실험응력해석 주제 발표

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Smart Structures and Composites Laboratory

실험응력해석 주제 발표

광섬유 센서를 이용한 구조물의 열변형 및 온도 측정

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

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연구 배경

열변형에 의한치수 안정성 문제

반복적인 열 하중에 의한강도 및 강성 저하

광섬유 센서

열 하중을 받는 구조물

전자기파의 영향을 받지 않음 구조물 내부에 삽입 가능

사용 온도 범위가 넓음

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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

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연구 범위

실험 조건 : 상온 ~ 100°C , In thermal chamber

EFPI 센서

FBG 센서

온도 측정 : 열전대 시스템 (K-type)

비교 : 변형률 게이지

열변형률 측정 : EFPI 센서

온도 측정 : FBG 온도센서

열변형률 측정 : FBG 센서

비교 : 변형률 게이지

브리지 구성 : Half Bridge

고온용 에폭시

고온용 게이지

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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 Metal A

eAB = Seebeck Voltage

+ -

eAB

Metal B

Metal A

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열전대의 종류 및 특징

Type Range Composition Characteristics

E

J

K

R,S

T

ChromelConstanan

IronConstanan

ChromelAlumel

Pt. RhosiumPlatinum

CopperConstanan

-200 ~800°C

-200 ~1,100°C

-200 ~1,370°C

0 ~1,760°C

-200 ~400°C

• 1°C 부근의 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°C 이하에서도 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

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스트레인 게이지의 사양

Table 2.1 Specifications of strain gauge for high temperature.

Gauge lengthTemperature

CompensationGauge 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 resinHardening agent : Organic peroxide

Pot life

Mixing ratio(weight)

Operating temperature range after hardening -30 to +300 °C

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열전대 시스템 (K-type)

Digital indicator

AD595

Power supplyBNCconnector

Thermocoupleconnector

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열전대 시스템의 보정 실험

Cooling temperature, measure voltage vs. temperatureAfter heating to 100°C

Thermocouple system

Digital multimeter

StandardThermometer

Thermocouple(K-Type)Electric Heater

Clamped

T(oC)=100V-7.5

Measured data Linear fit

20 30 40 50 60 70 80 90 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Ou

tpu

t (V

)Temperature (oC)

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변형률 게이지의 브리지 (bridge) 구성

e0E

e0E

R

R

R

R

<quarter bridge>

<half bridge>

- 한 개의 게이지 사용

- 게이지 자체의 온도 효과 보정이 안됨

- 열변형률 측정에 부적합

- 두 개의 게이지 사용- 게이지의 온도 효과 보정을 위해 dummy 게이지 사용

게이지 자체의 온도 효과를 보상함

- 열팽창계수가 ‘ 0’ 에 가까운 물질-Titanium silicate 사용- 0.0310-6 /C

Dummy게이지

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EFPI 센서 시스템 & FBG 센서 시스템

laserdiode

isolator

coupler

photodetector

power supply

currentsource

data acquisition system sensor

LD

detector

radiatorisolator

FC/APC

Current source

OSA

Coupler

LED

<EFPI 센서 시스템 > <FBG 센서 시스템 >

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FBG 온도 센서 & 온도 특성 실험 장치

Glass tubeOptical fiber

Grating

Epoxy adhesion(for high temperature)

Epoxy adhesion(for high temperature)

<FBG 온도센서 >

Thermocouplesensor system

FBGThermocouple

Thermal chamber

LED

OSA

Temp. FBG

Heat 22 coupler

Digital oscilloscopeCurrent source

<FBG 온도 특성 실험 장치 >

Strain-free temperature sensor

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FBG 센서의 온도 특성

0 10 20 30 40 50 60 700.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Wa

ve

len

gth

sh

ift

(nm

)

Temperature change (oC)

T 01.0

FBG 센서 , FBG 온도 센서 모두 1°C 에 0.01nm 의 파장이동을 보임

FBG

Temp. FBG

1528 1532 1536 1540 1544 15480.0

2.0x10 -7

4.0x10 -7

6.0x10 -7

8.0x10 -7

1.0x10 -6

1.2x10 -6

1.4x10 -6

1.6x10 -6

Ou

tpu

t (d

Bm

)

Wavelength (nm)

At 25°C

At 100°C

0.75nm

0.75nm

Temp. FBG

FBG

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Aluminum 열변형 실험 - 시편 형상

280

12.525

50

[Unit : mm]

6

12.5

10

ESG

EFPI Thermocouple

[Top]

[Bottom]

EFPI Thermocouple

ESG

280

12.525

50

[Unit : mm]

6

12.5

ESG

FBG

Temp. FBG

[Top]

[Bottom]

FBGTemp. FBG

ESG

6

<EFPI 센서 > <FBG 센서 >

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Aluminum 열변형 실험 - 실험 장치

FBG

Temp. FBG

Thermal chamber

LED

OSA

Heat22 coupler

Current source

Strain gauge system

Clamp

Titaniumsilicate

Ref. ESG


EFPI

Thermocouple

Heat

Thermal chamber

GPIB

PC

Fiber opticsensor system- EFPI sensor

Strain gauge system

Clamp

Digital oscilloscope

Titaniumsilicate

Ref. ESG

Thermocouplesensor system

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Aluminum 열변형 실험 - Raw signal


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Ou

tpu

t (V

)

Time (sec)

Thermocouple

EFPI

ESG

Temp. FBG

FBG

ESG

0 2 4 6 8 10 12 140.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Wa

ve

len

gth

sh

ift

(nm

)

# of measured data

Ou

tpu

t (V

)

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Aluminum 열변형 실험 - 열변형률 비교

20 30 40 50 60 70 80 90 1000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

Th

erm

al

str

ain

(%

)

Temperature (oC)

30 40 50 60 70 80 90 1000.00

0.04

0.08

0.12

0.16

0.20

Th

erm

al

str

ain

(%

)

Temperature (oC)


FBG : 22.80/CESG : 22.44/CCTE : 23/C

EFPI : 22.91/CESG : 22.42/CCTE : 23/C

Theory

EFPI

ESG

Theory

FBG

ESG

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결 론

1. FBG 센서는 100C 의 온도 변화에 대해 브래그 파장이 1nm 만큼 선형적으로

이동함을 실험을 통해 확인하였다 .

2. FBG 온도 센서는 FBG 센서와 같은 선형적인 온도 영향 (100C 에 1nm) 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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