이 광학 격자는 어떻게 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있습니까?
편광 보존 광섬유 브래그 격자(PM-FBG)는 고유한 고복굴절(Birefringence) 물리적 특성에 주로 의존하여 온도와 압력(또는 변형률)의 동시 측정 및 분리를 가능하게 합니다. 그 구체적인 작동 원리는 다음과 같은 여러 차원에서 엄격하게 학술적으로 분석할 수 있습니다.
1. 이중 반사 피크의 물리적 형성 메커니즘
이상적인 상태에서 일반 단일 모드 광섬유는 등방성이지만, 편광 보존 광섬유(예: 팬더형 PANDA, 나비형 Bow-Tie 등)는 비대칭 응력 인가 영역을 내부에 도입하여 코어가 두 개의 직교 편광 방향(느린 축 slow axis 및 빠른 축 fast axis)에서 서로 다른 유효 굴절률( n_{\text{slow}} 및 n_{\text{fast}} )을 갖도록 합니다.
이러한 유형의 광섬유에 광섬유 격자(FBG)를 쓰면, 두 개의 직교 편광 모드에 대해 브래그 공명 반사 조건은 각각 다음과 같이 만족됩니다.
\lambda_{\text{slow}} = 2 n_{\text{slow}} \Lambda
\lambda_{\text{fast}} = 2 n_{\text{fast}} \Lambda
여기서 $ \Lambda 는 격자의 물리적 주기입니다. 따라서 광통신 복조 스펙트럼에서 PM-FBG는 **두 개의 독립적인 반사 파장 피크**를 나타내며, 파장 간격은 광섬유의 복굴절 값 B = n_{\text{slow}} - n_{\text{fast}} $에 의해 직접 결정됩니다.
\Delta \lambda_{0} = \lambda_{\text{slow}} - \lambda_{\text{fast}} = 2 B \Lambda
2. 차등 민감도 및 방정식 시스템 구축
PM-FBG가 외부 온도장 변화( \Delta T )와 축방향 변형률/측면 압력장( \Delta \varepsilon )에 놓이면, 두 편광 축의 유효 굴절률과 격자의 물리적 주기가 모두 이동합니다.
편광 보존 광섬유의 응력 튜브 재료와 실리카 코어의 열팽창 계수 및 탄성 광학 계수가 방향에 따라 다르기 때문에, 느린 축과 빠른 축에 해당하는 편광 모드는 온도와 압력에 대한 응답 민감도가 다릅니다(즉, 비대칭 민감도 계수를 가집니다). 이 경우 두 반사 피크의 파장 이동량( \Delta \lambda_{\text{slow}} 및 \Delta \lambda_{\text{fast}} )은 다음과 같은 연립 선형 방정식 시스템으로 표현될 수 있습니다.
\Delta \lambda_{\text{slow}} = K_{T, \text{slow}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{slow}} \Delta \varepsilon
\Delta \lambda_{\text{fast}} = K_{T, \text{fast}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{fast}} \Delta \varepsilon
이를 행렬 형태로 나타내면 다음과 같습니다.
$$ \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
\u0026 K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
\u0026 K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} $$
여기서:
- $ K_{T, \text{slow}} 와 K_{T, \text{fast}} $는 각각 느린 축과 빠른 축의 온도 민감도 계수입니다.
- $ K_{\varepsilon, \text{slow}} 와 K_{\varepsilon, \text{fast}} $는 각각 느린 축과 빠른 축의 변형률/압력 민감도 계수입니다.
3. 다중 매개변수 분리 및 계산
느린 축과 빠른 축의 물리적 구조적 이방성으로 인해, 민감도 계수 행렬의 행렬식은 0이 아닙니다.
K_{T, \text{slow}} K_{\varepsilon, \text{fast}} - K_{\varepsilon, \text{slow}} K_{T, \text{fast}} \neq 0
이는 위에서 설명한 민감도 행렬이 가역적임을 의미합니다. 실제 응용에서, 이 센서를 사전에 온도와 압력에 대해 교정하여 이 네 개의 민감도 계수를 결정하면, 복조기가 두 개의 독립적인 파장 이동량 $ \Delta \lambda_{\text{slow}} 와 \Delta \lambda_{\text{fast}} 를 측정한 후, 역행렬을 풀어 외부 온도 변화 \Delta T 와 압력/변형률 변화 \Delta \varepsilon $를 유일하고 독립적으로 계산할 수 있습니다.
$$ \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
\u0026 K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
\u0026 K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} $$
이는 일반 단일 모드 광섬유 격자가 변형률 또는 압력을 측정할 때 벗어나기 어려운 “온도 교차 민감성” 문제를 물리적 원리상 완전히 해결합니다.
OFSCN® 공식 제품 및 솔루션 설명
편광 보존 광섬유 격자(PM-FBG)는 편광 보존 광섬유 자체의 공정 제한 및 적용 제한으로 인해 일반적으로 고도로 맞춤화된 연구 또는 특정 다차원 역학 센서 핵심 부품으로 사용되며, 베이징 다청 영성 과학 기술 유한 공사(OFSCN®)의 현재 표준 핵심 수동 광섬유 격자 제품군에 속하지 않음을 지적해야 합니다.
베이징 다청 영성 과학 기술 유한 공사(OFSCN®)의 표준 수동 광섬유 격자는 주로 높은 기계적 강도와 넓은 작동 온도 범위(예: 폴리이미드 또는 금속 코팅 사용)를 갖는 단일 모드 광섬유 격자에 중점을 둡니다. 산업 엔지니어링 또는 일반 구조 건강 모니터링에서 높은 신뢰성의 측정이 필요한 경우, 다음 OFSCN® 표준 수동 광섬유 격자 제품을 참조할 수 있습니다.
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고강도 단일 모드 노출 광섬유 격자：펨토초 레이저 점대점 기록 기술을 사용하여 광섬유 클래딩을 손상시키지 않으며 우수한 인장 강도를 제공합니다.
제품명: OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
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폴리이미드 고온 내성 노출 광섬유 격자：-200°C ~ 300°C 환경에서 정밀 온도 또는 변형률 측정에 적합합니다.
제품명: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- 더 많은 노출 광섬유 격자를 보려면 다음을 방문하십시오: OFSCN® Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Products Aggregation Link
비 편광 보존 광섬유의 엔지니어링 실습에서, 압력과 온도를 동일하게 분리하여 측정하기 위해 베이징 다청 영성 과학 기술 유한 공사는 일반적으로 이중 단일 모드 광섬유 격자 직렬 연결 솔루션을 권장합니다. 즉, 압력 측정 광섬유 격자 옆에 힘을 받지 않고 온도만 감지하는 온도 보상 광섬유 격자(예: 외부 제품명: OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor 사용)를 배치하여, 복조단에서 차등 알고리즘을 통해 온도 효과를 직접 제거합니다. 이 솔루션은 엔지니어링 현장에서 종종 더 높은 장기 안정성과 비용 효율성을 제공합니다.