대한공업교육학회지

Korean Institute of Industrial Educations (대한공업교육학회)
권호 표지

Characteristics Investigation and Design of the Mandrel for Fiber Optic Acoustic Sensor

광섬유 음향 센서용 맨드릴 설계 및 특성 연구

  • Lee, Jongkil (Mechanical Engineering Education, College of Education, Andong National University) ;
  • Ha, Tae-Hyun (Mechanical Engineering Education, Graduate School of Education, Andong National University) ;
  • Lee, June-Ho (Department of Electrical Engineering, Hoseo University)
  • 이종길 (안동대학교 기계교육과) ;
  • 하태현 (안동대학교 교육대학원 기계교육) ;
  • 이준호 (호서대학교 전기공학과)
  • Received : 2009.07.30
  • Accepted : 2009.09.25
  • Published : 2009.12.31
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Abstract

In this research Sagnac interferometer three different types of mandrel are suggested and this fiber optic sensor is using in monitoring of electric transformer. Vibration characteristics of those mandrels were analyzed and finally more sensitivity mandrel are suggested. Three different mandrels using in fiber optic sensor are hollow cylinder with outer bump, pure hollow cylinder, hollow cylinder with inner bump. Natural frequencies and mode shapes are investigated using finite element method. Mode shape are considered at the frequency range from 2 kHz to 20 kHz. Fundamental dimensions of the hollow cylinder type's mandrel are 30 mm in outer diameter, 50 mm in length, 1 mm in cylinder thickness, $2mm{\times}2mm$ in bump size. Based on the finite element results, when the outer acoustic frequency is near 11 kHz outer bump type and hollow cylinder can get higher sensitivity. Near 17 kHz outer bump and inner bump mandrel can get higher sensitivity. Near 20 kHz hollow cylinder and inner bump mandrel is useful. This results can be applied to design of fiber optic sensor using in monitoring the electrical transformer. Several MHz of outer acoustic frequency can be easily detected using more sensitive mandrel in pursuing expand this technique.

본 연구에서는 변압기 열화 진단에 사용되는 Sagnac형 간섭계의 핵심 기술인 광섬유 음향 센서의 설계를 위하여 세 가지 서로 다른 형태의 맨드릴형을 제안하였고 이의 진동 특성을 살펴봄으로서 보다 뛰어난 감도를 가진 센서를 구현하고자 하였다. 광섬유 음향 센서용 맨드릴을 외경 요철형, 중공 원통형, 내경 요철형등의 세 가지로 분류하고 이의 고유진동수와 고유 모드를 해석하였다. 2kHz 미만의 고유진동수는 제외하고 주로 2~20kHz 범위 내에 속한 고유진동수를 검출하여 고유모드를 나타내었다. 설계된 맨드릴의 기본 형상 치수는 외경 30 mm, 길이 50mm이다. 원통의 두께는 1 mm이며 요철의 크기는 $2mm{\times}2mm$이다. 유한요소해석 결과 외부 음압 주파수가 2~20 kHz 범위에서 11 kHz 인근의 주파수인 경우 외경 요철형과 중공 원통형의 맨드릴을 선택하면 높은 감도를 얻을 수 있다. 17 kHz 인근 주파수에서는 외경 요철형과 내경 요철형이 유리하며 20 kHz인근에서는 중공 원통형과 내경 요철형이 높은 감도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구의 결과는 향후 변압기 내에 삽입되어 각종 열화 진단용 모니터링 센서로 활용되는 광섬유 음향 센서의 맨드릴 설계에 매우 효과적으로 이용할 수 있으며 본 연구에서 제시한 기법을 이용하여 MHz 단위의 초음파 감지에도 충분히 활용될 수 있으리라 기대된다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 기초전력연구원

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