온도 상승 및 하강 시 같은 온도 지점의 파장이 동일한가요?
실제 응용에서는 가열 및 냉각 시 동일한 온도 지점에서의 반사 중심 파장이 일반적으로 정확히 동일하지 않습니다.
가열(정방향) 및 냉각(역방향) 과정 중에 센서가 동일한 입력 온도 값에 대해 서로 다른 파장을 출력하는 물리적 현상을 센서 기술에서는 ‘이력 현상’(Hysteresis) 또는 이력 오차라고 합니다.
1. FBG 온도 센서의 이력 현상을 유발하는 주요 원인
광섬유 격자(FBG) 자체의 광섬유 실리카 매질은 매우 안정적인 열광 효과를 가지고 있지만, 완전한 센서는 일반적으로 광섬유, 보호 튜브 및 패키징 재료로 구성됩니다. 온도 교번 주기 동안 다음 물리적 메커니즘은 동일한 온도 지점에서 파장의 편차를 유발할 수 있습니다.
- 패키징 재료 및 접착제의 탄성/소성 히스테리시스 (가장 주된 원인)
대부분의 전통적인 FBG 온도 센서는 에폭시 또는 기타 접착제를 사용하여 격자를 금속 또는 세라믹 보호 튜브에 고정합니다. 온도 주기(저온에서 고온, 다시 저온으로) 동안 접착제는 열팽창 및 수축뿐만 아니라 미세한 열탄성 히스테리시스, 점탄성 변형 또는 응력 크리프를 겪습니다. 가열 및 냉각 시, 접착제는 다른 온도 이력에서 분자 구조 완화 상태가 달라져 격자에 전달되는 축 방향 변형(\epsilon)에 미세한 차이를 유발하며, 이는 동일한 온도 지점에서 반사 파장(\lambda)의 편차로 직접 나타납니다. - 열전도 히스테리시스 (동적 이력)
절대 평형 상태가 아닌 동적 가열 및 냉각 과정에서 외부 환경 온도 변화는 센서의 금속 튜브, 패키징 충전재 등의 매질을 통해 중심의 광섬유 격자까지 단계적으로 전달되어야 합니다. 열 저항으로 인해 격자가 감지하는 실제 온도와 외부 표준 소스가 측정하는 온도 사이에는 시간 지연이 존재합니다. 이로 인해 가열 구간에서는 측정 파장이 ‘짧게’(온도 지연) 측정되고, 냉각 구간에서는 측정 파장이 ‘길게’ 측정되어 차이가 발생합니다. - 구조 부품의 비가역 미세 변형
센서가 넓은 범위의 고저온 주기를 겪을 때(예: 300\text{ °C} 이상의 환경), 패키징 튜브(예: 스테인리스 스틸) 또는 내부 미세 구조에 미량의 비가역 소성 변형, 열 응력 누적 또는 미끄러짐이 발생하면 격자의 초기 하중 상태가 변경되어 제로점 드리프트 또는 장기적인 이력 증가를 유발할 수 있습니다.
2. 이력 오차를 줄이고 제거하는 방법?
정밀한 광학 엔지니어링에서 FBG 센서의 이력을 제거하려면 물리적 구조와 제조 공정에 주의를 기울여야 합니다.
- 무접착 패키징(Non-glue Packaging) 기술
고분자 접착제(글루)를 완전히 배제하고 순수 물리적 위치 지정, 기계적 공중 지지 또는 금속화 용접과 같은 방법을 사용하여 광섬유를 고정합니다. 이를 통해 접착제로 인한 노화, 크리프 및 응력 불일치를 제거하여 센서의 물리적 이력을 크게 줄일 수 있습니다. - 소형화 설계
센서의 외경과 패키징 벽 두께를 줄여 열 용량을 줄이고 응답 속도를 향상시키며, 동적 열 전달 지연으로 인한 성능 이력을 줄입니다.
3. OFSCN® 관련 제품 설계 및 장점
기존 광섬유 격자 온도 센서의 접착제 노화 및 변형으로 인한 이력 문제를 해결하기 위해 Dacheng Yongsheng(OFSCN®)은 독자적인 심리스 강관 무접착 패키징 기술을 개발하여 채택했습니다. 해당 온도 센서 시리즈 제품은 극도로 넓은 온도 범위( -200\text{ °C} ~ 800\text{ °C} )에서도 매우 높은 반복성과 극도로 낮은 이력 오차를 유지합니다.
1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
기본 외경은 0.9\text{ mm} ( 0.5\text{ mm} 사용자 정의 가능)입니다. 무접착 금속 슬리브 공정을 사용하여 고분자 재료의 온도 드리프트 및 크리프를 제거하며, 센서는 -200\text{ °C} 에서 300\text{ °C} 까지 우수한 교정 반복성과 초저 이력을 갖습니다.
2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
이 모델은 단일층 심리스 강관(다층 네스팅 사용자 정의 가능) 무접착 공정을 사용하여 극단적인 -200\text{ °C} 에서 500\text{ °C} 의 온도 교번 주기에서도 장기간 안정적으로 작동합니다. 온도 및 파장 교정에는 이항 공식을 사용하며, 비선형 열 응력을 완전히 제거하여 이력 오차를 억제합니다.
