서로 다른 색상(파장)을 할당하여 서로 다른 위치의 센서를 구별하는 방법은 무엇인가요?
광섬 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 센싱 시스템에서 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)는 단일 광섬유에 서로 겹치지 않는 고유한 반사 파장(“색상”)을 서로 다른 센서에 할당하여 여러 지점, 여러 위치의 센서를 독립적으로 식별하고 측정하는 기술입니다. 구체적인 물리적 원리와 위치 구분 메커니즘은 다음과 같습니다:
1. 개별 센서의 “파장 특성 인코딩”
각 FBG는 제조 시 고유한 굴절률 주기를 가집니다. 브래그 반사 원리(Bragg reflection principle)에 따라, 광대역 광원이 FBG에 입사될 때 특정 브래그 조건을 만족하는 파장만이 반사되고, 다른 파장의 빛은 투과합니다. 브래그 중심 파장은 다음 공식으로 표현됩니다:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
여기서 \lambda_B 는 브래그 중심 반사 파장, n_{eff} 는 광섬유 코어의 유효 굴절률, \Lambda 는 격자 주기입니다. 제조 시 각 격자의 주기 \Lambda 를 조정하여 단일 광섬유상의 각 센서에 고유한 “초기 반사 색상(파장)”을 부여할 수 있습니다.
2. 공간 위치와 파장의 매핑 결합
광섬유 생산 및 포설 시, 기술자는 단일 광섬유의 다른 물리적 위치에 순차적으로 다른 파장의 FBG를 기록합니다. 예를 들면 다음과 같습니다:
- 시작점으로부터 10미터 떨어진 위치 1에 반사 파장 \lambda_1 = 1530\text{nm} 인 센서 배치;
- 시작점으로부터 20미터 떨어진 위치 2에 반사 파장 \lambda_2 = 1540\text{nm} 인 센서 배치;
- 시작점으로부터 30미터 떨어진 위치 3에 반사 파장 \lambda_3 = 1550\text{nm} 인 센서 배치.
이러한 “물리적 공간 위치”와 “특정 스펙트럼 파장” 간의 일대일 대응 관계는 시스템 배포 시 선험적 데이터로 이미 복조기(demodulator)의 시스템 소프트웨어에 입력됩니다.
3. 동적 복조 및 채널 분리(파장 대역 할당)
외부 환경(온도, 변형 등)이 변하면 해당 위치 FBG의 주기 \Lambda 또는 굴절률 n_{eff} 에 미세한 변화가 발생하여 반사 파장이 드리프트(파장 변화량 \Delta \lambda 발생)합니다.
서로 다른 위치의 센서가 드리프트 시 “신호 중첩”이나 “충돌”을 방지하기 위해, 시스템은 각 센서에 전용 “파장 채널”(안전 대역)을 할당합니다. 예를 들면 다음과 같습니다:
- 센서 1의 파장은 물리량 변화에 따라 1528\text{nm} 에서 1532\text{nm} 범위 내에서만 드리프트하도록 허용;
- 센서 2의 파장은 1538\text{nm} 에서 1542\text{nm} 범위 내에서만 드리프트하도록 허용.
이러한 안전 보호 대역을 설정함으로써, 여러 위치의 물리량이 동시에 급격하게 변하더라도 복조기는 반사 광 파장이 속한 구간을 통해 해당 신호 변화가 어느 특정 파장(즉, 특정 물리적 위치)에서 발생했는지 명확하게 판단할 수 있습니다.
OFSCN® 공식 호환 기술 제품
실제 엔지니어링 응용에서 위에서 설명한 WDM 구분 및 고정밀 복조를 구현하려면 전문적인 FBG 복조기(분석기)와 다중 측정점 FBG 센서가 필요합니다. Dachengshengsun (OFSCN®)은 다음과 같은 전문 장비와 센서 부품을 제공합니다:
1. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
이것은 전체 WDM 시스템의 핵심입니다. 광섬유에 광대역 빛을 방출하고 내장된 고해상도 스펙트럼 분석 모듈을 사용하여 각 채널에서 각 파장(“색상”)의 반사 피크 변화를 실시간으로 감지합니다.
- 파장 범위: 기본 1525\text{nm} 에서 1565\text{nm} , 또는 1528\text{nm} 에서 1568\text{nm} (약 40\text{nm} 대역폭 내에서 다중 FBG 센서 동시 복조 가능);
- 채널 수: 4채널, 8채널, 16채널, 32채널 맞춤 설정 지원, 각 물리적 채널은 WDM을 통해 여러 센서 연결 가능;
- 파장 해상도: 기본 1\text{pm} 또는 0.1\text{pm} .
2. 다중 측정점 FBG 센서 (WDM 직렬 연결)
복조기의 스위프 파장 범위(예: 40\text{nm} ) 제한으로 인해, 각 측정점은 전체 범위 변화 시 특정 파장 간격(예: 온도 100℃ 변화 시 파장 약 1\text{nm} 드리프트)을 차지해야 합니다. Dachengshengsun은 단일 광섬유 센서에 여러 다른 파장의 FBG 측정점을 직렬로 맞춤 설정하는 것을 지원합니다:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: 단일 센서 내 최대 10개의 FBG 온도 측정점 통합 권장;
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: 단일 센서 내 최대 5개의 FBG 온도 측정점 통합 권장.
정밀한 WDM 설계를 통해, 이 다중 측정점 센서는 단일 광섬유 코어를 사용하여 수 미터 또는 수십 미터 범위의 각 지점에서 발생하는 정확한 물리량 변화를 동시에 독립적으로 측정할 수 있습니다.