파이버 센서

파장 기반 파이버 센서는 또한 다양한 유형의 바이오센서에 대한 기초를 형성합니다. 이들 중 다수는 표면 플라스몬 공명(SPR)을 기반으로 합니다. 여기에는 얇은 금속 필름(일반적으로 금)을 파이버에 바로 배치하거나, 경우에 따라 파이버의 출력 끝단에 있는 외부 광학 장치에 배치하는 작업이 포함됩니다. 

매우 특정한 파장만이 금속-유전체 계면에서 플라스몬의 진동을 여기시킵니다. 이러한 공명 파장은 다른 파장보다 덜 반사됩니다. 또한 금속층의 굴절률에 매우 민감합니다. 

바이오센서를 만들기 위해 금속 필름은 "기능화"됩니다. 즉, 특정 표적 분석물질에 우선적으로 결합하거나 흡수하는 생체분자(또는 박테리아)로 코팅됩니다. 분석물질 분자가 센서 표면에 결합함에 따라 굴절률이 변경됩니다. 이는 공진 파장을 이동시킵니다. 따라서 투과광의 파장을 분석함으로써 표적 분자의 농도를 매우 민감하게 측정할 수 있습니다. 

파이버 바이오센서는 빠른 측정 속도 및 높은 민감도를 포함한 몇 가지 이점을 제공합니다. 그리고 분석물질의 "라벨링"이 필요하지 않습니다. 결과적으로, 의생명과학 연구 및 의약품 개발을 비롯해 심지어 농업 및 식품 가공에 이르기까지 수많은 의료 진단 과정에 사용됩니다. 

위상 기반 센서 

위상 기반 센서는 가장 일반적인 파이버 광학 간섭계입니다. 이러한 센서는 주변 매질의 일부 변화로 인해 광학 파이버 또는 외부 광학 공동에서 유도된 위상 변이를 측정합니다. 또한 여러 다른 간섭계 구성이 가능합니다. 마하-젠더 간섭계, 마이켈슨 간섭계 및 패브리-페로 간섭계가 가장 많이 사용되고 있습니다. 

기존의 자유 공간 간섭계와 마찬가지로 마하-젠더 간섭계와 마이켈슨 간섭계 모두 빔을 기준 암(reference arm)과 감지 암(sensing arm)의 두 경로로 분할합니다. 그리고 감지 암만 신호에 노출됩니다. 감지 암 내의 물리적 길이 또는 굴절률의 변화는 검출기에서 간섭무늬 패턴을 생성하는 경로 간의 상대적 위상 변이를 일으킵니다. 이로 인해 감지 신호가 발생합니다. 

패브리-페로 간섭계는 파이버를 사용하여 측정 지점에 위치한 에탈론(간격으로 분리된 두 개의 평행한 반사성이 높은 표면)에 빛을 공급합니다. 진동, 압력, 온도 또는 굴절률로 인한 패브리-페로 공동 내 광학 경로 길이의 변화(공동에 유입되는 가스 또는 액체로 인해 발생)는 간섭무늬 패턴을 변경시킵니다. 이 신호는 감지되는 원점으로 파이버를 통해 다시 이동합니다. 이러한 방법은 가스 또는 석유 수송관의 다운홀 압력을 측정하거나 복합 재료의 변형 또는 온도를 모니터링하는 데 주로 사용됩니다.

광섬유 자이로스코프는 위상 기반 파이버 센서의 또 다른 유형입니다. 이 경우, 파이버는 단단히 감긴 코일 안에 있습니다. 광원은 먼저 두 개의 빔으로 분할된 다음 파이버의 반대쪽 끝단에 결합됩니다.

코일이 축을 따라 회전하는 경우 두 빔은 서로 상대적으로 위상 변이를 겪습니다. 이것을 사냐크 효과라고 부릅니다. 두 빔은 파이버를 빠져나갈 때 재결합됩니다. 모든 위상 변이는 결합된 빔에서 간섭무늬를 생성합니다. 검출기는 이 패턴을 감지하여 회전 각속도를 확인합니다. 

편광 기반 센서

대부분의 편광 기반 센서는 편광 유지 광학 파이버의 축을 기준으로 45°에서 편광된 빛을 적용함으로써 작동됩니다. 그러면 테스트 중인 장치에서 파이버 복굴절에 영향을 미치는 모든 요소(일반적으로 온도 변화 또는 기계적 변형)는 파이버 출력에서 편광 분석기를 사용하여 감지할 수 있습니다. 다수의 구조물 모니터링 파이버 센서는 편광 기반입니다. 

편광 기반 센서는 전류를 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이러한 센서는 자기장이 존재할 때 빛의 편광면에서 회전을 일으키는 패러데이 효과를 사용합니다. 따라서 이를 사용하여 전류에 의해 생성된 자기장을 측정할 수 있습니다. 파이버 전류 센서는 기존 센서 유형에 비해 빠른 응답 속도, 높은 정확도, 소형 및 경량을 포함한 몇 가지 이점을 제공합니다. 

강도 기반 센서

사실, 강도 기반 파이버 센서가 최초로 개발된 유형이었습니다. 이 센서는 측정을 위해 투과광 강도 또는 반사광 강도의 변화에 의존합니다. 

간단한 강도 기반 센서 하나는 구부러지는 파이버를 구조물 또는 기계 구성품에 내장하여 구성됩니다. 굽힘 반경의 변화는 파이버를 통한 광 손실에 영향을 미칩니다. 따라서 압력, 가속도, 움직임, 열팽창 등 물체의 치수 변화를 유발하는 것은 무엇이든 파이버를 변형시키고 신호를 생성합니다. 

강도 변화를 일으키는 또 다른 방법은 파이버가 빛을 투과시키는 데 의존하는 내부 전반사량을 저해하거나 줄이는 것입니다. 이는 대개 주변 매질의 굴절률 변화가 파이버 코어를 둘러싼 소실장과 상호 작용할 때 발생합니다. 이때 소실장이 파이버를 둘러싼 매질로 침투할 수 있도록 파이버의 길이에 걸쳐 클래딩의 일부를 제거하는 작업이 일반적으로 수반됩니다. 이러한 매질의 굴절률이 변경되면 파이버의 투과 속성이 바뀝니다. 이를 사용하여 액체 유체 수준을 감지하거나 가스 센서로 사용할 수 있습니다. 

일반적으로 강도 기반 센서는 더 간단하기 때문에 다른 유형보다 비용이 낮지만 오늘날 널리 사용되고 있지는 않습니다. 문제는 광학 출력의 변화를 일으키는 것은 무엇이든 판독값을 생성한다는 것입니다. 기준 시스템을 통해 이 문제를 최소화할 수는 있지만 이러한 센서에서 노이즈 및 비논리적인 판독값을 완전히 제거하기란 어렵습니다. 

산란 기반 센서

다양한 감지 기법은 광학 파이버 내의 브릴루앙 산란과 라만 산란을 기반으로 합니다. 그리고 광 시간 영역 반사 측정법(OTDR)과 결합하여 사용됩니다. 

브릴루앙 산란은 매질에서 빛과 음향 모드의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 브릴루앙 산란의 피크 파장은 재료의 굴절률에 따라 크게 달라집니다. 이 때문에 주변 매질의 온도 또는 압력 변화에 민감합니다. 

브릴루앙 기반 센서를 구현하기 위해 빛의 펄스가 파이버 아래로 보내집니다. 되돌아온 빛의 스펙트럼은 지속적으로 분석됩니다. 브릴루앙 산란으로 인한 스펙트럼 이동의 시간 지연은 파이버를 따라 얼마나 멀리 산란이 발생했는지를 나타내므로 산란을 유발한 조건에 해당하는 위치를 파악할 수 있습니다. 

라만 산란은 빛이 파이버의 분자 진동과 상호 작용할 때 발생합니다. 라만 신호는 온도에만 의존합니다. 라만 감지는 브릴루앙 감지와 유사하게 구현됩니다. 즉, 파이버를 통해 빛의 펄스를 보내고 되돌아온 빛의 스펙트럼을 시간의 함수로 분석합니다. 

산란 기반 센서의 큰 장점은 실리카 파이버의 본질적인 속성을 활용한다는 것입니다. 따라서 저렴한 상용 광학 파이버를 사용하여 이러한 센서를 제작할 수 있습니다. 또한 두 산란 기법 모두 수십 킬로미터의 아주 먼 거리에 걸쳐 작동할 수 있으므로, 대형 구조물이나 길이가 긴 구조물을 모니터링하는 데 특히 유용합니다. 

전반적으로, 파이버 센서의 다양한 기능 및 작동상의 이점 덕분에 광범위한 응용 분야에 적합합니다. 기술의 지속적인 발전은 구조물 건전성 모니터링, 석유 및 가스 탐사, 생의학적 감지, 환경 방사능 감시, 산업 공정 모니터링 및 기타 여러 분야에서 파이버 센서의 사용을 확실히 증가시킬 것입니다.