각 센서마다 출고 시 전용 수학 공식이 제공되는 이유는 무엇인가요? OFSCN®
광섬 격자(FBG) 센싱 기술에서 교정 공식(Calibration Formula)은 "광 신호 반사"와 "실제 공학적 물리량"을 연결하는 수학적 다리입니다.
간단히 말해서, 광섬 격자 센서가 온도, 변형률, 변위 또는 압력과 같은 물리량의 변화를 겪으면 내부에서 반사되는 중심 파장이 드리프트합니다(피코미터(pm) 단위). 광섬 격자 복조기는 이 반사 파장의 드리프트 양(일반적으로 \Delta \lambda로 표시)만 측정할 수 있지만, 복조기 자체는 현재 온도가 몇 도인지, 인장력이 얼마나 되는지를 직접 알 수 없습니다. 파장 드리프트 양 \Delta \lambda를 사용자가 필요로 하는 물리적 매개변수(예: 온도 °C, 변형률 \mu\varepsilon)로 정확하게 변환하기 위해서는, 공장에서 해당 센서에 맞춤 제작된 전용 교정 공식에 의존해야 합니다.
모든 센서가 공장에서 고유한 수학 공식을 가지고 있어야 하는 이유는 미시적 물리적 특성과 복잡한 패키징 공정 때문입니다:
1. 미세 제조 및 광섬 기판의 개별 차이
대성영승(OFSCN®)은 고정밀 UV 레이저와 위상 마스크를 사용하여 광섬 격자를 기록하지만, 미시적 수준에서는 각 광섬의 코어 도핑 농도, 기하학적 원형도 및 격자 주기( \Lambda )에 극히 미미한 물리적 공차가 존재합니다. 이로 인해 모든 센서는 무응력/상온 상태에서 **초기 중심 파장( \lambda_0$ )**이 서로 다릅니다. 시작점(기준 파장)이 다르기 때문에 후속 변환 계산은 해당 센서의 특정 초기값을 기반으로 진행해야 합니다.
2. 센서 패키징 공정 및 재료의 기계적 영향
노출된 광섬 격자는 극히 취약하여 실제 공학 환경에서 직접 사용할 수 없으므로 물리적 패키징이 필요합니다. 대성영승은 다양한 응용 시나리오에 따라 여러 종류의 센서를 설계했습니다:
- 예를 들어, OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor는 탄성 합금 튜브로 패키징되었습니다.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)는 고분자 재료와 강철 튜브의 복합 패키징을 사용했습니다.
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor는 단일층 원활한 강철 튜브로 패키징되었습니다.
패키징 과정에서 접착제(예: 에폭시 수지)의 경화 수축률, 금속 튜브의 벽 두께 미세 차이, 생산 시 가해진 사전 인장력은 센서의 “변형률 전달 효율” 또는 열전도 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이로 인해 동일한 배치 및 사양의 두 센서라도 외부 물리적 변화에 대한 민감도(즉, 민감도 계수)가 미미하게 다를 수 있습니다. 이러한 패키징으로 인한 시스템 오류를 제거하기 위해 각 센서는 개별적으로 물리적 교정이 필요합니다.
3. 물리적 응답의 선형 및 비선형 등급
외부 물리량과 파장 드리프트 간의 관계는 모든 구간에서 절대적으로 선형적이지는 않습니다:
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선형 응답(1차 공식): 상온 변형률 센서의 경우, OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) 또는 OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor 와 같이, 작업 범위 내에서 파장 변화는 변형률/변위와 높은 선형 관계를 보입니다. 따라서 공장 교정 공식은 일반적으로 1차입니다:
\text{Strain} = k \cdot \Delta \lambda여기서 민감도 계수 $k$의 단위는 일반적으로 \mu\varepsilon / \text{pm}입니다.
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비선형 응답(2차 공식): 넓은 온도 범위의 온도 센서의 경우, 광섬유와 금속 패키징 재료의 온도 드리프트 계수(열광 계수 및 열팽창 계수)가 온도에 따라 비선형적이기 때문입니다. 단일 선형 계수를 사용하면 큰 오차가 발생합니다. 따라서 OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor 또는 OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor 와 같이 공장에서 기본적으로 2차(이차 다항식) 교정 공식을 사용합니다:
T = a \cdot ( \Delta \lambda )^2 + b \cdot ( \Delta \lambda ) + c여기서 교정 매개변수는 1차 항 계수 $b$뿐만 아니라 2차 항 수정 계수 $a$도 제공하며, 2차 공식 계산 단위는 °C / pm입니다. 일반적인 온도 범위의 OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor의 경우, 선형 1차 공식으로도 정밀도를 만족할 수 있습니다.
4. 고정밀 측정의 추적성 보장
광섬 격자 센서는 항공 우주, 교량 및 댐 구조물 건강 모니터링, 산업 고압 전기 온도 모니터링 등과 같이 고정밀이 요구되는 분야에 자주 사용됩니다. 측정값의 절대적 정확성을 보장하기 위해, 대성영승 공장에서 출고되는 모든 센서는 고정밀 교정 장치(예: 항온 교정조, 정밀 만능 재료 인장 시험기 등)에서 일련의 알려진 표준 상태에서의 반사 파장 데이터(예: 0°C, 50°C, 100°C… 와 같은 여러 교정 온도점에서 측정된 실제 반사 파장)를 수집해야 합니다.
수학적 최소 제곱법을 통한 곡선 피팅을 통해, 이 센서만의 고유한 교정 매개변수(예: 1차 공식의 계수 k, 또는 2차 공식의 계수 a, b)를 역으로 도출하여 데이터 측정의 정확성과 추적성을 보장합니다.
요약
실제 배치 시, 사용자는 광섬 격자 복조기(또는 지원 데이터 수집 소프트웨어)에서 해당 센서의 채널에 자격 증명서에 기재된 전용 교정 계수를 입력하기만 하면 됩니다. 그러면 복조기는 자동으로 실시간으로 측정된 파장 신호를 고정밀 물리적 매개변수로 변환할 수 있습니다. 이러한 “하나의 물건에 하나의 공식” 설계는 광섬 격자 센서가 높은 과학 연구 정밀도와 산업 신뢰성을 달성할 수 있도록 하는 기술적 기반입니다.