실험응력해석 주제 발표 광섬유 센서를 이용한 구조물의 열변형 및 온도 측정 강 동 훈 스마트 구조 및 복합재료 실험실 2000. 4. 18(화) 19:00- 강 동 훈 스마트 구조 및 복합재료 실험실 항 공 우 주 공 학 과 한 국 과 학 기 술 원

연구 배경 열 하중을 받는 구조물 광섬유 센서 열변형에 의한 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

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

연구 범위 EFPI 센서 FBG 센서 열변형률 측정 : EFPI 센서 온도 측정 : 열전대 시스템 (K-type) 고온용 에폭시 비교 : 변형률 게이지 고온용 게이지 열변형률 측정 : FBG 센서 FBG 센서 온도 측정 : FBG 온도센서 비교 : 변형률 게이지 실험 조건 : 상온 ~ 100°C , In thermal chamber 브리지 구성 : Half Bridge

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. The Seebeck Effect Metal B Metal A e AB = Seebeck Voltage + - Metal B Metal A

열전대의 종류 및 특징 E J K R,S T Type Range Composition Characteristics Chromel Constanan Iron Alumel Pt. Rhosium Platinum Copper -200 ~ 800°C 1,100°C 1,370°C 0 ~ 1,760°C 400°C 1°C부근의 기전력이 큼, 불활성가스 대기용 산화분위기에 강함, 환원분위기에 약함 저 산소, 희박대기 및 고온의 진공에서 사용불가 진공 중, 산화 대기중, 희박한 대기에 적합 환원분위기에 강함, 수소, 일산화탄소에 강함 산화분위기, 수증기에 약함, 0°C이하에서도 저항력 강함 고온까지 사용가능, 산성에서도 사용가능 비교적 내열성이 양호, 일산화탄소나 아황산가스에 약함 고온의 진공 중 불가, 환원분위기에 약함 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

스트레인 게이지의 사양 Table 2.1 Specifications of strain gauge for high temperature. Gauge length Temperature Compensation Gauge factor (23°C, 50%RH) 5 mm 2.14 ± 1 % 11  10-6/°C Table 2.2 General characteristics of NP-50(strain gage adhesive). Components Hardening time 2 hours at 25°C 3 min or less at a room temperature Base : Hardening agent = 100 : 2~4 Base : Polyester resin Hardening agent : Organic peroxide Pot life Mixing ratio(weight) Operating temperature range after hardening -30 to +300 °C

열전대 시스템 (K-type) Thermocouple connector AD595 BNC connector Power supply Digital indicator

열전대 시스템의 보정 실험 T(oC)=100V-7.5 Measured data Linear fit Clamped Measured data Linear fit Thermocouple system Standard Thermometer T(oC)=100V-7.5 Digital multimeter Electric Heater Thermocouple(K-Type) After heating to 100°C Cooling temperature, measure voltage vs. temperature

변형률 게이지의 브리지(bridge) 구성 -한 개의 게이지 사용 -게이지 자체의 온도 효과 보정이 안됨 -열변형률 측정에 부적합 e0 E <quarter bridge> -두 개의 게이지 사용 -게이지의 온도 효과 보정을 위해 dummy 게이지 사용 e0 E R Dummy 게이지 - 열팽창계수가 ‘0’에 가까운 물질 -Titanium silicate 사용 -   0.0310-6 /C <half bridge> 게이지 자체의 온도 효과를 보상함

data acquisition system EFPI 센서 시스템 & FBG 센서 시스템 laser diode isolator coupler photo detector power supply current source data acquisition system sensor LD radiator FC/APC Current source OSA Coupler LED <EFPI 센서 시스템> <FBG 센서 시스템>

FBG 온도 센서 & 온도 특성 실험 장치 <FBG 온도센서> <FBG 온도 특성 실험 장치> Thermocouple sensor system FBG Thermal chamber LED OSA Temp. FBG Heat 22 coupler Digital oscilloscope Current source Epoxy adhesion (for high temperature) Grating Glass tube Epoxy adhesion (for high temperature) Optical fiber Strain-free temperature sensor <FBG 온도센서> <FBG 온도 특성 실험 장치>

FBG 센서의 온도 특성 FBG 센서, FBG 온도 센서 모두 1°C에 0.01nm의 파장이동을 보임 FBG Temp. FBG At 25°C At 100°C 0.75nm Temp. FBG FBG FBG Temp. FBG FBG 센서, FBG 온도 센서 모두 1°C에 0.01nm의 파장이동을 보임

Aluminum 열변형 실험 - 시편 형상 <EFPI 센서> <FBG 센서> 280 12.5 25 50 [Unit : mm] 6 10 ESG EFPI Thermocouple [Top] [Bottom] 280 12.5 25 50 [Unit : mm] 6 ESG FBG Temp. FBG [Top] [Bottom] <EFPI 센서> <FBG 센서>

Aluminum 열변형 실험 - 실험 장치 <FBG 센서> <EFPI 센서> PC GPIB Thermal chamber FBG Temp. FBG Thermal chamber LED OSA Heat 22 coupler Current source Strain gauge system Clamp Titanium silicate Ref. ESG Thermocouple sensor system Clamp EFPI Thermocouple Titanium silicate Fiber optic sensor system - EFPI sensor Ref. ESG Heat Strain gauge system PC Digital oscilloscope GPIB <EFPI 센서> <FBG 센서>

Aluminum 열변형 실험 - Raw signal Thermocouple EFPI ESG Temp. FBG FBG ESG <FBG 센서> <EFPI 센서>

Aluminum 열변형 실험 - 열변형률 비교 Theory EFPI ESG Theory FBG ESG EFPI : 22.91/C ESG : 22.42/C CTE : 23/C FBG : 22.80/C ESG : 22.44/C CTE : 23/C <EFPI 센서> <FBG 센서>

결 론 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.