광섬유 센서란 무엇입니까?
광섬유 센서는 물리적, 화학적 또는 생물학적 매개변수의 변화를 감지하는 데 사용됩니다. 유리한 기능의 독특한 조합으로 인해 구조 모니터링, 석유 및 가스 탐사, 환경 모니터링 및 의료 진단과 같은 다양한 분야에서 사용되었습니다.
A섬유 센서은 광섬유를 통해 전달되는 빛의 변화를 감지하여 물리적, 화학적, 생물학적 매개변수를 측정하는 장치입니다. 섬유 센서는 다음을 포함하여 다른 감지 기술에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.
장거리 작전 |
광섬유 센서는 심각한 신호 저하나 손실 없이 장거리 신호를 전송할 수 있습니다. 이를 통해 원격 위치에서 사용하거나 매우 큰 구조물을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. |
작고 가볍습니다. |
광섬유 센서는 작고 가벼워서 다양한 시스템에 쉽게 설치하고 통합할 수 있습니다. |
낮은 전력 소비 |
광섬유 센서는 작동하는 데 전력이 거의 필요하지 않으므로 전력이 제한된 원격 및 휴대용 애플리케이션에 이상적입니다. |
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여러 광섬유 센서를 단일 광섬유에 다중화할 수 있으므로 여러 가지 다른 매개변수를 동시에 측정할 수 있습니다. |
고속 |
광섬유 센서는 높은 대역폭과 빠른 응답 시간을 제공할 수 있으므로 동적 측정 및 실시간 제어 애플리케이션에 적합합니다. |
광섬유 센서가 측정할 수 있는 광범위한 물리적 특성과 바람직한 작동 특성의 조합을 통해 다양한 산업 및 응용 분야에서 다양한 작업에 사용할 수 있습니다. 이들 중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.
- 교량, 댐, 건물, 파이프라인, 항공기 등 민간 및 항공우주 구조물의 구조적 상태 모니터링. 센서는 손상, 변형 또는 진동을 감지할 수 있습니다.
- 온도, 습도, 압력, 공기나 물 속의 다양한 화학종 농도 모니터링과 같은 환경 감지.
- 혈당, 혈중 산소 또는 생체 내 pH 수준 측정을 포함한 의료 진단.
- 산업 공정 모니터링 및 제어. 여기에는 파이프나 반응기의 유체나 가스의 레벨, 흐름 또는 구성을 측정하는 것이 포함될 수 있습니다.
- 방어 및 보안. 섬유 센서는 침입, 물체나 구조물의 이동, 국경이나 군사 시설의 지진 활동을 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
현재 사용되는 광섬유 센서의 유형(작동 원리 및 정확한 구현 방법)은 방금 나열된 응용 프로그램만큼 다양합니다. 그러나 그들은 본질적으로 모두 동일한 기본 원칙에 의존합니다. 즉, 빛이 광섬유에 유입되어 이를 통해 전파됩니다. 그런 다음 섬유를 둘러싼 매체의 물리적, 화학적 또는 생물학적 특성에 따라 감지할 수 있는 빛의 변화가 발생합니다. 이러한 변화는 빛의 강도, 위상, 파장 또는 편광 상태(또는 이들의 조합)뿐만 아니라 섬유 자체의 산란 특성에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 각 센서 메커니즘을 자세히 검토해 볼 가치가 있습니다.
파장 기반 센서
파장 기반 센서, 특히 광섬유 브래그 격자(FBG)를 활용하는 센서는 가장 인기 있고 널리 사용되는 유형 중 하나입니다. FBG는 섬유 축을 따라 코어의 굴절률이 주기적으로 변조되는 것입니다. FBG는 제조 시 광섬유에 "기록"됩니다. 이 주기적인 패턴은 특정하고 작은 범위의 파장을 반사하는 브래그 격자를 생성합니다.
FBG의 한 가지 응용 분야는 "분산형" 센서를 만드는 것입니다. 여기서는 각각 약간 다른 파장을 반사하도록 만들어진 일련의 FBG가 단일 광섬유를 따라 서로 다른 위치에 기록됩니다. 빛이 광섬유를 따라 이동할 때 각 FBG는 광원을 향해 일부를 다시 반사합니다. 구조의 온도 또는 기계적 변형의 국지적 변화는 인근 FBG의 주기를 변경하고 따라서 반사되는 파장을 이동시킵니다. 따라서 이 파장 이동을 측정하면 섬유를 따라 변형률과 온도에 대한 공간적으로 해석된 정보가 제공됩니다. 이와 같은 광섬유 센서는 댐이나 다리와 같은 대형 구조물에 내장될 수 있습니다.
그림 1. 분산형 광섬유 센서에서는 광섬유를 따라 있는 일련의 FBG가 각각 좁은 범위의 파장을 반사합니다. 국부적인 온도 변화 또는 기계적 변형은 근처 FBG의 피크 파장을 이동시킵니다. 반사된 빛의 파장을 분석하면 어느 센서가 얼마나 교란되었는지를 알 수 있습니다.
파장 기반 섬유 센서는 또한 다양한 유형의 바이오 센서의 기초를 형성합니다. 이들 중 다수는 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 기반으로 합니다. 여기에는 얇은 금속 필름(보통 금)을 광섬유에 직접 붙이거나 때로는 광섬유의 출력 끝에 위치한 외부 광학 장치에 붙이는 작업이 포함됩니다.
매우 특정한 파장만이 금속-유전체 경계면에서 플라즈몬 진동을 자극합니다. 이 공명 파장은 다른 파장보다 반사가 적습니다. 이 공명 파장은 금속층의 굴절률에 매우 민감합니다.
바이오센서를 만들기 위해서는 금속 필름을 "기능화"해야 합니다. 즉, 특정 표적 분석물에 우선적으로 결합하거나 이를 흡수하는 생체분자(또는 심지어 박테리아)로 코팅됩니다. 분석 물질 분자가 센서 표면에 결합하면 굴절률이 변경됩니다. 이는 공진 파장을 이동시킵니다. 투과된 빛의 파장을 분석하면 표적 분자의 농도를 매우 민감하게 측정할 수 있습니다.
섬유 바이오센서는 빠른 측정 속도와 높은 감도를 포함하여 여러 가지 장점을 제공합니다. 분석물질의 "라벨링"이 필요하지 않습니다. 결과적으로, 이는 수많은 의료 진단 과정, 생물 의학 연구 및 약물 개발 전반, 심지어 농업 및 식품 가공에도 사용됩니다.
위상 기반 센서
위상 기반 센서는 가장 일반적으로 사용되는 광섬유 간섭계입니다. 이는 주변 매체의 일부 변화로 인해 광섬유 또는 외부 광 공동에서 유발된 위상 변화를 측정합니다. 다양한 간섭계 구성이 가능합니다. 가장 널리 사용되는 간섭계는 Mach–Zehnder, Michelson 및 Fabry–Perot 간섭계입니다.
기존의 자유 공간 간섭계와 마찬가지로 Mach–Zehnder 및 Michelson 간섭계는 모두 빔을 기준 암과 감지 암의 두 경로로 분할합니다. 감지 팔만 신호에 노출됩니다. 감지 암 내의 물리적 길이 또는 굴절률의 변화로 인해 감지기에서 간섭 무늬 패턴을 생성하는 경로 사이의 상대적인 위상 이동이 발생합니다. 이는 감지 신호를 제공합니다.
Fabry-Perot 간섭계는 광섬유를 사용하여 측정 지점에 위치한 에탈론(거리별로 분리된 두 개의 평행한 고반사 표면)에 빛을 공급합니다. 진동, 압력, 온도 또는 굴절률(공동에 들어가는 가스나 액체로 인해)으로 인해 발생하는 Fabry-Perot 공동 내 광학 경로 길이의 변화는 간섭 무늬 패턴을 변경합니다. 이 신호는 광섬유를 통해 원래 지점으로 다시 이동하여 감지됩니다. 이 방법은 가스 또는 석유 파이프라인의 하향공 압력을 측정하거나 복합 재료의 변형 또는 온도를 모니터링하는 데 자주 사용됩니다.
그광섬유 자이로스코프는 또 다른 유형의 위상 기반 광섬유 센서입니다. 이 경우 섬유는 단단히 감긴 코일에 들어 있습니다. 광원은 먼저 두 개의 빔으로 분할된 다음 광섬유의 반대쪽 끝에 결합됩니다.
코일이 축을 중심으로 회전하는 경우 두 개의 빔은 서로에 대해 위상 이동을 겪게 됩니다. 이것을 사냑 효과라고 합니다. 두 개의 광선이 광섬유를 빠져나가면 재결합됩니다. 모든 위상 변화는 결합된 빔에 간섭 줄무늬를 생성합니다. 이 패턴은 감지기에 의해 감지되어 회전의 각속도를 결정합니다.
편광 기반 센서
대부분의 편광 기반 센서는 편광 유지 광섬유의 축을 기준으로 45° 각도로 편광을 도입하여 작동합니다. 그런 다음 광섬유 복굴절에 영향을 미치는 테스트 대상 장치의 모든 것(일반적으로 온도 변화 또는 기계적 변형)을 광섬유 출력에서 편광 분석기를 사용하여 감지할 수 있습니다. 많은 구조 모니터링 광섬유 센서는 편광 기반입니다.
편파 기반 센서를 사용하여 전류를 감지할 수도 있습니다. 이는 자기장이 있을 때 빛의 편광면에서 회전을 생성하는 패러데이 효과에 의존합니다. 따라서 이는 전류에 의해 생성된 자기장을 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 광섬유 전류 센서는 빠른 응답 속도, 높은 정확도, 작은 크기 및 무게 등 기존 센서 유형에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.
강도 기반 센서
강도 기반 섬유 센서는 실제로 최초로 개발된 유형이었습니다. 이는 투과광 또는 반사광 강도의 변화에 따라 측정됩니다.
하나의 간단한 강도 기반 센서는 구부러진 섬유를 구조나 기계 구성 요소에 내장하여 형성됩니다. 굽힘 반경의 변화는 광섬유를 통한 광 손실에 영향을 미칩니다. 따라서 압력, 가속도, 움직임, 열팽창 등 물체의 치수 변화를 일으키는 모든 요소는 섬유를 변형시키고 신호를 생성합니다.
강도 변화를 일으키는 또 다른 방법은 섬유가 빛을 전달하기 위해 의존하는 내부 전반사의 양을 좌절시키거나 줄이는 것입니다. 일반적으로 이는 주변 매질의 굴절률 변화가 섬유 코어를 둘러싼 소멸 장과 상호 작용할 때 발생합니다. 일반적으로 이는 섬유 길이에 걸쳐 클래딩의 일부를 제거하는 것과 관련되어 소멸 필드가 섬유를 둘러싼 매체로 침투할 수 있도록 합니다. 이 매체의 굴절률이 변경되면 광섬유의 투과 특성이 변경됩니다. 이는 액체 유체 레벨을 감지하거나 가스 센서로 사용할 수 있습니다.
강도 기반 센서는 일반적으로 더 단순하여 다른 유형보다 비용이 저렴하지만 현재는 광범위하게 사용되지 않습니다. 문제는 광 출력의 변화를 일으키는 모든 것이 판독값을 생성한다는 것입니다. 참조 시스템은 이를 최소화할 수 있지만 이러한 센서에서 노이즈와 의사 판독값을 완전히 제거하는 것은 어렵습니다.
산란 기반 센서
다양한 감지 기술은 광섬유 내의 브릴루앙 및 라만 산란을 기반으로 합니다. 이는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)과 함께 사용됩니다.
브릴루앙 산란은 매질에서 빛과 음향 모드의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 브릴루앙 산란의 피크 파장은 재료의 굴절률에 따라 크게 달라집니다. 이로 인해 주변 매체의 온도나 압력 변화에 민감합니다.
브릴루앙 기반 센서를 구현하려면 광 펄스가 광섬유를 통해 전송됩니다. 반환된 빛의 스펙트럼은 지속적으로 분석됩니다. 브릴루앙 산란으로 인한 스펙트럼 이동의 시간 지연은 산란이 섬유를 따라 얼마나 멀리 발생했는지, 그리고 산란을 유발한 조건의 위치를 나타냅니다.
라만 산란은 빛이 섬유의 분자 진동과 상호 작용할 때 발생합니다. 라만 신호는 온도에만 의존합니다. 라만 감지는 브릴루앙 감지와 유사하게 구현됩니다. 즉, 빛의 펄스가 광섬유를 통해 전송되고 반환된 빛의 스펙트럼이 시간의 함수로 분석됩니다.
산란 기반 센서의 가장 큰 장점은 실리카 섬유의 고유한 특성을 활용한다는 것입니다. 이는 저가의 상업적으로 이용 가능한 광섬유를 사용하여 구축할 수 있음을 의미합니다. 또한 두 가지 산란 기술 모두 수십 킬로미터라는 매우 먼 거리에서 작동할 수 있습니다. 따라서 크거나 긴 구조물을 모니터링하는 데 특히 유용합니다.
전반적으로 광섬유 센서의 다양한 기능과 작동상의 이점으로 인해 다양한 응용 분야에 적합합니다. 지속적인 기술 발전으로 인해 구조 상태 모니터링, 석유 및 가스 탐사, 생물 의학 감지, 환경 모니터링, 산업 공정 모니터링 등과 같은 분야에서의 사용이 확실히 증가할 것입니다.