FBG 센서 측정 범위는 어떻게 선택해야 할까요?

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300도와 100도를 측정할 때 센서의 내부 구조가 동일합니까? 더 큰 것을 선택하면 정밀도에 영향을 미칩니까?

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광섬유 브래그 격자(FBG) 센싱 기술에서 300°C 측정 센서와 100°C 측정 센서의 내부 구조와 공정은 본질적인 차이가 있습니다. "측정 범위 선택을 넓히는 것이 정밀도에 영향을 미치는가"에 대한 문제는 전통적인 전자 센서와는 다른 메커니즘을 가지며, 파장 복조 메커니즘과 온도 교정 모델이라는 두 가지 차원에서 객관적으로 분석해야 합니다.

1. 300°C 및 100°C 센서의 내부 구조 차이

FBG 온도 센서의 물리적 측정 범위는 단순히 소프트웨어로 설정되는 것이 아니라, 재료의 물리적 내성 한계 및 열역학적 구조에 의해 결정됩니다. 두 센서의 핵심 구조 차이는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다:

  1. 광섬유 코팅 재료 (Coating Material):

    • 100°C 사양 : 광섬유 코팅은 일반적으로 표준 아크릴레이트(UV-curable Acrylate)를 사용합니다. 이 재료는 85°C ~ 100°C 이상의 환경에서 연화, 노화 및 분해되거나 심지어 탄화될 수 있으며, 이로 인해 석영 광섬유가 기계적 보호 기능을 잃고 부서질 수 있습니다.
    • 300°C 사양 : 고온에 강한 폴리이미드(Polyimide) 코팅을 사용해야 하며, 심지어 코팅을 제거하고 특수 금속화/공중 부양 처리를 해야 할 수도 있습니다. 폴리이미드 재료는 -200°C에서 300°C(순간적으로 더 높음)까지의 고온을 견딜 수 있어 광섬유 기재의 물리적 강도를 안정적으로 유지합니다.

  2. 격자의 고온 어닐링 공정 (Thermal Annealing):

    • 자외선 감광 공법으로 제작된 표준 격자(Type I 격자)의 내부 굴절률 변조는 고온 환경에서 열 감쇠(Thermal Decay)가 발생합니다.
    • 300°C 사양의 광섬유 격자는 포장 전에 엄격한 고온 예비 어닐링 처리를 거쳐야 합니다. 이는 불안정한 색심 결함 상태를 미리 방출하여 센서가 300°C에서 장기간 작동할 때 중심 파장의 비가역적 영구 드리프트를 방지하기 위함입니다. 반면, 100°C 격자의 어닐링 온도 및 시간 요구 사항은 상대적으로 낮습니다.

  3. 무응력 패키징 구조 및 보조 고정 재료:

    • FBG 온도 센서는 구조 변형이나 외부 응력의 간섭 없이 오직 온도만 감지하도록 하기 위해 내부 격자 영역에 "무응력 패키징"을 적용합니다.
    • 온도가 300°C까지 상승하면 외부 보호 마이크로 튜브(예: 316L 스테인리스 스틸 심리스 튜브)의 열팽창 변위가 상당히 커집니다. 300°C 센서 내부에는 충분한 열 보상 자유 슬라이딩 공간이 마련되어야 하며, 엔드 캡슐화 고정 접착제 또는 실링 납땜은 300°C의 열 사이클 응력을 견뎌야 합니다. 따라서 구조 공정 요구 사항이 100°C 센서보다 훨씬 높습니다.

2. 측정 범위가 넓으면 측정 정밀도에 영향을 미치는가?

결론은 다음과 같습니다: 물리적 해상도 측면에서는 저하되지 않지만, 교정 및 회귀 정밀도와 재사용 가능한 측정점 수 측면에서는 차이가 있습니다.

1. 물리적 해상도 차원 (전기 센서와의 본질적인 차이)

전통적인 아날로그 전기 센서(예: 열전대, 열 저항기에 ADC 수집 모듈을 결합한 경우)의 경우, 측정 범위를 100°C에서 300°C로 확장하면 ADC의 비트 수가 고정되어 있기 때문에 각 LSB(최소 유효 비트)가 나타내는 온도 변화 폭이 커져 유효 해상도와 정밀도가 직접적으로 저하됩니다.

하지만 FBG는 파장 변조형 센서이며, 브래그 반사 파장은 다음과 같은 물리 방정식을 따릅니다:

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

온도 민감도 $S_T = \frac{\Delta \lambda_B}{\Delta T}$는 주로 이산화규소 재료의 열광 계수와 열팽창 계수에 의해 결정되며, 상온에서 수십 마이크로미터 파장대까지 약 $10\ \text{pm/}^\circ\text{C}$입니다. 광섬유 격자 복조 장치는 반사 피크의 절대 파장 위치(일반적으로 장비의 파장 해상도는 1\ \text{pm} 또는 $0.1\ \text{pm}$으로 고정됨)를 인식하므로, 복조 장치의 측정 해상도는 센서의 측정 범위 변화에 따라 저하되지 않습니다.

2. 교정 모델 및 회귀 오차 차원 (경미한 영향 존재)

  • 교정 공식 차수 : 실온에서 100°C 범위 내에서 FBG의 온도-파장 응답은 매우 선형적이므로, 출하 시 교정은 일반적으로 1차 선형 방정식(^\circ\text{C/pm} 단위)을 사용합니다.
  • 온도를 300°C까지 확장할 경우, 이산화규소의 열광 계수 비선형 효과가 강화되므로 **2차 다항식(2차 교정 공식)**을 사용해야 합니다:
T = A \cdot (\Delta \lambda)^2 + B \cdot \Delta \lambda + C
  • 만약 300°C의 넓은 교정 범위를 갖는 2차 다항식 매개변수를 사용하여 0°C ~ 100°C 범위의 작은 온도 차이를 계산하면, 대역폭이 넓은 비선형 다항식의 국부 구간 회귀 잔차로 인해 측정 정밀도(특히 상온 구간의 국부 절대 오차)가 전용 0°C ~ 100°C 좁은 온도 범위에서 정밀하게 교정된 선형 센서보다 일반적으로 약간 떨어집니다.

3. 스펙트럼 자원 및 다중 측정점 점유

온도가 100°C 상승할 때마다 FBG 중심 파장은 약 $1\ \text{nm}$씩 적색 편이합니다:

  • 100°C 측정 시, 단일 측정점의 파장 변화 범위는 약 $1\ \text{nm}$입니다.
  • 300°C 측정 시, 단일 측정점의 파장 변화 범위는 3\ \text{nm} 이상으로 확장됩니다.
    파장 중복을 방지하기 위해 300°C 센서는 스펙트럼에서 더 큰 안전 채널 간격을 할당해야 하며, 이는 단일 광섬유에 대한 유한 스펙트럼 대역폭(예: 일반적인 40nm 복조 장치) 내에서 직렬로 연결할 수 있는 측정점 수를 직접적으로 감소시킵니다.

3. 공식 참조 제품 사양

OFSCN®은 각기 다른 측정 범위에 따라 해당 구조 설계 및 교정 공정을 채택했습니다:

선택 제안 : 실제 운전 공작 온도가 절대 100°C를 초과하지 않는다면, 더 적합한 선형 회귀 및 더 높은 채널 재사용률을 얻기 위해 100°C 사양을 우선 선택하는 것이 좋습니다. 만약 잠재적인 과열 가능성이 있거나 목표 온도가 100°C ~ 300°C 사이에 있다면, 센서 소자 및 코팅의 열화 방지를 위해 반드시 300°C 사양을 선택해야 합니다.