광섬유와 필름격자를 이용한 가속도 센서
Acceleration Sensor Using Optical Fibers and Film Gratings
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초록
상용의 전자기 가속도 센서에 비해 신호의 안정성 면에서 우수하고 가격이 저렴하며 제작이 비교적 용이한 필름 격자를 이용한 광세기 방식의 새로운 가속도 센서를 제안하고 이를 제작하였다. 외부의 진동에 반응하는 외팔보(cantilever beam)에 서로 주기가 어긋 난 2장의 진폭 변조용 필름 격자가 나란히 부착되어 이 필름격자를 지나가는 출력광이 외부진동에 따라 서로 다른 위상으로 변조된다. 이 두 필름격자에 의한 출력의 위상각을 이용하여 출력광 신호의 위상을 구하고, 위상 연속화 과정을 거쳐 외팔보의 변위를 계산하여 가속도 환산 관계식을 통해 가속도를 측정하였다. 본 논문의 필름 격자를 이용한 광섬유 가속도 센서는 대형 구조물 및 토목 구조물의 모니터링에 알맞은 7 Hz 이하의 저주파 대역에서 사용 가능하도록 설계하였다. 이 광섬유 가속도 센서는 광섬유를 이용하였으므로 전자기적 노이즈가 예상되는 곳에서도 구조물의 진동 측정에 적합하다.
Abstract
We develop a fiber optic acceleration sensor with LED, PD, POF, and a cantilever beam, having film grating at the edge of the beam. Light is transmitted from LED to PD through the film grating. When the cantilever beam moves by external vibration, output light is modulated as sinusoidal signals. The characteristics of output signals are dominated by the spacing of the film grating and also by the size and the elasticity of the beam. Two output signals, having constant initial phase difference, are obtained by two gratings with 90 degree phase difference. Those two signals are used to determine phase angle, which is proportional to the displacement of the beam. Finally, the acceleration is determined from conversion equation between displacement and acceleration. This sensor is designed for monitoring the vibration of large and complex building in the low frequency range of below 7 Hz, and is particularly suitable to measure acceleration in electromagnetic environments.
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