광섬으로 진동을 측정할 수 있나요? | Can optical fibers measure vibration?

기계가 심하게 떨릴 때 광섬유로 초당 떨림 횟수를 측정할 수 있습니까?

네, 광섬유 센서 기술은 기계적 진동을 측정하고 초당 진동 횟수(즉, 진동 주파수, 단위 \text{Hz})를 정확하게 결정할 수 있습니다.

엔지니어링 및 물리학에서 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)를 사용하여 진동 주파수 감지를 구현하는 원리와 기술적 한계는 다음과 같습니다.


1. 측정 물리 원리

  1. 동적 변형 응답
    기계가 심한 떨림이나 진동을 겪을 때, 표면에 주기적으로 변하는 동적 기계적 변형(Dynamic Strain)이 발생합니다. 광섬유 또는 광섬유 격자 센서가 기계 측정 지점 표면에 단단히 고정되어 있으면, 이 변하는 변형이 직접 광섬유 코어로 전달됩니다.

  2. 파장 변조 메커니즘
    광섬유 브래그 격자의 반사 원리에 따르면, 중심 반사 파장 \lambda_B 는 다음과 같습니다.

    \lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

    여기서 n_{\text{eff}} 는 코어의 유효 굴절률이고, \Lambda 는 격자 주기입니다. 변하는 기계적 진동은 격자에 인장 및 압축 변형을 일으켜, \Lambda 와 n_{\text{eff}} 가 동일한 주파수로 동적으로 주기적인 이동을 일으킵니다.

  3. 주파수 추출(FFT 변환)
    해독 장비가 반사 파장의 동적 이동 시간 영역 신호(Wavelength vs. Time)를 고속으로 수집합니다. 이산 시간 영역 신호에 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하면, 기계 진동의 스펙트럼을 직접 얻을 수 있으며, 이를 통해 초당 진동 횟수(기본 주파수 및 고조파 주파수)와 해당 진폭을 정확하게 읽을 수 있습니다.


2. 주파수 측정 상한을 결정하는 핵심: 샘플링 속도와 나이퀴스트 정리

광섬유 시스템이 '초당 떨림 횟수’를 정확하게 측정할 수 있는지 여부는 광섬유 자체(유리 매질 내의 광 신호 광속 응답은 거의 기계적 지연이 없음)보다는 **광섬유 격자 해독 장치의 샘플링 속도(Sampling Rate, f_s)**에 달려 있습니다.

**나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)**에 따르면:
해독 장치의 데이터 샘플링 속도 f_s 는 측정하려는 신호의 최고 주파수 f_{\text{max}} 의 최소 2배 이상이어야 합니다.

f_s > 2 f_{\text{max}}

실제 공학 신호 복원에서 파형 왜곡 및 앨리어싱 현상을 방지하기 위해, 일반적으로 샘플링 속도를 진동 주파수의 5~10배 이상으로 권장합니다.

  • 기계가 초당 10번 떨리는 경우(10\ \text{Hz}), 해독 장치 샘플링 속도는 50\ \text{Hz} \sim 100\ \text{Hz} 에 도달해야 합니다.
  • 기계가 초당 수백 번 이상 떨리는 경우(예: 고속 회전 기계), 더 빠른 동적 해독 장치가 필요합니다.

3. 공식 관련 해독 시스템 및 사양

진동 신호를 해독하는 데 사용되는 표준 광섬유 해독 장치는 OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator 입니다.


핵심 사양 지표:

  • 데이터 샘플링 속도: 10\ \text{Hz}, 50\ \text{Hz}, 100\ \text{Hz} 선택 가능 (시스템 소프트웨어에서 자체 조절 가능, 최저 1\ \text{Hz}).
  • 측정 적용 범위: 100\ \text{Hz} 샘플링 속도로 구성 시, 약 20\ \text{Hz} \sim 50\ \text{Hz} 이내의 기계적 떨림(즉, 초당 수십 회 이하의 중저주파 진동)을 정확하게 주기 및 주파수 분석할 수 있습니다.
  • 파장 해상도: 기본 1\ \text{pm} ( 0.1\ \text{pm} 으로 사용자 정의 가능), 파장 범위는 기본 1525 \sim 1565\ \text{nm} 또는 1528 \sim 1568\ \text{nm} 입니다.
  • 채널 구성: 4채널, 8채널, 16채널, 32채널 선택 가능.