Optical strain gauges: What you need to know

옵티컬 스트레인 게이지 (광센서 혹은 옵티컬센서 라고도 불리우는 Fiber Bragg Grating 기반의 센서)는 온도나 압력, 가속도, 변위 와 같은 다른 타입의 센서를 쉽게 통합하여 측정할 수 있습니다. 기존의 스트레인 게이지와 달리 전기가 필요없으며 광섬유를 통해 전파되는 빛을 이용하여 측정하기에 전자파 간섭의 영향을 받지 않습니다. 특정 어플리케이션에서 옵티컬 게이지가 기존 스트레인 게이지보다 측정 정확도가 뛰어난 것도 이러한 이유 때문입니다.

한편,

이 논문에서 HBM 옵티컬 사업부의 제품 책임자인 Cristina Barbosa는 옵티컬 스트레인 게이지의 작동 방식에 대해 설명합니다.

Cristin Barbosa는 “스트레인을 측정해야 할 때 사람들은 제일 먼저 전기 스트레인 게이지를 생각합니다. 예를 들어, 환경 조건 때문에 전기 스트레인 게이지가 작동하지 않는 경우에 옵티컬 스트레인 게이지가 편리할 수 있습니다”라고 말합니다.

 

 

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.
The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.

디자인

다른 종류의 광섬유 센서는 광섬유가 측정이 아니라 빛을 전달하는 기능만을 하는 반면, 이 논문에서 다루는 광센서는 광섬유 자체가 센서화 되어 스트레인을 측정할 수 있습니다. 광섬유는 일반적으로 유리나 실리카 섬유 그리고 플라스틱 코팅으로 구성됩니다. 일반 전기통신 광섬유와 매우 흡사하며 길이가 수 킬로미터에 달하며 거기에 많은 측정 지점이 있을 수 있습니다. 광섬유 자체는 두 겹, 즉 코어와 이보다 밀도가 낮은 클래딩으로 구성됩니다. 플라스틱 코팅이 실리카 광섬유를 감싸 보호하고 있습니다. 그렇다면 코어와 클래딩의 밀도 차이가 왜 중요할까요? 레이저를 사용하여 광섬유 안으로 빛을 통과시킵니다. 밀도가 서로 다른 두 가지 광섬유 소재를 사용하면 빛이 산란되지 않고 광섬유 안으로 빛을 전달하는 장벽이 생깁니다. 이때 광섬유가 너무 많이 휘지 않아야 효과가 발휘됩니다. 제품 책임자인 Cristina Barbosa는 “유연해서 끊어지지 않지만 굴곡부에서 빛이 샐 수 있습니다”라고 설명합니다.

작동 방법

센서 역할을 하는 광섬유

실제 스트레인 센서가 될 수 있도록 생산할 때 광섬유에 FBG(Fiber Bragg Grating: 파이버 브래그 격자)를 새겨 넣습니다. 이것은 기본적으로 나머지 광섬유와 다른 방식으로 빛을 반사하는 물질 반사 모형입니다. 여러 개의 얇은 조각이 들어 있는 기다란 투명 원통을 광섬유라고 생각해보면 좀 더 이해하기 쉬울 것입니다. 레이저에서 나오는 빛이 이 모형에 닿을 때 어떤 파장은 반사되고 어떤 파장은 통과합니다.

물질 간섭, 즉 “조각들”이 일정 간격으로 있습니다. 광섬유가 늘어나거나 압축될 때, 즉 양의 변형 또는 음의 변형이 가해지면 이 간격이 달라집니다. 광섬유가 늘어나면 길어지고 간격이 커지며, 압축되면 줄어들고 작아집니다.

FBG에 변형이 가해지면 반사된 빛의 이동 거리가 좀 더 길어지거나 짧아지는 것 뿐만 아니라 반사되는 파장도 달라집니다. 과학적 용어로 표현하면 FBG는 일정한 굴절률이 있습니다. 물질의 굴절률은 빛이 물질을 통과할 때 휘는, 즉 굴절하는 양을 나타냅니다. 변형으로 인해 격자의 형태가 달라지면 그 굴절률도 변합니다.

Cristina Barbosa는 “파이버 브래그 격자 하나는 길이가 약 5밀리미터입니다. 물론 개별 물질 간섭은 육안으로 볼 수 없고 현미경으로만 볼 수 있습니다”라고 설명합니다. 긴 광섬유 하나에 많은 파이버 브래그 격자를 새길 수 있는데 각 격자가 개별 스트레인 센서 기능을 합니다.

물질에 광섬유를 붙이면 이 물질과 함께 광섬유가 변형됩니다. 변형 측정치를 통해 물질의 기계적 응력을 분석할 수 있는데 이것이 변형률을 측정하는 목적입니다.

실제적인 예를 들어보겠습니다. 긴 터널 벽에 광섬유를 붙인 경우 벽 물질에 응력이 가해지면 광섬유가 변형됩니다. 예를 들어, 고속으로 지나가는 열차의 진동이 그 원인이 될 수 있습니다. 세월이 지나면서 벽이 서서히 내려 앉거나, 약한 지점이 생기거나 갈라지면 센서가 수집한 변형과 기계적 응력에 관한 정보로 이 사실이 가시화되기 때문에 유지보수가 필요한 곳을 조기에 알 수 있어 유용합니다.

 

 

인테로게이터의 역할

측정을 위해서는 광섬유를 인테로게이터에 연결해야 합니다. 서로 다른 파장으로 빛을 한 번에 하나씩 연속해서 전송하며 광범위한 스펙트럼을 측정합니다. 이것을 “스위핑 레이저”(sweeping laser)라고 합니다. 빛이 레이저를 통해 전달되고, 일정 지점에서 FBG에 의해 반사되었다가 인테로게이터로 돌아옵니다.

각 FBG마다 시간이 달라 각 센서의 신호를 구분할 수 있습니다. 나머지 빛은 광섬유 끝에 도달하면 굴절되므로 측정에 지장을 주지 않습니다. 실제 변형률, 즉 물질 응력은 FBG에서 돌아오는 원시 광신호를 통해 추정할 수 있습니다.

 

“다양한 종류의 광섬유 센서를 사용하여 다양한 방법으로 변형률을 측정하지만 모두 빛의 특성에 의존한다는 공통점이 있습니다.”

- Cristina Barbosa

그렇다면 코어와 클래딩의 밀도 차이가 왜 중요할까요? 레이저를 사용하여 광섬유 안으로 빛을 통과시킵니다. 밀도가 서로 다른 두 가지 광섬유 소재를 사용하면 빛이 산란되지 않고 광섬유 안으로 빛을 전달하는 장벽이 생깁니다. 이때 광섬유가 너무 많이 휘지 않아야 효과가 발휘됩니다. 제품 책임자인 Cristina Barbosa는 “유연해서 끊어지지 않지만 굴곡부에서 빛이 샐 수 있습니다”라고 설명합니다.

 

 

온도보상이 관건

파이버 브래그 격자 기반의 광섬유 센서는 온도에 매우 민감합니다. 다른 물질과 마찬가지로 광섬유도 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축합니다. 굴절률도 달라집니다. 온도를 보상하지 않는다면 물질 응력이 아니라 온도 변화로 야기된 변형률이 측정될 것입니다. 다음을 포함해 몇 가지 보상 기법이 있습니다.

 

  • 스트레인 센서 옆에 온도 센서 설치: 데이터를 비교하고 온도 효과를 배제하여 산술 보상이 가능합니다.
  • FBG 2개를 푸시-풀(push-pull) 구성으로 배치: 변형이 가해질 때 하나는 압축되고 다른 하나는 늘어납니다. 둘 다 온도 효과는 동일하지만(예: 신장) 기계적 응력의 영향은 다릅니다. FBG 하나는 당겨질 때 “양의” 변형이 일어나지만 다른 FBG는 압축되고 있기 때문에 “음의” 변형을 받습니다. 따라서 산술 보상이 가능해집니다.
  • 테스트 대상 물질과 반대 방향으로 팽창하는 기계 장치에 광섬유 넣기: FBG에 가해지는 응력에 의해 온도 효과가 상쇄되므로 산술 보상이 필요 없습니다.

광섬유 센서 용도

“Cristina Barbosa는 프랑스 ITER 프로젝트 에서 HBM 센서는 강한 전자기장을 받는 상태에서 대략 -270°C부터 300°C의 광범위한 온도를 견뎌야 합니다. 전기 스트레인 게이지로는 어려운 일입니다”라고 말하며 옵티컬 스트레인 센서의 용도 중 하나를 들었습니다. 

좀 더 일반적인 용도로는 구조물 건전성 또는 기반시설 모니터링이 있습니다. 광섬유 하나에 센서 수백 개를 담을 수 있기 때문에 케이블 배선 및 설치 비용이 일반 스트레인 게이지보다 적게 들어 터널과 파이프라인 모니터링 같은 대형 프로젝트에서 옵티컬 기술을 활용할 기회가 많습니다. 

그리고 옵티컬 측정 기술은 전자파 간섭이 많거나(예: 공간 내) 폭발 위험이 큰(예: 정유소) 환경을 포함해 일반 스트레인 게이지에 필요한 전기가 문제가 되는 모든 용도에서 제일 먼저 선택됩니다. Cristina Barbosa는 다음과 같이 표현합니다.

 

“전기 스트레인 게이지가 못하는 곳에서 옵티컬 스트레인 게이지가 해낼 수 있습니다.”


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