Plastic Optical Fiber Sensors

(플라스틱 광섬유 센서)

When a plastic optical fiber undergoes a physical change, such as bending, the light passing through it undergoes changes that are detectable, allowing it to be used as a sensor.

광섬유 센서의 작동원리

광섬유 케이블은 원격 센서를 구리선과 같은 방법으로 전자 로거 또는 신호 프로세서에 연결하는 데 사용할 수 있지만 센서 자체로도 사용할 수 있습니다. 이것은 섬유가 굴곡과 같은 물리적 변화를 겪을 때 통과하는 빛이 상황에 따라 변화하기 때문입니다.

지금까지 이 방법은 광섬유의 핵심 및 피복재와 광 감지 기술의 신중한 엔지니어링을 통해 온도 변화, 가속도, 회전, 압력, 기계적 변형 및 화학 물질의 존재를 감지하는 데 사용되었습니다. 광섬유 센서에 대한 Wikipedia 기사를 참조하시면 다양한 응용 프로그램에 대한 개념을 파악하실 수 있습니다.

Plastic Optical Fiber Sensor Basics (플라스틱 광섬유 센서 기본 개념)

플라스틱 광섬유를 사용하여 외력을 측정하는 일반적인 3가지 방법이 있습니다.

이 방법을 통해, 전문제작된 유형의 POF를 사용하여 여러 다른 기술을 적용하여 정확한 센서를 구현할 수 있습니다.

1).Intensity Modulation (강도 변조)

강도 변조는 광원, 광 검출기 및 멀티 미터 또는 DAQ와 같은 측정 장비의 세 가지 구성 요소 만 있으면 가장 간단히 변화를 체크할 수 있습니다. 섬유가 압축되거나 구부러지는 것과 같은 물리적 변화를 겪으면 섬유를 통해 전달되는 빛 신호가 감쇠되어 섬유 끝의 강도가 감소합니다. 최종 강도를 측정하고 이를 알려진 상태와 비교함으로써 섬유의 물리적 상태에 대한 결론을 도출 할 수 있습니다. 때때로 센서 섬유에 절단이나 찰과상이 생기면 큰 변화를 보여 줍니다.

2).Phase Modulation (위상 변조)

위상 변조는 POF의 두 루프를 포함하는 센서 어플리케이션에서 사용됩니다. 빛은 센서 측정을 위해 지정된 하나의 루프와 참조 용으로 다른 루프를 통해 양쪽 루프를 통해 전송됩니다. 센서 광섬유를 구부리거나 잡아 당기면 광 신호의 위상이 바뀌고 기준 신호와의 차이가 명확 해집니다. 기준 루프는 일반적으로 센서 루프 근처에 배치되어 전체 시스템에 영향을 미치는 온도 및 기타 외부 힘의 영향을 보상합니다.

3).Bragg Wavelength Shift (브래그 파장 시프트)

브래그 파장 시프트 (Bragg Wavelength Shift)는 브래그 격자 (Bragg Grating)라고 불리는 광섬유 섹션을 통해 전송되는 빛의 색상을 모니터링하는 작업입니다. 이것은 섬유 자체가 팽창 및 수축함에 따라 빛의 파장 및 결과적으로 색상을 변화시키는 횡단면의 주기적인 변화가 있습니다. 빛의 파장을 측정하고 이를 기준과 비교함으로써 섬유 센서의 변형량을 결정할 수 있습니다.

Advantages of POF Sensors (POF 센서의 장점).

POF는 센서를 만드는 저렴한 재료일 뿐만 아니라 내 화학성과 불활성 때문에 본질적으로 안전합니다. 또한 작동 중 극심한 온도 변화에도 영향을 받지 않습니다.

Example Sensor Applications (센서 적용예)

1).Liquid Level Detection (액체 레벨 감지)

Noverflo사는 굴절률이 다른 유체에서 섬유가 얼마나 많이 잠겨 있는지에 따라 특허받은 섬유를 사용하여 광 신호의 강도를 변조하는 POF 센서를 개발했습니다. 연료 탱크의 수위, 물 위의 오일, 얼음의 존재 여부를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

2).Bacteria Detection (박테리아 검출)

리오 데 자네이로 연방 대학교 (Photonics and Instrumentation Laboratory)의 연구원은 세균성 병원 대장균 (Escherichia coli)의 존재를 탐지 할 수있는 POF 기반의 바이오 센서를 만들었습니다.  클래딩을 헥사 메틸렌 디아민 (HDMA) 및 대장균 항체로 대체함으로써 수행되었습니다. 계측기의 나머지 부분은 마이크로 컨트롤러, LED 광원, 포토 다이오드 및 연산 증폭기를 기반으로했습니다. 결과 시스템은 10-3UFC / m만큼 낮은 대장균 농도를 검출 할 수 있었습니다.

3).Rotary and Linear Position Sensing (회전 및 선형 위치 감지)

Diagram of Micronor MR431 absolute position sensor system.

Micronor사는 공군 연구소 (Air Force Research Laboratories)와 공동으로 가혹한 항공기 환경을 위해 특별히 설계된 절대 위치 센서를 개발했습니다. 이 제품은 비금속 구조이며 0.1 ° 또는 10μm 미만의 분해능을 제공합니다. 그들은 아사히 카세이 (Asahi Kasei)의 멀티 코어 이미징 섬유와 솔리드 코어 섬유를 모두 사용합니다. 이들은 기존의 광학 로터리 엔코더와 동일한 원리로 작동하지만 POF를 통해 전송되는 고유한 인코딩 패턴을 사용합니다. 이 센서는 전력공급이 불필요한 패시브 센서로 본질적으로 안전하며 방폭형입니다.

클릭하여 MR431 센서에 대해 자세한 정보를 보실수 있습니다.

4).Strain Detection (변형 감지)

브릴 루앙 산란은 광빔이 광섬유를 통해 전파하면서 음향 포논과 상호 작용하고 후방 산란 된 광 빔인 스톡스 광을 발생 시키므로 광섬유 내에서 발생합니다. 스톡스 광의 주파수는 섬유에 가해지는 변형의 힘에 선형 관계로 입사광 주파수의 중심에서 시프트된다. 이 감지 기술은 기계적 하중의 변형을 측정하기 위해 건물 구조물 및 교량에 사용되는 변형 감지 요소 또는 경사면에서의 침전물 이동을 모니터링 할 수있는 지오텍스타일에 통합 될 수 있습니다.

5).Field Physiological Monitoring (작업현장 생리학적 모니터링)

i-Protect 프로젝트는 소방관 및 구조 대원이 착용하는 개인 보호 장비 (PPE)에 광섬유 센서를 사용하는 방법을 모색했습니다. 이 프로젝트는 또한 외부 온도와 화학 물질의 농도를 모니터링 할 수있는 완벽한 솔루션을 개발하는 것을 목표로 했지만 생리 학적 감지 요소는 센서 전자 장치를 통합하기 위해 나노 기술을 사용하여 직물에 전도성 경로를 생성함으로써 이루어졌습니다.

다양한 감지 기술이 사용되었습니다 : 호흡 센서로서의 매크로 굴곡, 심박수 측정을 위한 광전자 촬영, 온도 센서로서의 형광 수명 측정.

POF의 높은 항복 강도와 탄성은 직물 통합에 적합합니다. 이러한 센서와 전자 장치는 무선 링크를 통해 연결 센터에 연결됩니다.

6).pH Level Detection (pH 수준 탐지)

POF 케이블의 클래딩이 화학 감응재로 대체 될 때 굴절률은 화학 물질에 대한 노출과 관련하여 바뀔 수 있습니다. 이는 특히 투과광 강도를 변조하는 immersible pH 센서를 만드는데 유용합니다. 이 센서의 기능은 새 클래딩의 특성에 따라 다르지만 표시기 중립적 인 빨간색을 포함하는 클래딩은 pH 3에서 9 사이의 동적 범위가 2.5dB가됩니다.

7).Hydrogen Sulfide Detection (황화수소 검출)

리오 데자네이로 연방 대학교 (Photonics and Instrumentation Laboratory)의 연구원들은 POF의 굴절률과 소멸 영역 특성을 이용한 황화수소 (H2S) 가스 센서를 개발했다. 이것은 클래딩을 1.0mm POF에서 제거하고 펄스 레이저 증착 (PLD)을 사용하여 H2S와 반응하는 다양한 산화물의 필름을 적용하고 섬유의 굴절률을 변경함으로써 달성되었습니다. 이로써 빛의 신호 강도와 가스 농도 사이의 관계가 만들어졌으며 감도는 100ppm까지 떨어졌습니다. 기존의 H2S 센서와 달리 POF 및 관련 활성 구성 요소의 작동 온도로 인해 별도의 히터가 필요하지 않습니다.

References (참고자료 들)

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M.M. Keley, A. Dante, F. Dutra, R.C.S.B. Allil, C.C. Carvalho, M.M. Werneck. “FUNCTIONALIZED POF H 2 S SENSOR”, presented at the 27th International Conference on Plastic Optical Fibers, 2018, Seattle, Washington, U.S.A. 2018.

*이 자료는 아래 출처의 자료를 엑사통신에서 번역한 자료입니다.

http://fiberfin.com/application/plastic-optical-fiber-sensors/