분산형 광섬유 센서의 원리와 응용 -INNO

최근에는, 광섬유 감지 기술은 빠르게 발전하여 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다., 광섬유 통신 산업의 발전 이후 점차 또 다른 주요 광섬유 응용 기술 산업이 되고 있습니다.. 그 중, 분산형 광섬유 센싱은 현재 국내외적으로 뜨거운 연구 주제 중 하나입니다..

분산형 광섬유 감지 측정은 광섬유의 1차원 공간 연속성 특성을 측정에 활용하는 기술입니다.. 광섬유는 감지 요소와 전송 요소 역할을 모두 수행합니다., 섬유의 전체 길이에 걸쳐 분산된 환경 매개변수를 지속적으로 측정할 수 있습니다., 측정된 데이터의 공간적 분포 현황과 시간적 정보를 획득하면서. 분산 광섬유 센싱 기술에는 주로 섬유 라만 산란이나 브릴루앙 산란을 기반으로 하는 광학적 시간 영역 반사 기술과 주파수 영역 반사 기술이 포함됩니다. (R/B OTDR/OFDR), 섬유 레일리 산란 기반의 편광 광학 시간 영역 반사 기술 (P-OTDR), 장거리 광간섭 기술, 및 준분산 광섬유 브래그 격자 다중화 기술.

원리 분산 광섬유 감지 기술

후방산란 기반 분산 광섬유 감지 기술

광파가 광섬유에서 전파될 때, 그들은 후방 산란광을 생성합니다, 레일리 산란을 포함하여, 라만 산란, 브릴루앙 산란. 광섬유 케이블을 따라 다양한 지점에서 발생하는 후방 산란을 감지하여, 후방 산란광과 측정된 빛의 관계 (온도와 같은, 스트레스, 진동, 등.) 라만 산란을 기반으로 분산 광섬유 온도 감지를 달성하는 데 사용할 수 있습니다..

안티 스톡스 라만 반사 신호 측정 광섬유는 분산을 달성할 수 있습니다 온도 감지. 1980년대 이후, 반스토크스 라만 산란 신호의 광시간 영역 측정 기술에 대한 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다..

광섬유 후방 산란의 온도 효과를 활용하여, 섬유가 위치한 공간의 각 지점의 온도 장은 섬유의 반스토크스 후방 산란광의 강도를 변조합니다.. 광학 시간 영역 반사 (OTDR) 광섬유 기술은 측정된 온도 지점을 감지하고 찾는 데 사용됩니다.. 이 기술은 측정 원리가 간단하고 비용이 상대적으로 저렴합니다.. 현재, 그것은 이상 측정 거리를 달성할 수 있습니다 10 km이며 어느 정도 적용되었습니다.. 하지만, 고출력이 필요하다, 단펄스 광원 및 고속 신호 증폭 및 획득 장치, 온도 측정 정확도와 공간 분해능은 장치 성능과 비용에 따라 제한됩니다..

최근에는, 광주파수 영역 반사 기술 (OFDR) 또한 급속한 발전을 경험했습니다.. OFDR 기술은 전력 변조 연속 레이저를 광원으로 사용합니다., 그래서 후방 라만 산란력은 거의 2000 동일한 사고 조건에서 OTDR 기술보다 몇 배 더 높습니다.. 신호가 고속으로 변조되지만, 주파수 대역이 좁고 필터링을 통해 노이즈 제거가 용이함, 감지 신호의 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있습니다.. 공간해상도 측면에서 더 큰 장점을 가지고 있습니다., 탐지 정확도, 그리고 실시간 성능.

분산 광섬유 온도/스트레스 감지 브릴루앙 산란 기반

좁은 선폭의 연속 레이저를 사용하여 단일 모드 광섬유를 펌핑하는 경우, 브릴루앙 산란은 주요 비선형 효과입니다.. 브릴루앙 산란의 산란 성능은 브릴루앙 산란 주파수 이동의 크기로 설명할 수 있습니다., 이는 매체의 포논 속도와 관련이 있습니다., 이 속도는 온도와 변형률에 따라 달라집니다.. 분산 광섬유 온도 및 응력 감지는 스펙트럼 분석을 통해 온도 또는 응력 정보를 얻고 펄스 광을 사용하여 매개변수 필드 분포를 찾아 달성할 수 있습니다..

유도 브릴루앙 산란을 기반으로 한 분산 광섬유 감지 기술은 온도, 응력 등 단일 분산 매개변수를 측정하기 위한 높은 정확도와 공간 분해능을 갖추고 있습니다., 최근 몇 년 동안 개발된 가장 유망하고 획기적인 기술입니다.. 일반적으로 Pump Probe 구조를 채택합니다., Brillouin 광학 시간 영역 분석으로 알려져 있음 (보타). 현재, 유도 브릴루앙 산란을 기반으로 한 분산 광섬유 감지 기술에는 주로 펄스 레이저 펌핑 기반의 BOTDA가 포함됩니다., 상관 연속파 기반 BOTDA, 다크 펄스 레이저 펌핑을 기반으로 한 BOTDA.

편광 시간 영역 반사를 기반으로 한 분산 감지

편광된 시간 영역 반사 (POTDR) 센싱은 광섬유의 편광 상태 변화를 감지하여 분산형 광섬유 센싱을 구현하는 새로운 센싱 기술입니다.. POTDR 기술은 OTDR 기술을 기반으로 개발되었습니다., 작동 원리는 테스트된 단일 모드 광섬유의 역방향 레일리 산란광이 광섬유를 따라 변하는 편광 상태에 대한 추가 정보를 포함한다는 것입니다.. 선형 편광을 광섬유에 결합함으로써, 레일리 산란은 광 펄스가 광섬유에 전달될 때 발생합니다.. 산란 과정에서, 빛의 편광 상태는 광섬유에 대한 외부 매개변수의 작용에 따라 변경됩니다., 빛의 편광은 위치에 따라 달라집니다.. 그러므로, 후방 산란된 빛의 편광 특성을 감지하여, 광섬유의 편광 특성의 시간적, 공간적 분포를 얻을 수 있습니다., 이를 통해 측정된 필드 분포를 얻습니다.. 분산 광섬유 감지 기술은 측정 정확도가 뛰어납니다., 신뢰할 수 있음, 및 동적 측정 특성, 본질적으로 안전하고 엔지니어링에 적용하기 쉽습니다.. 그러므로, 그것은 토목 공학에서 널리 사용됩니다., 비행, 힘, 석유화학, 의료 및 기타 분야.

1. 토목공학 구조물에 적용

분산형 광섬유 센싱 기술은 교량 등 토목 구조물의 안전 감지에 널리 사용됩니다., 암석 변형 측정, 도로 및 현장 측정, 및 경계 보안 모니터링. 속도 모니터링에 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다., 부하 용량, 운송 차량의 종류. 이 유형의 센서의 측정 정확도는 여러 마이크로스트레인 수준에 도달할 수 있습니다., 좋은 신뢰성으로, 동적 측정을 달성할 수 있습니다.. 분산 임베딩을 사용하여, 건물 전체의 상태를 모니터링할 수도 있습니다., 이를 통해 엔지니어링 및 교통사고 발생을 예방합니다..

2. 항공우주 분야의 응용

항공우주 분야에서는, 비행 안전은 매우 우려되는 측면입니다. 광섬유 센서는 크기가 작다는 장점이 있습니다., 가벼운 무게, 그리고 높은 감도. 분산 광섬유 감지 기술은 일찍이 항공우주 분야의 비파괴 검사에 성공적으로 사용되었습니다. 1988. 광섬유 센서를 항공기 또는 발사대 구조물에 내장하여 분산 지능형 감지 네트워크를 형성하면 항공기 및 발사대의 내부 기계 성능과 외부 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.. 보잉은 이 분야에 대해 많은 연구를 수행해왔습니다.. 현재, 분산 광섬유 감지 기술을 사용하여 항공기 날개의 변형 및 변위 모니터링을 달성할 수 있습니다., 날개, 안정제 샤프트, 지지대, 그리고 다른 위치, 모터 및 회로와 같은 연결 지점의 작동 온도에 대한 실시간 온라인 측정.

3. 조선 산업의 응용

광섬유 감지 기술은 조선 산업에서도 널리 사용됩니다., 선박의 중요한 위치에서의 변형 모니터링 등, 피해 평가, 과부하 상황에서 조기 경고. 선박의 구조적 결함은 종종 안전 성능에 영향을 미칩니다.. 분산형 광섬유 센싱 기술을 기반으로 한 대규모 구조 건전성 모니터링 시스템으로 선박의 건전성을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다., 이를 통해 사고가 발생하지 않도록. 선박, 잠수함의 실시간 손상 감지를 위한 광섬유 센싱 기술 대규모 적용.

4. 전력 산업의 응용

전력망의 급속한 확장과 전압 레벨의 지속적인 개선으로 인해 전력 장비의 신뢰성과 안전한 작동에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다.. 하지만, 고전압 감지 기술은 상황의 발전을 따라갈 수 없습니다, 기존의 탐지 장비는 더 이상 현재의 요구 사항을 충족할 수 없습니다.. 현재, 분산 광섬유 센서는 이상적인 감지 기술이며 고전압 전력 시스템의 안전 모니터링에 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.. 예를 들어, 케이블 온도 및 케이블 도체 전류 운반 용량을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.. 광섬유 온도 센서 장거리 전송선의 표면 온도를 실시간으로 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다., 도체 온도의 허용 부하 및 전류 전달 용량을 계산합니다., 송전선의 오류 모니터링 및 부하 관리를 위한 포괄적이고 효과적인 솔루션을 제공합니다., 송전선의 안전 보장, 자산 활용도 향상, 잠재적인 결함 발견, 예방적 유지보수 달성.

5. 석유화학 산업의 응용

누출은 송유관 운영의 주요 결함입니다, 종종 큰 손실을 입는다. 그러므로, 송유관 누출 감지는 석유 산업에서 시급히 해결해야 할 중요한 문제입니다.. 배관 근처에 설치된 센서를 이용하여, 누출 등의 사고로 인해 발생하는 압력 및 진동 신호, 인근 기계 공사, 그리고 인간의 피해를 집어들 수 있습니다. 뿐만 아니라, 센싱 관련 기술을 통해 배관 누수를 감지하고 위치를 파악할 수 있습니다.. 분산 광섬유 감지 기술은 측정된 물리적 장의 연속적인 공간적, 시간적 분포 정보를 얻을 수 있는 능력으로 인해 장거리 파이프라인 누출 감지에 매우 적합합니다.. 게다가, 분산 광섬유 감지 이 기술은 고압 파이프라인의 변형 및 굽힘 상태를 실시간으로 모니터링하는 데에도 사용될 수 있습니다..

6. 의학에서의 응용

광섬유 센서는 부드럽습니다., 콤팩트, 높은 자유도로, 격리, 무선 주파수 및 마이크로파 간섭의 영향을 받지 않습니다., 높은 측정 정확도. 그들은 의료 응용 분야에서 분명한 이점을 가지고 있습니다., 인간의 혈관을 탐지하는 것과 같은, 인간의 수술 교정, 초음파 장 측정. 광섬유 내시경은 인체의 거의 모든 부분을 검사하는 것이 가능합니다., 그리고 수술은 환자에게 통증이나 불편함을 주지 않습니다.. 그 중, 광섬유 혈관 내시경은 인간의 심장 카테터 삽입에 적용되었습니다.. 광섬유내시경은 진단에만 사용되는 것이 아니다, 하지만 현재도 치료 분야에 진출하고 있습니다., 폴립절제술 수술과 같은. 마이크로파 가열 처리 기술은 현재 효과적인 치료 방법입니다., 하지만 마이크로파 가열 처리 기술의 온도는 파악하기 어렵습니다., 그리고 광섬유 온도 센서 마이크로파 가열 처리 기술의 유효 온도를 정밀하게 모니터링할 수 있습니다.. 암 치료에서 광섬유 온도 센서의 연구 및 적용이 점점 더 늘어나고 있습니다..