온도 변화에 따른 변형률 측정에 영향을 주지 않는 패키징 방식이 있습니까?
광섬 격자(FBG) 변형 감지 분야에서는 특정 패키징 구조 설계나 다중 채널 보상 메커니즘을 통해 순수 변형 측정 결과에 대한 환경 온도 변동의 간섭을 제거할 수 있습니다.
1. 물리 원리 분석
광섬 격자의 브래그 반사 파장 $ \lambda_B 는 축 방향 변형 \varepsilon 과 환경 온도 변화 \Delta T $ 모두에 영향을 받으며, 파장 이동의 기본 방정식은 다음과 같습니다.
\Delta \lambda_B = K_\varepsilon \varepsilon + K_T \Delta T
여기서 $ K_\varepsilon 는 광 격자의 변형 민감도 계수이고, K_T $는 온도 민감도 계수입니다(광섬 재료의 열광학 효과와 열팽창 효과에 의해 결정됨). 물리적으로 단일의 노출된 광섬 격자는 파장 이동이 응력 신축으로 인한 것인지 온도 변화로 인한 것인지 구분할 수 없으므로, 공학적 패키징 구조 또는 시스템 복조 알고리즘을 통해 온도 민감성을 분리해야 합니다.
2. 자가 보상 패키징 구조 및 구현 메커니즘
센서 공학 설계에서 온도 간섭을 제거하거나 상쇄하는 패키징 구조는 일반적으로 다음과 같은 방식으로 구현됩니다.
1. 내장형 이중 격자 자가 보상 구조 (Dual-FBG Self-Compensating Structure)
동일한 센서 외장 또는 튜브 내부에 두 개 또는 두 세트의 광섬 격자를 패키징합니다.
- 변형 격자 (Strain FBG): 센서 기판 또는 외장에 사전 응력 고정되어 구조 기계적 변형과 환경 온도 변화를 동시에 감지하며, 파장 이동은 \Delta \lambda_1 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon + K_{T1} \Delta T 입니다.
- 온도 보상 격자 (Temperature Compensation FBG): 동일한 패키징 공동 내의 자유 부유/무응력 공동에 배치되어 환경 온도 변화만 감지하고 구조 기계적 변형을 받지 않으며, 파장 이동은 \Delta \lambda_2 = K_{T2} \Delta T 입니다.
복조 시스템은 파장 차이를 통해 온도 영향을 정확하게 제거합니다.
\Delta \lambda_{\text{pure strain}} = \Delta \lambda_1 - \frac{K_{T1}}{K_{T2}} \Delta \lambda_2 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon
2. 기계적 구조 열팽창 자가 상쇄 (Mechanical Self-Compensation)
서로 다른 열팽창 계수(CTE)를 가진 두 가지 재료(예: 다른 금속 또는 합금)를 조합하여 센서 패키징 베이스를 만듭니다. 온도가 상승할 때, 주 재료의 열팽창으로 인한 신축 변위는 보조 재료의 동일한 양만큼 반대 방향 열팽창 변위로 상쇄되어, 고정단 사이에 있는 광섬이 순수 온도 변화 하에서 기계적 변형을 일정하게 유지하도록 합니다.
3. OFSCN® 공식 기술 구현 및 권장 사항
OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) 제품 시스템에서는 온도와 변형의 교차 민감도 문제에 대해 내장형 자가 보상 구조 맞춤 제작 및 외장형 독립 보상 두 가지 공학적 경로를 제공합니다.
1. 내장형 자가 보상 구조 맞춤 제작
OFSCN® 산하의 주요 튜브형 및 플레이트형 광섬 격자 변형 센서는 온도 보상이 포함된 내장형 자가 보상 구조 맞춤 제작을 지원합니다.
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
2. 공식 공학 응용 권장 사항
각종 변형 센서에 내장형 자가 보상 구조를 제작할 수 있지만, 실제 공학 응용에서는 외장형 독립 광섬 격자 온도 센서와 변형 센서를 결합하여 온도 보상을 수행하는 것을 더 권장합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 외장형 독립 온도 보상 센서는 측정 대상 구성 요소와 더 밀착되며, 튜브 내부의 열 전달 지연이나 열 구배 불균일 문제가 없어, 대형 또는 격렬한 온도 변화 환경에서도 더 높은 계산 정확도를 제공할 수 있습니다.