광섬유 센서

광섬유 센서(fiber-optic sensor)는 광섬유를 감지 요소("내재형 센서")로 사용하거나 원격 센서에서 신호를 처리하는 전자 장치로 신호를 전달하는 수단("외재형 센서")으로 사용하는 센서이다. 광섬유는 원격탐사에서 다양한 용도로 사용된다. 적용 분야에 따라 광섬유는 크기가 작기 때문에, 또는 원격 위치에 전력이 필요 없기 때문에, 또는 각 센서에 대해 빛의 파장 변화를 사용하거나 각 센서를 통해 빛이 광섬유를 통과하는 시간 지연을 감지하여 많은 센서를 광섬유 길이에 따라 다중화할 수 있기 때문에 사용될 수 있다. 시간 지연은 OTDR과 같은 장치를 사용하여 결정할 수 있으며, 파장 변화는 광 주파수 영역 반사율 측정을 구현하는 계측기를 사용하여 계산할 수 있다.

광섬유 센서는 또한 전자파장애에 면역이며 전기를 전도하지 않으므로 고전압 전기가 있거나 제트 연료와 같은 가연성 물질이 있는 장소에서 사용할 수 있다. 광섬유 센서는 고온을 견딜 수 있도록 설계될 수도 있다.

내재형 센서
광섬유는 빛의 세기, 위상, 편광, 파장 또는 광섬유 내에서 빛의 통과 시간을 변조하기 위해 광섬유를 수정함으로써 변형, 온도, 압력 및 기타 양을 측정하는 센서로 사용될 수 있다. 빛의 세기를 변화시키는 센서는 간단한 광원과 감지기만 필요하므로 가장 간단하다. 내재형 광섬유 센서의 특히 유용한 특징은 필요한 경우 매우 먼 거리에 걸쳐 분산 감지를 제공할 수 있다는 것이다.

온도는 온도에 따라 변하는 소멸파 손실을 갖는 광섬유를 사용하거나 광섬유 내의 레일리 산란, 라만 산란 또는 브릴루앵 산란을 분석하여 측정할 수 있다. 전압은 특별히 도핑된 광섬유의 비선형 광학 효과에 의해 감지될 수 있으며, 이는 전압 또는 전기장 함수로 빛의 편광을 변화시킨다. 각도 측정 센서는 사냐크 효과에 기반할 수 있다.

장주기 광섬유 격자(LPG) 광섬유와 같은 특수 광섬유는 방향 인식에 사용될 수 있다.
영국 애스턴 대학교의 포토닉스 연구 그룹은 벡터 벤드 센서 응용 분야에 대한 몇 가지 논문을 발표했다.

광섬유는 지진 및 소나 응용 분야를 위한 수중청음기로 사용된다. 광섬유 케이블당 100개 이상의 센서를 가진 수중청음기 시스템이 개발되었다. 수중청음기 센서 시스템은 석유 산업과 일부 국가 해군에서 사용된다. 바닥에 장착된 수중청음기 배열과 견인 스트리머 시스템이 모두 사용된다. 독일 회사 젠하이저는 광섬유와 함께 사용할 레이저 마이크로폰을 개발했다.

광섬유 마이크로폰 및 광섬유 기반 헤드폰은 강한 전기장 또는 자기장이 있는 영역, 예를 들어 MRI 유도 수술 중 자기 공명 영상 (MRI) 기계 내부에서 환자에게 작업하는 팀원 간의 통신에 유용하다.

석유 시추공의 시추공 측정을 위한 온도 및 압력 광섬유 센서가 개발되었다. 광섬유 센서는 반도체 센서에 비해 너무 높은 온도에서 작동하기 때문에 이 환경에 매우 적합하다 (분산 온도 감지).

광섬유는 광섬유 자이로스코프와 같은 간섭계 센서로 만들어질 수 있으며, 이는 보잉 767과 일부 자동차 모델 (내비게이션 목적)에 사용된다. 또한 수소 센서를 만드는 데에도 사용된다.

광섬유 브래그 격자를 사용하여 매우 높은 정확도로 공동 위치한 온도와 변형을 동시에 측정하는 광섬유 센서가 개발되었다. 이는 작거나 복잡한 구조에서 정보를 얻을 때 특히 유용하다. 광섬유 센서는 원격 모니터링에도 특히 적합하며, 광섬유 케이블을 사용하여 모니터링 스테이션에서 290km 떨어진 곳에서도 신호를 송수신할 수 있다. 브릴루앵 산란 효과는 또한 넓은 거리 (20-120킬로미터)에 걸쳐 변형 및 온도를 감지하는 데 사용될 수 있다.

 기타 예시 

중고전압 범위 (100–2000V)의 광섬유 AC/DC 전압 센서는 계산된 길이의 광섬유를 외부 전기장에 노출시켜 단일 모드 광섬유에서 측정 가능한 양의 커 비선형성을 유도함으로써 생성될 수 있다. 측정 기술은 편광 방식 감지에 기반하며, 열악한 산업 환경에서도 높은 정확도를 달성한다.

고주파 (5MHz–1GHz) 전자기장은 적절한 구조의 광섬유에서 유도된 비선형 효과에 의해 감지될 수 있다. 사용되는 광섬유는 패러데이 효과 및 커 효과가 외부 전장의 존재 하에 상당한 위상 변화를 일으키도록 설계된다. 적절한 센서 설계를 통해 이러한 종류의 광섬유는 다양한 전기 및 자기 양과 광섬유 재료의 다양한 내부 매개변수를 측정하는 데 사용될 수 있다.

전력은 편광 감지 방식에서 적절한 신호 처리와 결합된 구조화된 벌크 광섬유 암페어 센서를 사용하여 광섬유에서 측정할 수 있다. 이 기술을 지원하기 위한 실험이 수행되었다.

광섬유 센서는 전기 스위치기어에서 아크 플래시의 빛을 디지털 보호 계전기로 전송하여 차단기의 빠른 트립을 가능하게 하여 아크 블라스트의 에너지를 줄이는 데 사용된다.

광섬유 브래그 격자 기반 광섬유 센서는 여러 산업에서 성능, 효율성 및 안전성을 크게 향상시킨다. FBG 통합 기술을 통해 센서는 매우 높은 해상도로 통찰력에 대한 상세한 분석과 포괄적인 보고서를 제공할 수 있다. 이러한 유형의 센서는 통신, 자동차, 항공우주, 에너지 등 여러 산업에서 광범위하게 사용된다. 광섬유 브래그 격자는 정적 압력, 기계적 인장 및 압축, 광섬유 온도 변화에 민감하다. 광섬유 브래그 격자 기반 광섬유 센서의 효율성은 현재 브래그 격자 반사 스펙트럼에 따라 발광 소스의 중심 파장 조정을 통해 제공될 수 있다.

외재형 센서
외재형 광섬유 센서는 일반적으로 다중 모드 광섬유인 광섬유 케이블을 사용하여 비광섬유 광학 센서 또는 광학 송신기에 연결된 전자 센서로부터 변조된 빛을 전송한다. 외재형 센서의 주요 이점은 접근할 수 없는 장소에 도달할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 항공기 제트 엔진 내부의 온도를 엔진 외부에 위치한 방사선 고온계로 방사선을 전송하는 광섬유를 사용하여 측정하는 것이다. 외재형 센서는 같은 방식으로 변압기의 내부 온도를 측정하는 데에도 사용될 수 있으며, 이곳에서는 극심한 전자기장 때문에 다른 측정 기술은 불가능하다.

외재형 광섬유 센서는 잡음 손상에 대한 측정 신호의 탁월한 보호를 제공한다. 불행히도, 많은 기존 센서는 광섬유와 함께 사용하기 위해 광 신호로 변환되어야 하는 전기 출력을 생성한다. 예를 들어, 백금 저항 온도계의 경우, 온도 변화는 저항 변화로 변환된다. 따라서 PRT는 전원 공급 장치를 가져야 한다. PRT 출력의 변조된 전압 레벨은 일반적인 유형의 송신기를 통해 광섬유로 주입될 수 있다. 이는 측정 프로세스를 복잡하게 만들고 저전압 전원 케이블이 변환기로 연결되어야 함을 의미한다.

외재형 센서는 진동, 회전, 변위, 속도, 가속도, 토크 및 온도를 측정하는 데 사용된다.

화학 센서 및 바이오 센서
광섬유에서 빛의 전파는 전체 내부 반사(TIR) 원리에 기반하여 섬유 코어에 갇히며 클래딩 내에서는 거의 제로에 가까운 전파 손실을 보이는데, 이는 광통신에 매우 중요하지만 빛이 주변 환경과 상호작용하지 않아 감지 응용 분야를 제한한다. 따라서 빛의 전파를 방해하여 빛이 주변 환경과 상호작용할 수 있도록 하고 광섬유 센서를 구축하기 위한 새로운 광섬유 구조를 활용하는 것이 필수적이다. 지금까지 연마, 화학적 에칭, 테이퍼링, 굽힘, 그리고 펨토초 격자 새김 등 여러 가지 방법이 빛의 전파를 조정하고 감지 물질과의 빛 상호작용을 촉진하기 위해 제안되었다. 위에서 언급된 광섬유 구조에서 향상된 소멸장이 효율적으로 여기되어 빛이 주변 매체에 노출되고 상호작용하도록 유도될 수 있다. 그러나 섬유 자체는 낮은 민감도와 제로 선택성을 가진 매우 소수의 분석물만 감지할 수 있어, 특히 높은 민감도와 높은 선택성을 모두 요구하는 바이오 센서의 개발 및 응용을 크게 제한한다.
이러한 문제를 극복하기 위한 효율적인 방법은 주변 환경이 변하면 RI, 흡수, 전도도 등과 같은 특성을 변화시키는 능력을 가진 반응성 물질에 의존하는 것이다. 최근 기능성 물질의 빠른 발전으로 인해 그래핀, 금속 및 금속 산화물, 탄소 나노튜브, 나노와이어, 나노입자, 폴리머, 양자점 등 다양한 감지 물질이 광섬유 화학 센서 및 바이오 센서 제작에 사용될 수 있게 되었다. 일반적으로 이러한 물질은 주변 환경(대상 분석물)에 의한 자극에 따라 가역적으로 형태/부피를 변화시키며, 이는 감지 물질의 RI 또는 흡수의 변화로 이어진다. 결과적으로 주변 환경의 변화는 광섬유에 의해 기록되고 분석되어 광섬유의 감지 기능을 실현한다. 현재 다양한 광섬유 화학 센서 및 바이오 센서가 제안되고 시연되었다.

 같이 보기 
 분산 광음향 감지
 광섬유 감지 협회

 각주 

분류:섬유광학
분류:센서