광섬유센서를 이용한 레저선박의 선체구조모니터링시스템 개발에 관한 연구(Ⅰ)
강남선*†․김헌우**
*, ** 중소조선연구원 해양레저장비개발센터
A Study on the Development of leisure boat's Hull Stress Monitoring System using AWG
Nam-Seon Kang*†․Hyen-Woo Kim**
*, ** Research Institute of Medium & Small Shipbuilding, Busan, 618-820, Korea
요 약 : 주5일제 정착, 소득의 향상, 연안지역 접근성 개선으로 해양관광 활동에 대한 관심과 해양레저 활동에 대한 수요가 증가하고 있으나, 해양활동을 위한 인프라구축 및 레저선박과 인명의 안전을 위한 시스템개발은 미비한 실정이다. 일반선박과 달리 레저선박은 구조안전성 평가 시스템을 위한 규정 및 적용 기준이 명확히 정립되어 있지 않으며, 시스템 개발이 전무하여 레저보트의 운항안전성 확보를 위한 레저보트 구조 안전모니터링시스템의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 도파로 어레이 격자(AWG, Arrayed waveguide grating)와 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 레저보트의 실시간 선체구조모니터링이 가능한 시스템을 개발하여 해상에서의 인명과 레저선박의 안전성을 확보하고자 한다.
핵심용어 : 도파로 어레이 격자, 선체 구조안전모니터링, 광섬유 브래그 격자, 레저선박, 광파장분석기, 엣지필터, 실시간 모니터링
Abstract :The purpose of hull stress monitoring system(HSMS) is to lead hull structure to be safer at lower cost. We proposed a hull stress monitoring system for leisure boats using fiber-optic bragg grating(FBG) strain sensor. Fiber optic sensors are well suited for structure monitoring system, due to their ability to withstand harsh environments, immunity to electromagnetic interference, and reduce cabling installation cost when employing wavelength multiplexing. This paper presents an overview of current research and design of hull stress monitoring system for leisure boats.
Key Words : Arrayed waveguide grating(AWG), Hull Stress Monitoring, Fiber-optic Bragg Grating(FBG), leisure boat, Optical spectrum analyzer(OSA), edge filter, Real-time monitoring
11. 서 론
1990년대 초반 산적화물선(Bulk carrier)의 사고가 급증하면서 해상에서 선박의 선체 구조안전성 개선에 대한 요구가 증가함에 따라 1994년 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서 20,000 dwt 이상의 산적화물선에 선체구조모니터링시 스템(Hull Stress Monitoring System, HSMS)의 설치를 권고하 고 있다.
선체구조모니터링시스템(HSMS)은 Fig. 1과 같이 선체에 LBSG(Long Based Strain Gauge)를 설치하여 운항 중 선박의 Global Stress를 추정하고 선수에 가속도계 및 압력계를 통하여 선체운동에 의한 하중을 측정하는 항해 보조 장비로서, 최근 해 난사고에 따른 선박과 인명의 안전과 환경문제의 방안으로 활
* 대표저자 : 정회원, [email protected], 051-974-5534
용되고 있다(Han et al., 2006).
선체구조모니터링시스템(HSMS)은 국제해사기구(IMO)의 권 고안에 따라 선박의 응력을 측정하기 위하여 LBSG를 사용하고 있으나, LBSG는 부식 및 전자기적인 영향 등 외부환경에 민감 하며, SUS304를 사용하는 게이지 재질과 연강재질의 선체 재료 간의 열팽창 계수가 달라 Fig. 2와 같이 예측된 스트레스 값과 측정된 스트레스 값이 상이한 문제점이 발생하고 있다(Shin et al., 2004). 이러한 LBSG의 단점을 보완하기 위하여 광섬유센서 를 이용한 선체구조모니터링시스템이 개발되고 있으나, 광파장 분석기(Optical Spectrum Analyzer, OSA)를 이용하여 시스템 의 부피가 크고 응답속도가 200∼680 Hz 정로도 낮아 실시간 충격하중의 모니터링을 위한 레저보트의 선체구조모니터링시 스템으로의 적용은 어려운 실정이다.
최근 레이싱요트에 선체구조모니터링시스템을 적용하여 설 계검증 및 평가, 보강재 및 선체의 구조결함을 모니터링을 위한
시스템이 개발되고 있으나, Fig. 3과 같이 광섬유 센서를 선체 와 함께 적층하여 센서의 유지·보수가 어려우며, 레이싱요트의 검증·보수를 목적으로 개발되어 시스템의 효율성이 낮은 단점 이 있다.
본 연구에서는 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 레 저보트에 적용 가능한 실시간 구조안전모니터링시스템을 개발하 여 해상에서의 인명과 레저선박의 안전성을 확보하고자 한다.
Fig. 1. Hull Stress Monitoring System(HSMS)(Light Structures, 2007).
Fig. 2 Comparison of two Stresses(Shin et al, 2004).
Fig. 3. Fiber Optic Sensor covered with CFRP Sheets(Smart Fibres, 1998).
2. 광섬유 센서(Fiber-optic sensor)
광섬유센서는 전기적인 신호를 사용하는 기존의 변형률게이 지보다 감도가 좋고, 광신호를 이용하기 때문에 전자기장에 대 한 영향을 받지 않는다. 또한, 단일 광섬유에 다수의 센서를 용 이하게 설치할 수 있으며, 크기가 작아 구조물에 영향을 미치지 않고 부착 및 내부 삽입이 용이하다는 장점이 있어 광섬유센서 를 레저보트의 선체구조모니터링시스템에 적용하였다.
2.1 광섬유 센서 특징
광섬유센서(Fiber-optic Sensor)는 광섬유를 통과하는 빛의 진폭, 위상 혹은 편광 등을 이용하여 측정하고자 하는 물리량의 변화를 감지함으로서 회전율, 온도, 압력, 수위, 음향, 가스의 농 도, 자기장의 세기, 구조물의 거동관측 등을 측정할 수 있다 (Wnuk et al., 2005).
광섬유 센서 중 구조안전모니터링에는 파장분할 다중화기법 (WDM, Wavelength Division Multiplexing)을 이용한 광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber-optic Bragg Grating)가 많이 사용되 고 있다. 광섬유브래그격자(FBG)는 코어의 굴절률이 주기적으 로 변조하여 특정파장의 빛을 반사시키는 소자로서 광섬유와의 연결손실이 적고 파장선택도가 높으며, 편광에 무관한 특성 등 으로 장시간 사용 시에도 동일한 특성을 얻을 수 있어 건물이 나 교량의 변형을 측정하기 위한 스트레인 센서에 주로 이용되 고 있다(Chan, 2006).
2.2 광섬유 센서 측정방법
광섬유 센서의 측정원리는 Fig. 4와 같이 외부 물리량에 의 해 광섬유격자의 주기나 굴절률의 변화가 발생하면 브래그 반 사파장의 변화가 일어난다. 브래그 반사파장의 변화는 광섬유 격자에 가해진 물리량에 선형적으로 비례하므로 반사파장의 변 화를 측정하면 가해진 물리량의 정보를 계산해 낼 수 있다(이 와 최, 1998).
Fig. 4. A periodic perturbation of the refractive index in the fiber core.
3. 레저보트 구조안전모니터링 시스템 설계
레저선박의 위험상황을 실시간으로 모니터링하고 선체 접합 부의 균열 및 파손, 선체에 가해지는 하중의 확인을 통하여 해 상에서 레저선박 및 인명의 안전을 확보하기 위하여 Fig. 5와 같이 레저보트 구조안전모니터링시스템을 설계하였다.
광섬유 센서를 빠른 속도로 다수의 채널을 측정하기 위하여 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용하여 실시간 계측시스템을 개발하며, 계측된 데이터 및 유한요소해석을 활용하여 레저보 트의 안전성 평가가 가능한 안전성 평가 알고리즘을 개발한다.
운항 중 레저보트의 구조취약부의 선체 하중을 실시간으로 확인하기 위하여 레저선박의 구조취약부에 광섬유 센서를 부착 하고 개발된 계측시스템을 이용하여 데이터를 수집, 개발된 안 전성 평가 알고리즘을 통하여 레저보트의 선체구조안전성을 모 니터링하며, 선체 하중이 기준범위 이상일 경우 시각적/청각적 알람을 발생하여 운항자가 위험에 대처할 수 있도록 시스템을 설계하였다.
Fig. 5. Leisure boat's Hull Stress Monitoring System.
3.1 구조안전성 평가시스템 개발을 위한 계측시스템 현재 광섬유 센서 계측용으로 사용되고 있는 광파장 분석기 (Optical Spectrum Analyzer, OSA)는 브래그 반사파장을 측정 하기 위하여 Fig. 6과 같이 엣지필터(Edge Filter)를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있으나, 이러한 방법은 파장을 측정할 수 있는 범위가 제한적이며, 응답속도가 느려 충격하중의 실시간 측정이 어렵다. 또한 파장 측정 시 브래그 반사파장을 엣지필터 의 중심파장에 맞추어야 반사파장을 측정할 수 있으며, 시스템 의 부피가 크고, 가격이 비싼 단점이 있다(김 등, 2004).
Fig. 6. Optical Interrogator with Edge Filter.
Fig. 7. Structure of Arrayed Waveguide Grating(AWG).
이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 파장분할 다 중화기법(WDM)을 이용한 광통신 소자로 이용되는 도파로 어 레이 격자(Arrayed Waveguide Grating, AWG)를 이용하여 계 측시스템을 개발하였다.
도파로 어레이 격자(AWG)는 Fig. 7과 같이 입사된 빛이 배 열형 광도파로에 나뉘어 진행하면서 일정한 위상 차이를 가지게 되어 일정한 파장대로 나뉘어져 각각의 패널에 출력되어 응답속 도가 빠르고 다수의 센서를 동시에 측정 가능한 장점이 있다.
3.2 계측시스템 설계
레저선박의 실시간 구조안전평가시스템 개발을 위한 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)와 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용 한 계측 시스템은 Fig. 8과 같다.
Fig. 8. Block Diagram of FBG Sensor System.
광원(Super uminescent Light Emitting Diode, SLED)을 이 용하여 광섬유 브래그 격자 센서에 빛을 입사하면 광섬유에 가 해진 외부 물리량에 따라 브래그 격자 반사파장이 출력되며, 출 력된 반사파장을 서큘레이터(Circulator)를 통하여 도파로 어레 이 격자(AWG)로 입사된다. 도파로 어레이 격자(AWG)는 브래 그 격자센서에서 반사된 빛의 파장과 대역폭에 따라 출력 채널 이 결정되며 출력된 도파로 어레이 격자(AWG)의 빛은 광검출 기(PD)를 거쳐 데이터수집(Data Acquisition, DAQ)장비를 사 용하여 각 채널의 광파워의 변화를 식(1)에 의하여 센트로이드
(Centroid) 값을 실시간으로 측정한다.
Centroid =
×
(1)
도파로 어레이 격자(AWG)는 빛의 파장에 따라 출력 채널이 결정되며, 각 출력단에 광검출기(PD)를 연결하면 각 채널의 출 력을 전기적인 신호로 변환하여 동시에 여러 채널의 출력을 측 정할 수 있어 레저보트의 실시간 충격하중을 모니터링 할 수 있다.
시스템에 사용된 도파로 어레이 격자(AWG)는 40개의 채널 을 가지며 채널 간격 0.8 nm, 균일도가 2.1 dB, 동작파장대역이 1,530∼1562 nm인 특성을 가지며, 광원(SLED)은 광소자의 손 실이 가장 적고 특성이 뛰어난 1,550 nm 대역을 중심으로 1,500
∼ 1,600 nm 발광대역을 사용하였다.
4. 레저보트 구조안전모니터링 시스템 구축
4.1 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)
본 연구에서 구축된 계측시스템은 외부 물리량에 의하여 변 화된 브래그 반사파장을 도파로 어레이 격자(AWG)에 연결하 여 채널별 변화량을 측정한다. 하지만 일반적인 브래그 격자 센 서(FBG)의 경우 반사대역폭이 0.5 nm 이하로 제작되어 브래그 격자에 의한 반사파장의 대역폭이 좁아 출력파장이 도파로 어 레이 격자(AWG)의 한 채널로만 출력되어 반사파장의 변화가 생기더라도 Fig. 9와 같이 센트로이드(Centroid) 값이 변하지 않는 문제가 발생하였다.
Fig. 9. Single-mode Fiber-optic Bragg Grating(Single FBG).
Fig. 10. Chirped Fiber-optic Bragg Grating(Chirped FBG).
센트로이드(Centroid) 값의 정확한 측정을 위하여 일반 광섬 유 센서보다 반사대역폭이 넓은 Chirped FBG를 이용하여 반사 파장을 도파로 어레이 격자(AWG)의 여러 채널로 측정 가능하 여 미세한 파장변화를 Fig. 10과 같이 측정할 수 있도록 하였다.
4.2 PD 신호 증폭회로 설계
레저선박의 실시간 선체구조모니터링을 위하여 선체에 가해 지는 외부 물리량을 광섬유 브래그 격자센서(FBG)와 도파로 어레이 격자(AWG)에서 출력된 반사파장을 광검출기(PD)를 거 처 빛의 신호에서 전기적 신호로 변환하여 데이터수집 장치로 입력되는데 광검출기(PD)를 통하여 출력되는 신호가 너무 작아 계측장비에서 인식하지 못하는 문제가 발생하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 광 검출기 출력 단에 OP-amp를 이용한 증폭회로를 설계하여 출력신호를 데이터 계 측장비에서 인식하고 Centroid 값을 계산할 수 있도록 하였다.
4.3 계측 프로그램
광섬유센서(FBG sensor)와 Electric Strain sensor에 인가된 스트레인 값에 따라 반사된 빛의 신호를 실시간 모니터링하고 계측된 데이터를 저장하기 위하여 NI사의 LabVIEW를 이용하 여 AWG 구조안전모니터링 계측 프로그램을 Fig. 11과 같이 개발하였다.
Fig. 11. Hull Stress Measurement Program for Leisure-boat.
5. 레저보트 구조안전모니터링 시스템 개발을 위한 성능검증 실험
레저보트의 구조안전모니터링시스템을 위하여 개발된 계측 시스템의 성능을 검증하기 위하여 변형률을 측정하기 위한 상 용 계측기(EDX-100A)와 변형율 게이지(Electric strain gauge) 를 이용하여 정하중 인장시험을 실시하였다.
5.1 광섬유 적용 시험편 제작
인장시험을 위한 시험편의 두께는 10 mm, 너비는 25 mm, 어 께부 반지름 60 mm, 평행부의 길이 60 mm로 제작하였으며, 사
용된 FRP 시험편은 실제 세일링 요트 제작에 사용되는 재료를 사용하였다.
동일한 시험편에 변형률 게이지(Electric strain gauge)와 광 섬유 격자 센서(FBG)를 부착하여 개발된 계측 시스템과 상용 시스템의 성능을 비교할 수 있도록 하였다.
광섬유 센서 외부에는 광섬유를 보호하기 위한 버퍼층이 코 팅되어있는데 버퍼층이 있는 상태로 스트레인을 인가할 경우 광섬유와 버퍼층 사이에 미끄러짐 현상이 발생하여 측정되는 스트레인 값이 실제의 스트레인 값보다 작게 나타나게 된다. 이 러한 영향을 방지하기 위하여 본 실험에서는 버퍼층을 제거한 후 Bond adhesive resin을 사용하여 부착하였다.
Fig. 12. Material Specification.
Fig. 13. Bond Adhesive Resin for FBG Sensor.
5.2 시스템 검증을 위한 정하중 인장시험
Fig. 14. Hull Stress Monitoring System using AWG.
AWG를 이용한 구조안전모니터링 시스템의 성능검증 및 센트로이드(Centroid)값에 따른 스트레인 값을 측정하기 위하 여 정하중 인장시험을 실시하였다.
인장시험은 중소조선연구원 보유 500kN 인장시험기를 사용 하여 stroke 0.5 mm/min으로 실시하였으며, EDX-100A를 통하 여 변형율 게이지(Electric strain gauge)를 개발된 구조안전모 니터링 시스템을 이용하여 광섬유 센서의 응력을 측정하였다.
5.3 인장시험 결과
분당 0.5 mm의 속도로 인장시험을 한 결과 광 검출기 및 증 폭회로를 통한 AWG 각 채널에서 출력되는 값은 Fig. 15와 같 다. 중심파장 1530 nm FBG센서의 경우 1531.99 nm를 중심으로 힘이 증가함에 따라 AWG 채널 6번에서, 7번, 8번으로 중심파 장이 이동함을 확인 할 수 있다.
인장시험 시 가해진 힘(Force)을 식(2)에 따라 계산하여 인 가된 스트레인(μe)를 구할 수 있으며, 광섬유센서의 계측 값은 식 (1)에 따라 변형률 값에 대한 센트로이드(Centroid) 값을 Fig. 16과 같이 계산할 수 있다.
= ×
(2)
Fig. 15. Output Corrugation of PD(Photodetector).
Fig. 16. Calculation using Centroid Equation.
Fig. 17. Comparison of HSMS using AWG with EDX-100A.
정하중 인장시험을 통하여 개발된 시스템을 검증하여 본 결 과 인장 시험기에 의하여 입력된 힘에 따라 Fig. 17과 같이 실시 간으로 계측되는 것을 확인할 수 있었으며, 입력된 힘과 계측된 오차 값을 계산하여 본 결과 오차율이 ±1.87 %로 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존 광파장계측기(OSA)를 대체할 수 있는 광섬유센서를 이용한 구조안전모니터링 시스템을 개발하였다.
반사대역폭이 넓은 Chirped FBG를 사용하여 스트레인 측정의 정밀도를 높이고 도파로 어레이 격자(AWG)를 이용하여 브래 그 반사파장을 실시간으로 측정 가능한 시스템을 구축하였다.
구축된 시스템을 인장시험을 통하여 상용장비와 성능을 비 교하여 본 결과 상대오차율이 ±1.87 %로 나타났으며, 17KHz의 고속 샘플링이 가능하여 레저선박의 실시간 구조안전 모니터링 이 가능함을 확인할 수 있었다.
이후 개발된 계측시스템을 이용하여 알루미늄 재료에 대한 시험 및 레저보트의 안전성 평가 알고리즘을 추가하여 레저선 박의 선체구조모니터링시스템 구축을 완료하고 실 해상시험을 통하여 시스템의 성능을 검증할 예정이다.
후 기
본 연구는 지식경제부 해양레저장비산업 경쟁력강화사업으 로 수행된 연구결과 중 일부임을 밝히며, 연구비 지원에 감사드 립니다.
참 고 문 헌
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원고접수일 : 2011년 07월 04일 원고수정일 : 2011년 09월 16일 게재확정일 : 2011년 09월 22일
