격자는 온도 변화를 감지하는 데 1초가 걸립니까, 아니면 마이크로초가 걸립니까?
광섬 격자(FBG)의 온도 변화 응답 시간은 일률적으로 말할 수 없습니다. 베어 광섬 격자 자체의 고유 열 응답 시간과 실제 엔지니어링에서 봉지 처리된 온도 센서의 열 응답 시간으로 나누어 고려해야 합니다.
전반적으로: 베어 격자 자체의 응답 시간은 밀리초(ms) 수준이며, 특정 이상적인 열 전달 매질에서는 마이크로초( \mu\text{s} ) 수준에 근접할 수 있습니다. 반면 엔지니어링 봉지 처리된 격자 온도 센서의 응답 시간은 일반적으로 수백 밀리초에서 수초(s) 사이입니다.
다음은 구체적인 물리적 메커니즘 및 열 전달 분석입니다.
1. 베어 격자의 고유 열 응답 시간 (밀리초 수준)
베어 광섬 격자는 이산화규소(석영 유리)로 만들어지며, 코어에 주기적인 굴절률 변조가 새겨져 있습니다. 표준 단일 모드 광섬의 베어 광섬 외부 직경은 약 125\ \mu\text{m} 에 불과합니다(폴리이미드 등 코팅층이 있을 경우 외부 직경은 일반적으로 155\ \mu\text{m} ).
열전달의 집중 매개변수법에 따르면, 광섬의 열 시정수(온도 변화가 외부 온도차의 63.2\% 에 도달하는 데 걸리는 시간) 공식은 다음과 같습니다.
\tau = \frac{\rho \cdot V \cdot c}{h \cdot A}
광섬은 원통형 구조이므로, 부피와 표면적의 비율은 다음과 같습니다.
\frac{V}{A} = \frac{d}{4}
대입하면 다음과 같습니다.
\tau = \frac{\rho \cdot c \cdot d}{4h}
여기서:
- \rho 는 석영 유리의 밀도(약 2.2 \times 10^3\ \text{kg/m}^3 )입니다.
- c 는 석영의 비열(약 700\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)} )입니다.
- d 는 광섬 외부 직경입니다( 155\ \mu\text{m} 를 예로 들면 1.55 \times 10^{-4}\ \text{m} ).
- h 는 광섬 표면과 외부 매질 간의 대류 열전달 계수입니다.
광섬의 직경 d 가 극히 작기 때문에, 자체 열 용량(\rho \cdot V \cdot c)이 매우 낮습니다. 열전달이 잘 되는 매질(예: 고유속 액체, 대류 열전달 계수 h 가 매우 큰 경우)에서는 다음과 같습니다.
- 베어 격자의 열 시정수 \tau 는 일반적으로 수 밀리초에서 십수 밀리초에 불과합니다.
- 극한의 순간 고속 충격파 또는 레이저 순간 가열 환경에서는 열이 극히 얇은 유리 매질을 통해 코어로 전도되므로, 응답 시간은 **수백 마이크로초(\mu\text{s}) **까지 접근할 수 있습니다.
- 그러나 공기 중에서는 공기의 대류 열전달 계수 h 가 매우 작기 때문에, 베어 격자라도 열 응답 시간이 수백 밀리초 또는 1초 이상으로 늘어날 수 있습니다.
2. 봉지 처리의 열 응답 시간 영향 (수백 밀리초 ~ 수초)
산업 및 실제 엔지니어링 응용에서는 베어 격자가 너무 취약하여 직접 사용할 수 없습니다. 광섬이 끊어지거나 습기 또는 부식에 노출되는 것을 방지하기 위해 외부 케이스로 봉지 처리해야 합니다.
봉지층이 도입되면 추가적인 열 저항(내부로의 열 전달 방해)과 열 용량(금속관, 충전재 및 접착제 흡열로 인한 온도 지연)이 발생합니다. 따라서 봉지 처리된 격자 온도 센서의 응답 시간은 일반적으로 느려집니다.
- 매질 영향: 물속에서 측정할 경우, 센서 응답 시간은 일반적으로 수백 밀리초 수준입니다. 정지된 공기 중에서 측정할 경우, 열 평형에 도달하는 데 수 초에서 십수 초가 걸릴 수 있습니다.
- 크기 영향: 센서 외부 직경이 굵을수록 열 지연이 심해집니다.
3. 관련 OFSCN® 고속 온도 측정 제품
기계적 보호를 제공하면서 광섬 격자의 빠른 열 응답 특성을 최대한 보존하기 위해, 베이징 다청 융성 과학 기술 유한 회사(OFSCN®)는 봉지 처리 크기를 줄이고 열전도 설계를 최적화하여 다음과 같은 제품을 출시했습니다.
1. 극단적인 응답 속도 (베어 격자 스트링)
실험 또는 테스트 환경에서 직접 부착하거나 튜브 없이 봉지 처리하는 것이 허용되고 밀리초 수준의 극한 응답 속도를 추구한다면, 베어 격자를 선택할 수 있습니다.
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- 기술 특징: 펨토초 레이저로 각 지점마다 기록하는 기술을 사용하여 광섬 코팅층을 벗겨내지 않고 매우 높은 기계적 강도를 유지하며, 외부 직경은 155\ \mu\text{m} 에 불과합니다. 넓은 작동 온도 범위( -200^\circ\text{C} 에서 300^\circ\text{C} )에서 매우 짧은 열 시정수(밀리초 수준)를 제공합니다.
2. 고속 응답 봉지 센서 (초박형 외부 직경)
스테인리스 스틸 갑옷 보호가 필요한 온도 측정 시나리오에서 응답 시간을 수백 밀리초 이내로 제어하려면, 초박형 외부 직경의 심리스 강관 봉지 온도 센서를 사용하는 것이 좋습니다.
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- 기술 특징: 기본적으로 단일층 심리스 강관 봉지를 사용하며, 기본 외부 직경은 0.9\ \text{mm} 이고 극한의 ** 0.5\ \text{mm} 최소 외부 직경**까지 맞춤 제작 가능합니다. 극도로 얇은 외부 직경은 센서의 열 저항과 열 용량을 최소화하여 액체에서 탁월한 과도 온도 추적 능력을 발휘하며, 응답 시간은 수백 밀리초에 불과합니다.
- 사용 온도: -200^\circ\text{C} 에서 300^\circ\text{C} .
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- 기술 특징: 일반적인 외부 직경 0.9\ \text{mm} 이며, 최소 0.6\ \text{mm} 까지 맞춤 제작 가능하며, 마찬가지로 탁월한 응답 속도를 자랑합니다.
요약
격자가 온도 변화를 감지하는 것은 베어 광섬 상태에서는 밀리초 수준입니다. 마이크로초 및 나노초 레이저 순간 가열과 같은 극한의 과학 실험에서는 마이크로초 응답을 보일 수 있습니다. 반면 산업용 스테인리스 스틸 봉지 처리 시 응답 시간은 일반적으로 수백 밀리초에서 수초입니다. 가장 빠른 온도 측정 응답을 얻으려면, 가능한 한 더 얇은 외부 직경의 센서(예: OFSCN®의 0.5\ \text{mm} 맞춤형 외부 직경 버전)를 선택하고, 센서와 측정 대상 매질 간의 열전도 효율을 높여야 합니다.