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실험응력해석 주제 발표
광섬유 센서를 이용한
구조물의 열변형 및 온도 측정
2000. 4. 18(화) 19:00-
강동훈
스마트 구조 및 복합재료 실험실
항공우주공학과
한 국 과 학 기 술 원
-1-
Smart Structures and
Composites Laboratory
연구 배경
열변형에 의한
열 하중을 받는 구조물
치수 안정성 문제
반복적인 열 하중에 의한
강도 및 강성 저하
전자기파의 영향을 받지 않음
광섬유 센서
구조물 내부에 삽입 가능
사용 온도 범위가 넓음
-2-
Smart Structures and
Composites Laboratory
연구 목적
• 광섬유 센서를 이용한 구조물의 열변형과 온도 측정
– 열전대(Thermocouple) 시스템 구성
– EFPI 센서와 열전대를 이용한 온도에 따른 열변형 측정
– FBG 센서의 온도 특성 실험, FBG 온도 센서 구성
– FBG 센서와 FBG 온도 센서를 이용한 온도에 따른 열변형 측정
– 두 센서로 측정한 열변형률 비교
-3-
Smart Structures and
Composites Laboratory
연구 범위
열변형률 측정 : EFPI 센서
EFPI 센서
온도 측정 : 열전대 시스템 (K-type)
비교 : 변형률 게이지
고온용 에폭시
고온용 게이지
열변형률 측정 : FBG 센서
FBG 센서
온도 측정 : FBG 온도센서
비교 : 변형률 게이지
실험 조건 : 상온 ~ 100°C , In thermal chamber
-4-
브리지 구성 : Half Bridge
Smart Structures and
Composites Laboratory
열전대(thermocouple)의 원리
• Seebeck Effect(Thomas Seebeck, 1821)
When two wires composed of dissimilar metals are joined at both ends
and one of the ends is heated, there is a continuous current which
flows in the thermoelectric circuit.
Metal A
Metal A
+
Metal A
eAB
Metal B
The Seebeck Effect
-5-
-
Metal B
eAB = Seebeck Voltage
Smart Structures and
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열전대의 종류 및 특징
Type
Characteristics
• 1°C부근의 기전력이 큼, 불활성가스 대기용
E
-200 ~
800°C
Chromel
Constanan
J
-200 ~
1,100°C
Iron
Constanan
• 진공 중, 산화 대기중, 희박한 대기에 적합
• 환원분위기에 강함, 수소, 일산화탄소에 강함
• 산화분위기, 수증기에 약함, 0°C이하에서도 저항력 강함
K
-200 ~
1,370°C
Chromel
Alumel
• 고온까지 사용가능, 산성에서도 사용가능
• 비교적 내열성이 양호, 일산화탄소나 아황산가스에 약함
• 고온의 진공 중 불가, 환원분위기에 약함
R,S
T
-6-
Range Composition
Pt. Rhosium
0~
Platinum
1,760°C
-200 ~
400°C
Copper
Constanan
• 산화분위기에 강함, 환원분위기에 약함
• 저 산소, 희박대기 및 고온의 진공에서 사용불가
• 산화분위기와 부식에 강함
• 수소, 탄소, 유황, 인에 약함
• 금속성 증기에 오염됨
• 재료의 균질도가 양호, 방사선에는 사용불가
• 약한 산화성, 환원분위기에도 안정
• 희박한 산소 중, 활성가스, 진공 중에 적합
Smart Structures and
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스트레인 게이지의 사양
Table 2.1 Specifications of strain gauge for high temperature.
Gauge length
5 mm
Gauge factor
(23°C, 50%RH)
Temperature
Compensation
2.14 ± 1 %
11  10-6/°C
Table 2.2 General characteristics of NP-50(strain gage adhesive).
Components
Hardening time
-7-
Base : Polyester resin
Hardening agent : Organic peroxide
2 hours at 25°C
Pot life
3 min or less at a room temperature
Mixing ratio(weight)
Base : Hardening agent = 100 : 2~4
Operating temperature
range after hardening
-30 to +300 °C
Smart Structures and
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열전대 시스템 (K-type)
Thermocouple
connector
BNC
connector
AD595
Power supply
Digital indicator
-8-
Smart Structures and
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열전대 시스템의 보정 실험
1.2
Clamped
Measured data
Linear fit
1.0
Standard
Thermometer
Digital
multimeter
0.8
Output (V)
Thermocouple
system
0.6
T(oC)=100V-7.5
0.4
0.2
Electric Heater
Thermocouple(K-Type)
0.0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
o
Temperature ( C)
After heating to 100°C
-9-
Cooling temperature, measure voltage vs. temperature
Smart Structures and
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변형률 게이지의 브리지(bridge) 구성
-한 개의 게이지 사용
E
-게이지 자체의 온도 효과 보정이 안됨
e0
-열변형률 측정에 부적합
<quarter bridge>
-두 개의 게이지 사용
R
E
R
e0
R
R
<half bridge>
-게이지의 온도 효과 보정을 위해 dummy 게이지 사용
Dummy
게이지
- 열팽창계수가 ‘0’에 가까운 물질
-Titanium silicate 사용
-   0.0310-6 /C
게이지 자체의 온도 효과를 보상함
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EFPI 센서 시스템 & FBG 센서 시스템
current
source
LED
LD
laser
diode
isolator
power
supply
coupler
detector
Coupler
OSA
radiator
photo
detector
isolator
Current source
data acquisition system
sensor
FC/APC
<EFPI 센서 시스템>
- 11 -
<FBG 센서 시스템>
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FBG 온도 센서 & 온도 특성 실험 장치
Thermal chamber
Epoxy adhesion
(for high temperature)
Grating
Temp. FBG
Thermocouple
sensor system
ThermocoupleFBG
22 coupler
Heat
Glass tube
Optical fiber
Epoxy adhesion
(for high temperature)
Current source
LED
Digital oscilloscope
OSA
Strain-free temperature sensor
<FBG 온도센서>
- 12 -
<FBG 온도 특성 실험 장치>
Smart Structures and
Composites Laboratory
1.6x10
-6
1.4x10
-6
1.2x10
-6
1.0x10
-6
8.0x10
-7
6.0x10
-7
4.0x10
-7
2.0x10
-7
0.8
FBG
At 25°C
At 100°C
0.75nm
Temp. FBG
0.75nm
0.0
1528
1532
1536
1540
W avelength (nm)
1544
1548
FBG
Temp. FBG
0.7
W avelength shift (nm)
Output (dBm)
FBG 센서의 온도 특성
0.6
0.5
0.4
  0.01 T
0.3
0.2
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
o
Temperature change ( C)
FBG 센서, FBG 온도 센서 모두 1°C에 0.01nm의 파장이동을 보임
- 13 -
Smart Structures and
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Aluminum 열변형 실험 - 시편 형상
280
280
EFPI Thermocouple
12.5
25
50
12.5
12.5
25
FBG
[Top]
10
6
Temp. FBG
[Top]
50
12.5
ESG
ESG
[Bottom]
EFPI
[Bottom]
Temp. FBG
FBG
Thermocouple
6
6
ESG
ESG
[Unit : mm]
<EFPI 센서>
- 14 -
[Unit : mm]
<FBG 센서>
Smart Structures and
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Aluminum 열변형 실험 - 실험 장치
Thermal chamber
Thermal chamber
Thermocouple
sensor system
Clamp
EFPI
Thermocouple
Titanium
silicate
Ref. ESG
Heat
Clamp
Temp. FBG
FBG
Titanium
silicate
Ref. ESG
Fiber optic
sensor system
- EFPI sensor
22 coupler
Heat
Strain gauge system
LED
Digital
oscilloscope
PC
Strain gauge system
OSA
Current source
GPIB
<EFPI 센서>
- 15 -
<FBG 센서>
Smart Structures and
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Aluminum 열변형 실험 - Raw signal
3.0
Output (V)
1.2
W avelength shift (nm)
Thermocouple
EFPI
ESG
1.6
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600
Time (sec)
<EFPI 센서>
- 16 -
Temp. FBG
FBG
ESG
2.5
1.6
1.4
2.0
1.2
1.0
1.5
0.8
1.0
0.6
0.4
0.5
0.2
0.0
0
1.8
Output (V)
2.0
0
2
4
6
8
10
12
14
0.0
# of measured data
<FBG 센서>
Smart Structures and
Composites Laboratory
Aluminum 열변형 실험 - 열변형률 비교
0.20
0.20
0.12
0.08
EFPI : 22.91/C
ESG : 22.42/C
CTE : 23/C
0.04
0.00
30
40
50
60
70
80
o
Temperature ( C)
<EFPI 센서>
- 17 -
Theory
FBG
ESG
0.16
90
100
Thermal strain (% )
Thermal strain (% )
0.16
0.18
Theory
EFPI
ESG
0.14
0.12
0.10
0.08
FBG : 22.80/C
ESG : 22.44/C
CTE : 23/C
0.06
0.04
0.02
0.00
20
30
40
50
60
70
80
90
100
o
Temperature ( C)
<FBG 센서>
Smart Structures and
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결론
1. FBG 센서는 100C의 온도 변화에 대해 브래그 파장이 1nm만큼 선형적으로 이동함을
실험을 통해 확인하였다.
2. FBG 온도 센서는 FBG 센서와 같은 선형적인 온도 영향(100C에1nm)을 받고 외란의
영향이 없기 때문에 삽입이나 부착이 가능한 온도 센서로서 사용할 수 있었다.
3. 알루미늄 시편을 통한 열변형 실험으로부터 광섬유 센서 신호의 정량적인 신뢰성을
가질 수 있었다.
4. 위의 사실로부터 FBG 센서와 FBG 온도 센서를 한 광섬유로 연결하여 구조물의
열변형률과 온도를 동시에 측정할 수 있는 시스템이 가능함을 확인할 수 있었다.
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