Abstract
The packaged optical fiber Bragg grating sensors which were networked by multiplexing the Bragg grating sensors with WDM technology were investigated in application for the structural health monitoring of the marine trestle structure transporting the ship. The optical fiber Bragg grating sensor was packaged in a cylindrical shape made of aluminum tubes. Furthermore, after the packaged optical fiber sensor was inserted in polymeric tube, the epoxy was filled inside the tube so that the sensor has resistance and durability against sea water. The packaged optical fiber sensor component was investigated under 0.2 MPa of hydraulic pressure and was found to be robust. The number and location of Bragg gratings attached at the trestle were determined where the trestle was subject to high displacement obtained by the finite element simulation. Strain of the part in the trestle being subjected to the maximum load was analyzed to be ${\sim}1000{\mu}{\varepsilon}$ and thus shift in Bragg wavelength of the sensor caused by the maximum load of the trestle was found to be ~1,200 pm. According to results of the finite element analysis, the Bragg wavelength spacings of the sensors were determined to have 3~5 nm without overlapping of grating wavelengths between sensors when the trestle was under loads and thus 50 of the grating sensors with each module consisting of 5 sensors could be networked within 150 nm optical window at 1550 nm wavelength of the Bragg wavelength interrogator. Shifts in Bragg wavelength of the 5 packaged optical fiber sensors attached at the mock trestle unit were well interrogated by the grating interrogator which used the optical fiber loop mirror, and the maximum strain rate was measured to be about $235.650{\mu}{\varepsilon}$. The modelling result of the sensor packaging and networking was in good agreements with experimental result each other.
본 연구에서는 선박이송용 트레슬의 표면에 부착할 수 있는 광섬유센서 패키지를 설계하고 파장다중분할방식에 기초한 센서 네트워크를 설계한 후, 모의 트레슬 유닛을 이용한 실험을 통하여 트레슬의 구조적 건전 모니터링을 위한 스마트 트레슬의 가능성을 확인하였다. 광섬유 브래그 격자 센서는 알루미늄 관으로 만들어진 원통형으로 패키징 되었다. 또한, 패키징 된 광섬유 센서를 폴리머 튜브에 삽입 한 후, 튜브 내부에 에폭시를 충전하여 센서가 해수에 대한 부식저항과 내구성을 갖도록 하였다. 패키지 된 광섬유 센서는 0.2 MPa 하의 수압테스트를 통하여 해수에서의 사용에 대한 신뢰성도 검증되었다. 트레슬의 변형에 관한 유한 요소 해석에 의해 얻어진 트레슬 부재의 변위가 큰 곳을 중심으로 트레슬에 부착할 브래그 격자의 수와 위치를 결정하였다. 최대 하중이 가해지는 트레슬 부재의 변형은 ${\sim}1000{\mu}{\varepsilon}$의 변형율로 분석되었으며, 그 때 트레슬에 걸리는 최대 하중으로 인한 센서의 브래그 파장 변화는 ~1,200 pm으로 계산되었다. 유한 요소 해석에서 얻은 결과에 따라 센서의 브래그 파장 간격을 3~5 nm로 결정하여 트레슬에 하중이 가해 졌을 때 센서 사이의 브래그 격자 파장값이 겹치지 않도록 설계하였다. 5개의 광섬유센서 패키지로 구성된 센서 모듈 5개를 연결하면 브래그 격자 센서 50개가 네트워크 될 수 있으므로, 브래그 격자 파장 검출기의 광원 중심 파장이 1550 nm에서 150 nm 광학 창 내에서 모두 검출될 수 있도록 하였다. 모의 트레슬 유닛에 부착 된 5개의 광섬유 센서 패키지의 브래그 파장 이동은 광섬유 루프미러를 사용하는 브래그 격자 파장검출기에 의해 잘 검출되었으며, 그 때 검출된 브래그 격자 센서의 값은 최대 변형률이 약 $235.650{\mu}{\varepsilon}$로 측정되었다. 센서 패키징과 네트워킹의 모델링 결과는 실험 결과와 서로 잘 일치하였다.