성공적인 설치를 위한 옵티컬 스트레인 센서의 배열 구성 팁

광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating) 기술의 장점 중 하나는 그 고유의 다중화 성능입니다. 센서는 특정 브래그 파장을 지닐 수도 있고 여러 가지 브래그 파장을 지닐 수도 있으며, 센서 신호가 중첩되지 않는 한 측정값의 올바른 판독을 저해하지 않는 범위에서 센서들을 연이어 연결할 수 있습니다.

센서들을 커넥터와 함께, 또는 커넥터 없이 따로 따로 확보하거나 미리 조립된 센서 배열들을 융착 접속(두 섬유를 영구적으로 연결하는 방식)을 통해 연결할 수 있습니다. 설치 시 센서 및/또는 배열을 인터로게이터의 광학 채널 중 하나에 함께 연결할 수 있지만 파장의 선택, 그리고 케이블 길이와 연결에 따라 신호에 미치는 전력 손실에 주의해야 합니다.

1. 센서 선택

HBM은 몇 가지 유형의 FBG 기반 센서를 제공하고 있습니다. 이 제품들은 광학적 손실이 제한 범위 이내이고 파장 신호가 중첩되지 않음을 고려할 때 모두 인터로게이터의 동일한 광학 채널에 결합될 수 있습니다. 아래에서 제시하는 방법은 변형율 측정에 해당되는 내용이지만 다른 유형의 센서에도 쉽게 적용할 수 있습니다.

가장 적절한 센서 유형을 선택하려면 다음과 같은 요구 사항을 고려해야 합니다.

a) 측정 범위

센서 캡슐화 방식의 다양화에 따라 센서의 측정 범위가 제한될 수 있습니다. 적절한 센서 유형을 선택할 때 필요한 측정 범위에 따라 일부 센서를 선택지에서 제외할 수 있습니다.

b) 장착 유형

HBM은 센서를 표본에 붙이거나 용접하거나 내장하거나 볼트로 연결하는 등 다양한 솔루션을 제공합니다. 해당 장착 유형이 설치 속도와 비용에 방해 요인이 될 수 있으며 다른 선택지를 없애버릴 수도 있습니다. 용접이 가능한 게이지는 금속 구조물에 센서를 설치할 경우 고려해볼 수 있습니다. 용접은 접착제가 경화될 때까지 기다릴 필요 없이 설치 후에 바로 사용할 수 있도록 구조물에 센서를 접착하는 빠르고 효율적인 방법입니다. 복합 소재의 경우, 접착하거나 내장하는 방법이 있습니다. 볼트 연결은 뚫는 과정에서 섬유가 손상되기 때문에 일반적으로 섬유 복합 재료에는 권장되지 않지만 콘크리트나 금속 구조물에는 적절한 방법이 될 수 있습니다.

c) 내구성

다양한 내구성을 지닌 여러 가지 종류의 센서가 있습니다. 어떤 센서는 실험실용 케이블과 함께 설계되어 있고, 또 어떤 센서는 실내용 또는 실외용 케이블이나 절연 케이블과 함께 설계되어 있어서 환경에 따른 보호 장치를 추가하지 않아도 센서의 용도가 한정됩니다.

d) 케이블의 굴곡 반경과 길이

HBM FiberSensing 변형율 센서는 사용된 광학 섬유의 특성에 따라 서로 다른 두 가지 제품 라인으로 구분됩니다. OP 라인은 굴곡 성능이 우수한 섬유와 굴곡 반경이 작은 비좁은 공간에 사용할 수 있는 섬유 링크를 이용하기 때문에, 전력 손실이 매우 적은 케이블 경로뿐만 아니라 휘어진 표면의 측정에 적합한 센서 영역에도 사용할 수 있습니다. FS 라인은 센서와 케이블의 유연성은 낮지만 큰 광학적 손실 없이 수 킬로미터에 걸쳐 자유롭게 사용할 수 있습니다.

e) 작동 온도

변형율 측정은 매우 다양한 환경에서 수행될 수 있습니다. 고온 또는 저온 환경에서는 일부 광학 스트레인 게이지만 적합합니다.

f) 온도 보상의 필요성

FBG 기반 변형율 센서는 온도에 민감하므로 보정을 하는 것이 좋습니다.

HBM FiberSensing은 온도 변화가 FBG 파장에 미치는 본질적 영향을 상쇄하는(표본 재료의 열 팽창은 아님), 온도 무의존 변형율 센서라는 독특한 솔루션을 제공합니다. 이 변형율 센서를 선택할 경우, 측정에 대한 온도 보상을 위해 다른 센서가 필요하지 않습니다. 기타 모든 변형율 센서의 경우에는 추가 감지 요소가 필요합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

  • 변형율 센서와 같은 온도에 배치되는 온도 센서: 변형율 센서의 동일 위치에 대한 온도 측정, 센서의 온도 교차 감도(데이터 시트와 보정 시트에 명시됨), 그리고 기본 재료의 열 팽창을 통해 변형율 측정치를 교정할 수 있습니다.
  • 광학적 보상 요소: 일부 변형율 센서의 경우, 온도 보상 효과를 위해 특별히 설계된 FBG 센서를 사용할 수 있습니다.
  • 동일한 재료에 적용되고 같은 온도 조건에 놓여야 하지만 변형의 적용은 받지 않는 광학 스트레인 게이지: 이 센서에 의해 측정되는 변형율은 온도에 따른 변형율입니다.
  • 표본의 반대편, 즉 변형율은 동일하지만 신호가 다른 쪽에 장착되는 광학 스트레인 게이지: 센서들을 이 같은 푸시-풀(push-pull) 구성으로 배치하면 두 가지 변형율 측정이 결합되어 온도의 효과가 무효화될 수 있습니다.

하나의 배열에 필요한 센서의 개수를 정할 때 위와 같은 방식들을 고려해야 합니다.

2. 파장의 선택

신호들이 중첩될 경우 측정값들의 정확성이 떨어지므로 두 센서 상의 브래그 파장 길이가 두 센서의 최대 측정 범위를 결정합니다. 센서에 사용되는 파장 범위는 온도 작동 범위 내에서의 측정 범위, 그리고 센서 감도와 센서들의 교차 감도 및 재료의 열 팽창에 따른 열에 의한 파장 이동에 따라 결정됩니다.

 

확보해야 하는 파장의 범위는 센서의 중심 파장(λ0)부터 시작해 센서의 가능한 최소 파장값에서 최대값까지입니다.

 

원활한 선택을 위해, 일반적인 센서 측정 범위에 적합한 여러 가지 파장을 미리 선택하여 제공합니다.

  1. FS 라인의 센서들은 약 6.4nm 간격의 파장으로 제공됩니다.
  2. OP 라인의 센서들은 5nm 간격의 파장으로 제공됩니다.

3. 광 손실 제어

FBG 감지 체인 내의 광학 채널당 사용할 수 있는 연결의 수는 사용되는 연결의 유형뿐 아니라 인터로게이터, 섬유의 유형과 길이, 그리고 서치 과정에서 발생할 수 있는 (케이블 길이, 미세 곡률 등) 광학 신호의 손실에 의해 결정됩니다.

 

a) 커넥터 vs 접속구(Splices)

변형율 광학 센서들을 체인으로 연결할 때는 다음 두 가지 방식을 이용할 수 있습니다. 커넥터와 접속구.

커넥터는 말 그대로 “플러그 앤 플레이”를 의미하므로 현장에서 사용하기가 더 쉽습니다. 그러나 광학 신호의 손실 가능성이 더 높아 시간이 지나면서 성능이 저하되기 쉽습니다.

반면 접속구는 확실한 연결, 즉 섬유 2개의 융합으로 시간이 지나도 안정적이며 광학적 손실이 적습니다. 그러나 접속구는 전용 도구와 숙련된 전문가가 필요하며 설치 시간이 깁니다.

설치 시간을 최소화하는 동시에 센서들의 체인 내에 연결할 수 있는 센서의 개수를 늘리기 위해 HBM FiberSensing은 미리 조립된 센서들을 용도에 적합하도록 보호 처리된 접속구로 연결한, 배열 형태의 제품을 제공합니다.

b) 섬유의 유형과 길이

HBM FiberSensing의 두 가지 센서 라인에 사용되는 섬유는 서로 다릅니다. FS 라인 센서에 사용되는 섬유는 코어가 9µm이고 OP 라인 센서에 사용되는 섬유는 코어가 6µm입니다.

FS 라인의 센서와 케이블은 9µm 코어 파이버의 감쇠 손실이 매우 적으므로 센서 신호의 품질 저하 없이 수 킬로미터를 감지할 수 있습니다. OP 라인의 섬유와 케이블은 감쇠 손실이 높으므로 장거리에 사용할 수 없습니다.

이 두 가지 유형의 섬유를 접속구를 통해 연결하는 경우라도 접속 부분의 손실율이 높기 때문에 여러 가지 섬유 유형을 한 체인 안에 사용할 수 있는 횟수가 제한됩니다.

c) 센서의 반사율

FBG 센서의 측정 원리는 입사 광선의 반사된 스펙트럼에 기초합니다. 반사되어 돌아오는 신호는 입사 광선의 특정 비율입니다. FS 라인 센서들은 반사율이 약 65%이고, OP 라인 센서들은 15% 미만입니다. 손실율을 계산할 때 센서의 반사율도 고려해야 합니다.

d) 인터로게이터의 동적 범위

광학 센서의 허용 손실율은 인터로게이터의 가용 동적 범위에 의해 결정됩니다. 이 동적 범위는 피크 감지 시 광학 스펙트럼의 신호 대 잡음비 측정값으로 이해할 수 있습니다. 동적 범위에 대한 손실 값이 높거나 매우 가까운 신호들은 인터로게이터가 제대로 수집하지 못합니다.

광학 감지 체인의 성능을 최적화하려면 센서, 인터로게이터 및 액세서리 의 기술적 특성을 면밀히 점검해야 합니다.

HBM은 적절한 구성 요소들을 선택할 수 있도록 지원합니다.

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