하고 전파되어 간다.
광섬유의 장점은 (1) 광대역(廣帶域) (2) 저손실(低損失) (3) 세경(細徑) (4) 경량(輕量) (5) 무유도(無誘導) 등이라는 점이다.
광섬유의 종류
광이 입사하는 각도에 따라 다양한 내부반사가 생길 수 있는데, 광원의 입사각도가 임계각도(critical angle) 보다 클 경우는 항상 전반사가 일어나게 되어 클래딩은 광을 전혀 흡수하지 않으므로 광섬유가 구부러지거나 휘어져 있더라도 먼 거리까지 광을 전파시킬 수 있다.
광섬유의 코어 직경이 9 um인 것을 단일모드 광섬유(SMF, single mode fiber)라고 하며, 125 um인 것을 것을 다중모드 광섬유(MMF, multi mode fiber)라고 한다. SMF는 대역폭이 넓고 장거리로 전송하는데 유리하고, MMF는 대역폭이 좁고 단거리 전송용에 적합하다. 센서용으로는 주로 감도가 우수한 SMF를 사용한다.
광섬유 내부에 빛이 입사되는 경우 매질의 특성에 의 해 빛이 내부에서 산란하여 극히 일부의 빛이 후방으로 다시 반사된다. 후방 산란은 Rayleigh, Raman, Brillouin 산란으로 구분되며 산란광의 반사시간, 진폭, 파장을 분석하면 광섬유의 각 지점에 대한 반사율, 단선, 온도, 변형률 등의 특성을 측정할 수 있다.
산란의 주된 원인인 Rayleigh산란은 매질의 굴절률 변화에 의해 발생하며 입사광과 반사광의 파장이 동일하며 비교적 간단한 장비로 계측 가능하므로 주로 광섬유의 단선과 광손실량을 측정하는데 사용된다.
Raman 산란은 anti-stokes 범위에서 온도에 따라 진폭이 변화한다. Brillouin산란은 광섬유의 변형률 및 온도에 따라 변화한다. BOTDR은 Brillouin산란의 파장 변화를 계측하여 온도에 의한 오차를 보정하는 방법으로 변형률을 산정한다.
From Brillouin scattering to strain and temperature sensing
시간분석
주파수 분석
광섬유 센서로 말뚝의 하중전이 시험
Welding the cable baseband to clean pile surface
Welded cable protected using epoxy resin
심도별 변형율
교량 하중측정
외부 시공에 대한 터널내부 길이방향 변형
시추공 온도 측정
사면변위
철도 레일 길이방향 변형
파이프의 변형 변위
터널 시공 시 상부 변형 측정
기차 주행시 변형 측정
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