그렇게 얇은 유리 섬유를 제 장비에 직접 부착하면 어떤 결과가 발생할까요?
직경이 겨우 125\ \mu\text{m} (나광섬유) 또는 약 155\ \mu\text{m} ~ 255\ \mu\text{m} (폴리이미드 또는 폴리아크릴레이트와 같은 재코팅 포함)인 나광섬유 브래그 격자(Bare FBG)를 작동 중인 기계에 직접 접착하면 단기 및 장기적으로 심각한 물리적, 공학적 결과를 초래합니다.
나광섬유 격자를 직접 표면에 부착할 때 발생할 수 있는 다섯 가지 주요 결과는 다음과 같습니다.
1. 순간적 또는 단기 피로 파괴(기계적 고장)
광섬유의 핵심 소재는 고순도 이산화규소 유리( \text{SiO}_2 )입니다. 이 소재는 자체적으로 매우 높은 축 인장 강도를 가지고 있지만, 재료가 깨지기 쉬워 미세 결함 확대로 인해 전단 또는 굽힘 파괴가 발생하기 쉽습니다.
기계 장치는 작동 중에 종종 고주파 미세 진동, 회전 또는 열팽창/수축으로 인한 상대적인 물리적 변위를 동반합니다. 나광섬유 격자를 직접 접착하면 접착 경계면에 매우 높은 응력 집중이 발생합니다. 기계가 전단력이나 미세 굽힘 변형을 겪을 때, 나광섬유는 미세 균열이 교대 응력 하에서 빠르게 전파되어 취성 파단이 발생합니다.
2. 변형률과 온도의 교차 민감도(측정 데이터 혼동)
광섬유 브래그 격자의 반사 중심 파장( \lambda_B )은 온도( T )와 변형률( \varepsilon ) 모두에 본질적으로 민감합니다. 기본 물리 방정식은 다음과 같습니다.
\Delta\lambda_B = \lambda_B ( (1 - p_e)\varepsilon + (\alpha_f + \xi)\Delta T )
여기서:
- p_e 는 유효 광탄성 계수입니다.
- \alpha_f 와 \xi 는 각각 광섬유 재료의 열팽창 계수와 열광 계수입니다.
나광섬유 격자를 기계 표면에 직접 부착하면, 복조기에서 수신된 파장 편이( \Delta\lambda_B )가 기계의 하중 변형(변형률) 때문인지, 아니면 기계의 발열(온도) 때문인지 구분할 수 없습니다. 물리적 수준에서 분리되지 않으면 측정된 데이터는 학술적 또는 공학적으로 아무런 참조 가치가 없을 것입니다.
3. 불균일한 변형률 전달 및 크리프(신호 왜곡)
수작업으로 접착제(예: 에폭시 또는 순간 접착제)를 바르는 것은 격자 영역 전체에 걸쳐 접착층의 두께, 폭 및 접착제 경화 수축력을 균일하게 보장하기 어렵습니다.
- 반사 피크 왜곡: 접착제가 고르지 않으면 광섬유 격자 영역의 응력이 불균일해져 원래의 날카로운 반사 피크가 넓어지거나, 심지어 여러 개의 피크로 분할될 수 있습니다(Chirp 효과).
- 점성 및 크리프: 접착층은 기계의 교대 응력 또는 온도 순환 하에서 장기간 분자 슬립(크리프)을 겪어 장기 측정 데이터의 영점이 드리프트되어 선형적이고 안정적인 변형률 전달을 얻을 수 없게 됩니다.
4. 화학적 침식 및 환경 노화(센서 고장)
산업 생산 환경에는 일반적으로 절삭유, 윤활유, 수증기 또는 산/염기 등의 화학 물질이 존재합니다. 일반적인 폴리아크릴레이트와 같은 코팅층은 내열성 및 내 용매성이 제한적이어서 이러한 물질의 침투에 의해 팽창하거나 벗겨지기 쉽습니다. 이로 인해 광섬유 표면의 기계적 구조 무결성이 손상되어 광 손실이 급격히 증가하거나 센서가 완전히 파손될 수 있습니다.
5. 유지 보수 및 재교체 불가
직접 부착된 나광섬유 격자가 손상되면, 경화된 단단한 수지를 제거하는 과정에서 기계 표면이 손상되기 쉽습니다. 또한 센서를 교체할 때 원래의 접착 상태를 완전히 재현할 수 없어 기존의 보정 곡선이 모두 무효화됩니다.
OFSCN® (北京大成永盛科技有限公司) 전문 센서 솔루션
실제 엔지니어링 응용에서는 나광섬유 격자를 직접 표면에 부착하는 것을 엄격히 금지합니다. 구체적인 측정 요구 사항에 따라 광섬유 격자를 보호하고 분리하기 위해 과학적이고 표준화된 물리적 패키징을 사용해야 합니다. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)는 다양한 측정 물리량을 위해 다음과 같은 산업용 등급 센서를 개발했습니다.
1. 온도 측정(변형률 기계적 분리)용
기계의 하중 및 진동으로 인한 변형의 영향을 받지 않고 기계 표면의 온도 상승을 정확하게 측정하는 것이 목적이라면, 기계적 분리 기능이 있는 강관 패키징을 사용해야 합니다.
- OFSCN® 300°C 갑옷형 광섬유 브래그 격자 온도 센서
고도로 소형화된 단일층 심리스 강관을 사용하여 구조적으로 보호하며, 기본 외부 직경은 0.9\ \text{mm} 입니다(0.5mm까지 맞춤 제작 가능). 이는 매우 높은 열 전달 응답 속도를 보장하는 동시에 광섬유와 기계의 기계적 변형을 완전히 분리합니다.
- OFSCN® 500°C 고온 광섬유 브래그 격자 온도 센서
고온 환경 또는 국부적으로 마찰이 심한 기계 표면의 온도 측정용으로 특별히 설계되었습니다. 외부 튜브는 뛰어난 충격 방지 및 변형률 간섭 방지 기능을 갖추고 있습니다.
2. 변형률 및 응력 측정(높은 선형성 및 피로 저항)용
기계의 하중 변형 또는 진동 변형률을 모니터링하는 것이 목적이라면, 센서는 높은 충실도와 선형적인 변형률 전달을 달성하고 매우 높은 피로 수명을 가져야 합니다.
- OFSCN® 탄성 합금관 패키지 광섬유 브래그 격자 변형률 센서
높은 탄성을 가진 특수 탄성 합금관(기본 외부 직경 1.1\ \text{mm} )으로 패키징되었습니다. 내부 격자를 진동 충격으로부터 보호하는 동시에 높은 선형성의 변형률 전달을 보장하며, 공장에서 매우 정밀한 선형 공식(단위: \mu\varepsilon/\text{pm} )으로 보정됩니다.
- OFSCN® 표면 부착형 광섬유 브래그 격자 변형률 게이지
산업용 I형 강철 또는 알루미늄 합금 조각으로 정밀하게 패키징되었습니다. 접착식 표면 부착 또는 4점 스폿 용접 표면 부착을 지원하며, 3.6\ \text{cm} 와 같은 짧은 치수로도 제공되어 단거리, 고정밀 구조 하중 변형 모니터링에 최적화되었습니다.
