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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12511(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

가속도 감지는 지진 모니터링, 구조 상태 모니터링 및 자원 탐사 분야에서 중요한 기술입니다. FBG 가속도 센서에 의한 저주파 진동 측정에서 주로 나타나는 낮은 감도에 대해 L자형 강성 빔과 베어링 기반의 스프링 구조가 결합된 FBG 가속도 센서를 제안합니다. 진동 신호를 전달하고 양쪽 끝의 베어링으로 ​​고정되어 가로 누화를 효과적으로 억제합니다. 구조적 매개변수가 센서의 감도와 고유 진동수에 미치는 영향을 Origin 이론을 사용하여 분석하고 이러한 매개변수를 최적화했습니다. 다음으로 COMSOL을 사용하여 정적 응력 및 모달 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. 결국 실제 센서의 성능을 테스트하기 위한 테스트 시스템이 구축되었습니다. 연구 결과에 따르면 고유 주파수가 57Hz인 가속도 센서는 1~35Hz의 저주파 범위에서 평탄한 감도 반응을 보이며 동적 범위는 89.83dB이고 가속도 감도는 최대 1241.85pm/입니다. g에서 감도 맞춤에 대한 결정 계수 R2는 0.9997이고, 작동 주파수 대역 내에서 횡방향 누화는 -26.20dB입니다. 이번 연구 결과는 FBG 가속도 센서의 저주파 진동 측정 기능을 개선하기 위한 참고 자료를 제공합니다.

FBG 감지 기술을 기반으로 하는 진동 센서는 높은 감도, 낮은 전송 손실, 강력한 전자기 내성 등을 특징으로 합니다.1,2. 가속도, 온도, 변위, 압력, pH, 습도 및 자기장과 같은 FBG 센서를 동일한 광섬유에 다중화하면 기존 전기 센서에서 여러 센서와 무거운 케이블을 사용해야 하는 필요성과 약한 간섭 방지의 단점을 극복할 수 있습니다. 능력3,4,5. 지진 모니터링, 구조 상태 모니터링, 국토 안보, 항공우주, 자원 탐사 등을 위한 진동 측정에서 중요한 역할을 합니다.6.

최근 몇 년 동안 FBG 가속도 센서는 주로 가속도 센서의 구조 설계 및 탄성 요소 선택에 중점을 둔 국내외 연구자들에 의해 광범위하고 집중적으로 연구되었습니다7,8. 현재 FBG 가속도 센서의 탄성 요소에는 주로 캔틸레버 빔, 다이어프램, 힌지 및 스프링이 포함됩니다. Casas Ramos와 Sandoval Romero9는 고유 주파수 227.3Hz, 작동 대역폭 10~210Hz, 센서 해상도 0.006g, 선형성 및 상대 감도 오류가 각각 1.9% 및 ±4.4%인 새로운 캔틸레버 FBG 진동 센서를 제안했습니다. Li 등10은 실시간 디커플링과 온도 및 가속도 측정을 구현할 수 있는 다이어프램 구조의 FBG 감지 기반 가속도 센서를 제안했습니다. 30~90°C 범위에서 온도 감도는 8.66pm/°C, 가속도 감도는 20.19pm/g, 작동 대역폭은 10~200Hz입니다. Yan과 Liang11은 평행 이중 유연한 힌지를 기반으로 하는 새로운 FBG 가속도계를 제안했습니다. 이 가속도계는 병렬로 연결된 두 개의 오른쪽 원형 유연한 힌지로 구성되며 측정 범위는 30-200Hz이고 감도는 54pm/g입니다. Linessio 등12은 온도 보상 기능이 있고 2차원 가속도 측정에 사용되는 전방향 유연한 힌지 기반의 2차원 FBG 가속도계를 제안했습니다. 그러나 이러한 센서는 고유진동수가 높고 감도가 낮은 등의 단점이 있어 공학 실무에서 저주파 진동을 정확하게 측정하기가 어렵습니다.

FBG 가속도 센서를 설계할 때 센서의 성능 지수는 센서의 품질을 측정하는 기준이 됩니다. 이러한 표시기 중 몇 가지는 일반적이며 모든 종류의 FBG 센서를 사용해야 하지만 다른 표시기는 거의 사용되지 않습니다. 이 표시기는 주로 특수 FBG 센서의 요구 사항을 충족합니다. 일반적인 지표에는 주로 감도, 작동 대역폭, 선형성 및 측면 간섭 방지 기능이 포함됩니다. 저주파 진동 측정에 있어 FBG 가속도 센서의 낮은 감도를 목표로 하여, 본 논문에서는 L자형 강성 빔과 베어링 기반의 스프링 구조를 결합한 FBG 가속도 센서를 제안하여 저주파 진동 측정에 적합합니다. 지진이나 댐과 같은 진동 신호. Origin과 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 센서 구조에 대한 이론 및 시뮬레이션 분석을 수행했으며, 실제 센서를 개발하고 센서 성능을 테스트하기 위한 테스트 시스템을 구축했습니다.