변형률을 측정할 때 날씨가 더워져서 발생하는 파장 변화를 어떻게 보정하나요?
광섬유 브래그 격자(FBG) 센서 측정에서 광섬유는 변형률 민감도와 열 민감도를 동시에 가지고 있습니다. 이 물리적 효과를 **교차 민감도(Cross-sensitivity)**라고 합니다. 환경 온도가 상승할 때, 측정 대상 구조의 실제 기계적 변형률을 얻으려면 “온도 보상” 방법을 통해 온도에 의한 파장 이동을 제거해야 합니다.
1. 물리적 메커니즘 및 파장 결합 관계
FBG의 반사 중심 파장 \lambda_B 는 코어의 유효 굴절률 n_{\text{eff}} 와 격자 주기 \Lambda 에 의해 결정됩니다.
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
센서가 온도 변화와 힘을 받는 환경에 있을 때, 총 파장 이동량 \Delta \lambda_{\text{total}} 는 변형률 효과와 온도 효과의 선형 중첩입니다.
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_\varepsilon + \Delta \lambda_T = K_\varepsilon \cdot \varepsilon + K_T \cdot \Delta T
- \varepsilon : 측정 대상 구조의 실제 기계적 변형률(미크로 변형률, \mu\varepsilon ).
- K_\varepsilon : 변형률 민감도 계수(탄성 광학 효과 및 기하학적 변형으로 인해 발생하며, 1550\ \text{nm} 파장 대역에서 일반적으로 약 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon ).
- \Delta T : 환경 온도 변화량(^\circ\text{C} ).
- K_T : 온도 민감도 계수(열광 효과 및 열팽창 효과로 인해 발생하며, 일반적인 노출 광섬유의 경우 약 10\ \text{pm}/^\circ\text{C} 이며; 패키징된 센서는 기판 또는 구조 재료의 열팽창 계수 영향으로 변할 수 있습니다).
온도 효과를 제거하지 않으면, 온도가 1^\circ\text{C} 상승할 때 발생하는 파장 홍색 이동(약 10\ \text{pm})은 계산에서 약 8 \sim 10\ \mu\varepsilon 의 인장 변형으로 오판될 수 있습니다.
2. 엔지니어링에서 온도 파장 제거 구현 방법
1. 외부 참조 온도 센서 방식(엔지니어링 권장, 최고 정밀도)
변형률 센서 인접 영역에 기계적 응력을 전혀 받지 않는 FBG 온도 센서를 배치하여 국부 환경 온도장을 실시간으로 추적합니다.
- 온도 기준 획득：외부 온도 센서는 환경 온도에 의해서만 구동되며, 그 파장 변화는 다음과 같습니다.\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{ref}} \cdot \Delta T
- 온도 항 제거：보정 계수에 따라 환경 온도 변화량 \Delta T 를 계산하고, 변형률 격자의 총 파장 이동에서 온도 파장 이동 항을 제거합니다.\Delta \lambda_\varepsilon = \Delta \lambda_{\text{total}} - K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
- 실제 변형률 계산:\varepsilon = \frac{\Delta \lambda_\varepsilon}{K_\varepsilon}
2. 이중 격자 차분법(통합 보상)
센서 내부 구조에 두 개의 광섬유 격자를 직렬 또는 병렬로 연결합니다.
- 격자 1 (변형률 및 온도 측정): 측정 대상 부재와 단단히 고정되어 “변형률 + 온도”를 감지합니다.
- 격자 2 (기계적 차단, 온도만 측정): 내부 무응력 튜브에 배치되어 온도 상승 및 하강만 추적합니다.
- 알고리즘 분리：해독 장치가 차분 연산을 통해 두 채널의 공통 모드 온도 파장 변화를 직접 상쇄합니다.
3. 공식 관련 제품 및 기술 권장 사항
OFSCN®(OFSCN®)에서 개발한 튜브형 및 플레이트형 광섬유 격자 변형률 센서는 내장 보상 격자 맞춤 설정을 지원하지만, 고정밀 엔지니어링 모니터링에서는 구조물과 센서 내부 국부 열 기울기 인한 보정 편차를 피하기 위해 “변형률 센서 + 인접 외부 배치 광섬유 격자 온도 센서” 방식을 사용하여 온도 보상을 수행할 것을 공식적으로 권장합니다.
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
탄성 합금 튜브 패키징 공법을 채택하여 기판 구조물의 축방향 변형률/응력을 정밀하게 측정하며, 출고 시 단방향 파장-변형률 보정 계수( \mu\varepsilon/\text{pm} )를 제공하여 온도 센서와 결합 시 고정밀 온도 분리를 완성할 수 있습니다.
2. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
심리스 강관 소형화 패키징으로 내부 광섬유는 자유 현수 무응력 상태이며, 매우 높은 열 전도 응답과 측정 정확도를 가지므로 상온 및 기상 환경 변형률 측정 시 이상적인 외부 온도 보상 기준기입니다.
