[논문]온도 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 센서의 온도 계수 특성 평가

김헌영; 강동훈; 이진혁; 김대현

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.8.999

온도 측정을 위한 광섬유 브래그 격자 센서의 온도 계수 특성 평가
Characteristics of Thermal Coefficient of Fiber Bragg Grating for Temperature Measurement 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.8, 2013년, pp.999 - 1005

김헌영 (서울과학기술대학원 기계공학과) , 강동훈 (한국철도기술연구원) , 이진혁 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) , 김대현 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
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광섬유 브래그 격자 센서는 최근 구조건전성평가 분야에서 가장 활발히 사용되는 지능형 센서 중의 하나이다. 특히 본 센서는 다양한 물리량들을 여러 지점에서 한 가닥의 광섬유로 측정할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이중 온도 측정을 위해서는 열팽창계수 및 열광학 계수의 사용이 필요하다. 대부분의 기존 연구에서는 이러한 물리량들을 상수값으로 가정하고 온도를 측정하였다. 본 논문에서는 FBG 센서의 온도 측정 실험을 통해 온도 변화와 관련된 두 계수가 일반적으로 사용되는 상수가 아닌 온도에 따라 변하는 변수임을 확인하였다. 최종적으로 광섬유 브래그 격자 센서의 이론에서 온도계수를 온도에 따른 함수식으로 새롭게 제안하고, 이 함수식을 이용해 상온에서 100도까지의 범위에서 정확한 온도 측정이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A fiber Bragg grating sensor is considered a smart sensor that shows outstanding performance in the field of structural health monitoring (SHM). It has a powerful advantage, especially that of multiplexing, which enables several parameters to be sensed at multiple points by using a single optical fiber line. Among several parameters, the thermal expansion coefficient and thermo-optic coefficient are required to measure temperature. In previous studies, these were considered constant variables. This study shows that two parameters vary with temperature and newly proposes a temperature function for these two parameters. Specifically, these two parameters were defined as a single variable, and then, it was experimentally verified that this variable is a function of temperature. Finally, it was shown that temperature from RT to $100^{\circ}C$ was precisely measured by using the temperature function that was defined through the experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 FBG 센서를 이용한 온도 측정에 관한 연구를 수행하였다. FBG 센서의 온도 측정은 파장의 변화를 온도의 변화로 변환하여 나타낸다.
본 연구에서는 단순히 보상을 통한 온도측정이 아니라 온도변화와 FBG 센서의 파장변화에 직접적으로 관련된 새로운 온도계수의 함수를 도출하여 FBG 센서를 이용한 온도 측정에 적용할 수 있는 알고리즘을 제시 하였다. 또한 실험을 통해 제안된 방법으로 온도를 정확히 측정할 수 있음을 확인하였다.
본 장에서는 새롭게 제안된 온도계수 함수를 FBG 센서의 온도 측정 실험을 통해 정확한 함수식으로 도출하고 이를 검증해 보았다.

제안 방법

본 실험에서는 약 20℃의 실온(Room Temperature; RT)에서부터 100℃까지의 온도 구간에서 온도를 연속적으로 증가시키며 FBG 센서와 열전쌍의 데이터를 저장하였고 이들 데이터를 이용해 온도를 측정하였다.
FBG 센서의 온도 측정 성능을 확인하기 위해 다음과 같은 기초 실험을 수행하였다. 실험은 항온챔버(TEMI-300, JEIO-TECH Co.)를 이용하여 온도 조건을 정밀하게 제어하며 측정을 수행하였다. 챔버 내부에 FBG 센서와 측정의 정확도를 확인하기 위한 Table 1과 같은 열전쌍(Thermocouple)을 추가로 배치하여 실험 장치를 구성하였다.
)를 사용하였다. 챔버 내부의 온도 분포 양상을 고려하여 센서가 있는 위치에서의 온도를 정확히 측정하기 위해, T Type의 열전쌍을 Fig. 5와 같이 FBG 센서에 최대한 근접시켜 배치하였다. 열전쌍의 온도 신호는 DAQ 장치(NI-9211, National Instrument Co.

대상 데이터

센서에 대한 자세한 사양은 Table 2와 같다. FBG 센서의 구동을 위해 FBG 인터로게이터 (IFIS 100, Fiberpro Co.)를 사용하였다. 챔버 내부의 온도 분포 양상을 고려하여 센서가 있는 위치에서의 온도를 정확히 측정하기 위해, T Type의 열전쌍을 Fig.
5와 같이 FBG 센서에 최대한 근접시켜 배치하였다. 열전쌍의 온도 신호는 DAQ 장치(NI-9211, National Instrument Co.)를 이용하여 수집하였다.

이론/모형

7과 같다. Fig. 7 그래프에 Third Lagrange Polynomial Fitting을 적용하여 온도(T)에 따른 파장의 변화를 함수식으로 도출해 보았다. 이렇게 도출된 함수를 식 (6)을 사용하여 온도계수를 도출해 보았다.

성능/효과

또한 Table 3에 표현된 다항식을 미분하여 앞서 표현된 식 (7)에 적용하면 최종식인 온도계수식을 정의할 수 있게 된다. 결론적으로, 온도 변화에 따른 온도계수의 경향은 Fig. 9와 같이 나타나게 되며 그림과 같이, 온도계수가 일정한 상수값이 아닌 변수 값임을 확인할 수 있게 된다.
온도 변환에 사용되는 중요 인자인 열광학계수와 열팽창계수는 일반적으로 일정한 상수 값이 사용된다. 그러나 온도 실험을 통해 이러한 계수가 온도에 따라 변화하는 함수임을 확인 할 수 있었다. 또한 기초 실험을 바탕으로 온도 계수 함수를 새롭게 제안하였다.
본 연구에서는 단순히 보상을 통한 온도측정이 아니라 온도변화와 FBG 센서의 파장변화에 직접적으로 관련된 새로운 온도계수의 함수를 도출하여 FBG 센서를 이용한 온도 측정에 적용할 수 있는 알고리즘을 제시 하였다. 또한 실험을 통해 제안된 방법으로 온도를 정확히 측정할 수 있음을 확인하였다.
최종적으로 이 온도계수를 이용하여 계산된 FBG센서의 온도와 열전쌍 온도 데이터와의 오차를 확인하였고 오차의 범위가 10^-12~ 10^-11임을 확인할 수 있었다. 참고로 Fig.
또한 기초 실험을 바탕으로 온도 계수 함수를 새롭게 제안하였다. 최종적으로 제안된 함수를 온도 측정에 적용한 결과, RT에서 100℃의 범위에서 FBG 센서를 이용한 정밀한 온도 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FBG 센서를 이용한 온도측정 기법은 무엇을 이용하는가?	FBG 센서를 이용한 온도측정 기법은 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변화를 일반화 시킨 함수 또는 상수를 이용하며 이에 대한 다양한 연구와 적용이 보고되었다. 그러나 많은 사례에서 온도 오차가 발생하고 이에 따라 실험적 결과를 이용한 보상을 통해 온도 측정을 수행하고 있다.
	광섬유 센서의 장점은?	광섬유 센서(Fiber Optic Sensor, FOS)는 크기가 매우 작고 사용 온도범위가 넓으며 장거리 신호전달에 용이하다는 여러 장점을 가지고 있어 다양한 센서 개발 및 적용 연구가 활발히 진행되고 있다.(8~11) 특히 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 센서는 서로 다른 브래그 반사파장들이 서로 영향을 받지 않아 파장분할기법을 이용하여 하나의 광섬유 선에 여러 개의 브래그 격자 센서를 배열할 수 있으므로 하나의 광섬유에서 여러 지점의 외부 변화를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
	플랜트 설비의 온도 측정에 전기 기반 센서를 사용할 때의 문제점은?	플랜트 설비의 온도 측정에는 다양한 센서와 계측 시스템이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 대부분의 센서가 전기 기반으로 작동하고 있어 고전압을 사용하는 구성요소로 인한 전자기 노이즈의 문제가 있으며, 고온 환경에서 적용성 및 장시간 사용 시 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 또한 대형 플랜트에서 광범위한 지점의 온도 측정에 한계가 있다. 이러한 문제점으로 인해 일부 발전설비 열교환기의 경우 센서를 이용한 직접 측정이 아닌 국부적으로 부착된 금속 전도체를 이용하여 외부에서 추정하는 방법도 적용되고 잇다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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