외부에서 100단위로 늘리면 내부 격자는 얼마나 감지할 수 있습니까? 손실은 어디에서 발생합니까?
일, "변형률 전달 효율"이란 무엇인가?
광섬어링(FBG) 변형률 감지 기술에서 **변형률 전달 효율(Strain Transfer Efficiency)**은 측정 대상 기재(외부 구조물)에서 발생하는 실제 변형률이 접착제, 보호 외피, 광섬유 코팅층 등 각 매질 층을 통해 전단 전달되어 최종적으로 광섬유 코어(광섬어링)에 도달하는 비율을 의미합니다.
역학 모델에서는 일반적으로 전달 계수 k(또는 \alpha)로 표시합니다:
\alpha = \frac{\varepsilon_f}{\varepsilon_s}
여기서:
- $ \varepsilon_f $는 광섬어링(내부 코어)이 실제로 감지하고 측정된 변형률입니다.
- $ \varepsilon_s $는 측정 대상 기재(외부)에서 발생한 실제 변형률입니다.
이, 외부 인장 100 단위, 내부 광섬어링은 얼마나 감지할 수 있는가?
외부에서 100 단위(예: 100\ \mu\varepsilon)로 인장했을 때 내부 광섬어링이 감지할 수 있는 양은 센서의 패키징 강성, 설치 방식, 고정 길이 및 계면 전단 특성에 전적으로 달려 있습니다:
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이상적인 상황 (거의 100\% ):
고경도, 비접착 금속화 패키징을 사용하거나, 베어 광섬유를 높은 강성으로 기재에 용접/고정하는 경우, 변형률 전달 계수는 $95%$에서 $99%$까지 높을 수 있습니다. 이때 외부 인장 100 단위에 대해 내부 광섬어링은 95에서 99 단위까지 감지할 수 있습니다. -
일반적인 접착 또는 부드러운 외피 패키징 ( 50\% \sim 80\% 로 감소 ):
센서 내부에 부드러운 에폭시 접착제를 충전하거나, 광섬유 외부에 두꺼운 소프트 플라스틱 외피가 있는 경우, 전달 효율이 크게 감소합니다. 외부 인장 100 단위에 대해 내부는 50에서 80 단위만 감지할 수 있습니다. -
과도하게 짧은 고정 길이 ( 효율 급감 ):
센서의 접착 길이 또는 고정 구간이 너무 짧으면, 양단의 전단 슬립이 중심부에서 안정적인 변형률 분포를 형성할 수 없어, 전달 효율이 30\% 미만으로 떨어질 수도 있습니다.
삼, 손실(전단 지연)은 구체적으로 어디에서 발생하는가?
변형률이 가장 외부 층(측정 대상 기재)에서 가장 내부 층(광섬유 코어)으로 전달될 때, 여러 층의 이종 계면을 통과해야 합니다. 손실은 주로 선형 탄성 전단 전달에서의 손실(역학적으로 전단 지연 효과, Shear Lag Effect 라고 함)에서 발생합니다. 손실은 주로 다음 네 가지 위치에서 발생합니다:
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접착층 / 접착제 층(Adhesive Layer)의 전단 탄성 손실:
이는 표면 부착형 센서의 가장 주요한 손실 원인입니다. 외부 기재(예: 강철 구조물, 탄성 계수 약 200\text{ GPa})와 광섬유(석영, 탄성 계수 약 72\text{ GPa})는 모두 매우 단단하지만, 중간의 접착제(예: 일반적인 에폭시 수지, 탄성 계수 보통 2 \sim 4\text{ GPa} 에 불과)는 매우 부드럽습니다. 접착층은 탄성 계수가 극히 낮기 때문에, 인장력을 전달할 때 심각한 전단 탄성 변형이 발생하며, 이 변형은 많은 에너지를 소모하여 광섬유의 인장 변형률로 완전히 전환되지 못합니다. -
광섬유 코팅층(Coating Layer)의 전단 흡수:
일반적인 통신 광섬유 외부에는 아크릴레이트(Acrylate) 코팅층이 있는데, 이는 매우 부드러운 재질로 대부분의 전단력을 흡수합니다. 아크릴레이트 코팅층이 있는 광섬유를 변형률 감지에 직접 사용하면, 코팅층 계면에서 엄청난 변형률 손실이 발생합니다. 만약 단단한 폴리이미드(Polyimide) 코팅층으로 변경하면 손실이 현저히 줄어듭니다. -
센서 패키징 재료(Packaging Layer)의 강성 억제 및 불일치:
센서에 두꺼운 스테인리스 스틸 또는 고분자 보호 외부 튜브가 있는 경우, 한편으로는 외부 튜브와 광섬유 사이의 충전물에서 전단 슬립이 발생하고; 다른 한편으로는 패키징 튜브 자체의 축 방향 강성이 원래 부드러운 기재에 “국부 강화 효과”(Local Stiffening Effect)를 유발하여, 기재가 센서 구간에서 변형되는 것을 반대로 방해하여 측정 손실과 왜곡을 초래합니다. -
단부 효과 및 고정 길이(Bonded Length) 부족:
전단 지연 역학 모델에 따르면, 변형률 전달은 전체 길이에 걸쳐 균일하지 않습니다. 접착 구간(또는 패키징 단부)의 끝에서는 전단력이 최대이지만, 축 방향 변형률 전달 효율은 $0$입니다; 중심부로 일정 거리를 연장해야만(유효 전달 길이 라 함) 전달 효율이 상승하여 안정적인 값에 도달할 수 있습니다. 만약 센서가 너무 짧거나 부착 길이가 충분하지 않으면, 변형률이 광섬유 내부로 완전히 전달되기 전에 끝나버려 단부 유실이 발생합니다.
사, 손실을 줄이고 효율적인 변형률 전달을 달성하는 방법은?
광학 공학 및 변형률 센서 설계에서는 일반적으로 다음과 같은 방법으로 변형률 손실을 줄입니다:
- 소형화 및 얇은 벽 처리：패키징 외부 직경과 벽 두께를 줄여 센서 자체 강성을 낮추어 기재의 동기 변형을 더 쉽게 합니다.
- 고탄성 계수 접착제 또는 비접착 금속화 고정：전단 계수가 극히 높은 접착제를 사용하거나, 전체 금속 용접/용봉 방식으로 비접착 강성 연결을 구현합니다.
- 특수 경질 코팅 광섬유 선택：예를 들어, 극히 얇고 초경질 코팅층의 폴리이미드 광섬유를 사용하여, 코팅층 전단 손실을 물리적 한계까지 줄입니다.
OFSCN®은 다양한 정밀 변형률 측정 및 제어 시나리오에 맞춰 재료와 구조적인 측면에서 심층 최적화를 수행하여, 여러 고효율 변형률 전달 광섬유 변형률 센서 제품을 설계했습니다:
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
이 센서는 탄성 합금 튜브를 사용하여 광섬어링을 마이크로 패키징하며, 제품 외부 직경은 \le 1.1\text{ mm} 에 불과합니다. 극도로 가는 튜브 직경과 고탄성 계수 합금 기재는 전단 지연을 최대한 줄이고 변형률 전달 저해를 제거하여, 각종 정밀 인장 및 변형률 모니터링에 적합합니다.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
이 제품은 I자형 구조로 설계된 변형률 게이지로, 기재는 극히 얇은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금 시트이며, 직접 점 용접 또는 얇은 접착층으로 표면 부착을 지원합니다. 이와 같은 평면화, 근접 부착 설계는 중간 접착층의 두께를 최소화하여 변형률 전달 손실을 극히 낮게 유지합니다.
3. OFSCN® 200°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
고공간 해상도의 광주파수 영역 반사(OFDR) 변형률 측정을 위해 특별히 제작되었습니다. 외부 직경은 0.6\text{ mm} 로 축소되었으며, 내부에는 기본적으로 초경질 폴리이미드(Polyimide) 특수 광섬유를 사용하여 고온 내성뿐만 아니라 광섬유 코팅층에서 발생하는 전단 손실을 물리적 한계까지 줄여, 매우 높은 변형률 응답 일관성을 제공합니다.
