KR20140089434A

KR20140089434A - 곡면용 fbg 변형률 센서

Info

Publication number: KR20140089434A
Application number: KR1020147015858A
Authority: KR
Inventors: 요혠 마울; 토비아스 킵; 베른트 귄터
Original assignee: 호팅거 발트빈 메스테흐닉 게엠베하
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-07-14
Also published as: KR102007058B1; DK2780664T3; JP6388990B2; WO2013071914A1; ES2651674T3; JP2018021927A; EP2780664A1; CN104185772B; US20140311250A1; JP2014533366A; JP6258860B2; EP2780664B1; US10132700B2; PT2780664T; CN104185772A

Abstract

본 발명은 곡면 상에서 변형을 측정하기 위한 FBG 변형률 센서에 관한 것이며, 섬유(4)는 2개의 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 고정되고, 이들 고정 부재의 하부면들은 접착면들로서 형성되고, 광섬유(4) 및 고정 부재들(5a, 5b)은 연질 실리콘 고무 또는 필적할만한 기계적 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어진 보호 복합물(6) 내에 매립되고, 섬유(4)는 테프론 또는 테프론에 필적할만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플라스틱으로 이루어진 상부의 얇은 활주 필름(7)과 하부의 얇은 활주 필름(8) 또는 활주 관(9) 사이에 매립되며, 하부의 활주 필름(7)의 하부면 또는 활주 관(9)의 하부의 외부 표면 라인은 고정 부재들(5a, 5b)의 접착면들을 포함한 평면에 위치한다.

Description

곡면용 FBG 변형률 센서{FBG STRAIN SENSOR FOR CURVED SURFACES}

본 발명은 섬유 브래그 격자를 구비한 광섬유를 포함하는 변형률 센서에 관한 것이며, 상기 변형률 센서는 하기에서 FBG 변형률 센서로 명명된다. 본 발명은 곡면 상에서도 변형을 정밀 측정하기에 적합하다.

시험할 재료 표면 상에 고정되는 변형률 감응 센서는 이른바 금속 필름 변형률 게이지로서, 또는 FBG 섬유 센서로서 공지되었다. 금속 필름 변형률 게이지는 실질적으로 플라스틱 캐리어 필름으로 구성되고, 이 플라스틱 캐리어 필름 상에는 하나 이상의 얇은 곡류형 금속 필름 스트립이 전면에 걸쳐, 다시 말해 자신의 전체 표면으로 고정된다. 변형의 검출을 위해, 플라스틱 캐리어 필름은 시험할 재료 표면 상에 접착된다. 센서 캐리어로서 플라스틱 필름의 이용은, 상기 배치로만 변형률 게이지가 정의된 방식으로 적용될 수 있기 때문에 필요하다. 비교적 안정된 플라스틱 필름이 제외된 매우 얇은 금속 필름의 전기 절연식 적용은 실험실 조건의 외부에서는 실행할 수 없다.

상기 금속 필름 변형률 게이지와 유사하게, 중요 구성 요소로서 섬유 브래그 격자를 보유한 유리 섬유를 포함하는 FBG 센서가 개발되었으며, 이 센서는 하기에서 FBG로서 표현된다. 상기 유리 섬유는 마찬가지로 시험할 재료 표면 상에 고정되어야 한다. 이 경우, 마찬가지로 유리 섬유는 얇고 쉽게 파손될 수 있기 때문에 취급 중 문제가 발생한다. 그러므로 마찬가지로 FBG 센서가 거친 실제 조건들에 대해 덜 민감하도록 하기 위해 센서 캐리어가 개발되어야만 했다. 특허문서 JP 2003 279760 A 및 WO 2008/101657 A1에는 상기 유형의 센서들이 기술되어 있다. FBG를 구비한 민감한 섬유를 연질 플라스틱 복합물 내에 매립함으로써 센서는 취급이 수월해지고 그에 따라 실용성이 생겼다. 특허문서 WO 2008/101657 A1에 기술된 FBG 센서는 2점 힘 전달부를 포함하고, 그 결과로 전면에 걸쳐 적용되는 FBG 센서보다 훨씬 더 큰 측정 정밀도를 갖는다. 상기 센서 유형으로, 평면 표면 상의 변형이 정밀 측정될 수 있다. 그러나 금속 필름 변형률 게이지와 달리, 곡면 상에서 FBG 센서를 이용하여 측정할 때는 도 1a 내지 도 1g에 따라서 설명되는 문제들이 발생한다.

도 1a 내지 도 1c에는, 만곡된 재료 표면 상에 접착된 종래의 금속 필름 변형률 게이지가 도시되어 있으며, 도 1a에는, 변형률 게이지가 적용되어 있는, 만곡된 재료 표면의 사시도가 도시되어 있다. 도 1b에는, 도 1a의 측면도가 도시되어 있고, 도 1c에는 도 1b의 일부분의 확대도가 도시되어 있다.

도 1c에 양방향 화살표(A1)로 표시되는 것처럼, 재료가 힘 작용에 의해 변형되거나, 온도 작용에 의해 팽창된다면, 재료 상에 접착을 통해 전체 표면에 걸쳐 캐리어 필름을 고정하는 것을 바탕으로, 변형은 전체 표면에 걸쳐 캐리어 필름과 결합된 금속 필름 상으로 균일하게 전달되고, 따라서 금속 필름도 이러한 정도로 변형된다. 이런 점에 한해, 도 1c에 양방향 화살표(A2)로 표시되는 것처럼, 재료 변형은 거의 오류 없이 금속 필름 변형률 게이지로 전달된다.

그러나 2점 힘 전달부를 포함한 FBG 센서의 경우, 또 다른 유형의 변형 전달이 존재하며, 이는 하기에서 설명된다. 도 1d와 도 1e에는, 특허문서 WO 2008/101657 A1에 따르는, 재료 상에 고정된 FBG 센서가 종단면도와 횡단면도로 도시되어 있으며, 상기 FBG 센서는 다음과 같이 구성된다. FBG를 구비한 유리 섬유는 2개의 강성 고정 부재 사이에 파지되고 연질 플라스틱, 예컨대 실리콘 고무 내에 매립된다. 2개의 강성 고정 부재는 시험할 재료 표면 상에 접착된다. 연질 플라스틱은 바람직하게는 FBG를 구비한 유리 섬유 섹션을 간섭력, 다시 말해 측면 힘으로부터 보호하고, 적용시 FBG 센서의 취급성을 전체적으로 개선하기 위해 이용된다. 그러나 상기 구성을 갖는 FBG 센서가 곡면 상에서 변형 측정을 위해 이용된다면, 너무 큰 측정 오류를 야기하는 효과들이 발생한다. 이에 대한 원인은 하기에서 도 1f 및 도 1g에 따라서 설명된다.

도 1f에는, 특허문서 WO 2008/101657 A1에 따르는, 만곡된 재료 표면 상에 적용된 센서가 도시되어 있고, 도 1g에는 어떠한 방식으로 유리 섬유가 재료 표면의 변형을 따르는지가 도시되어 있다. 재료 표면의 변형은 모니터링할 재료 내 양방향 화살표에 의해 표시되어 있다. 재료 표면의 변형을 통해 두 고정 부재 사이의 이격 간격은 길이들(a + a)만큼 확대되며, 다시 말하면 섬유는 길이(2a)만큼 변형된다. 섬유는 2개의 고정 부재 내에만 고정되기 때문에, 섬유는 재료 표면의 방향으로 인장되며, 다시 말하면 플라스틱은 규정되지 않은 채 FBG 상으로 압착된다. 또한, 섬유의 상기 이동을 통해 재료 표면의 실제 변형은 왜곡되어 FBG 상으로 전달되며, 그럼으로써 재료 표면의 곡률 반경에 좌우되는 측정 오류가 발생하게 된다.

그러므로 JP 2003 279760 A에 따르는 센서를 이용할 뿐 아니라 WO 2008/101657 A1의 센서를 이용할 때에도, 곡면 상에서의 정확한 변형 측정은 불가능하다는 점이 확인되었다.

그러므로 본 발명의 과제는, 캐리어 몸체를 포함한 FBG 센서에 있어서, 곡면 상에서 측정할 때에도 높은 측정 정밀도를 나타내고 적합하게 취급될 수 있으면서 경제적으로 제조될 수 있는 상기 FBG 센서를 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 청구항 제1항 또는 제2항에 따르는 FBG 센서로 해결된다. 청구항 제1항에 따르면, FBG를 구비한 광섬유를 포함하는 FBG 센서는 2개의 고정 부재들 사이에 고정된다. 고정 부재들의 하부면들은, 시험할 재료 표면 상에 접착되는 접착면들로서 형성된다. 그 밖에도, 광섬유 및 고정 부재들은 연질 실리콘 고무 또는 필적할만한 기계적 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어진 보호 복합물 내에 매립된다. 섬유는, 테프론 또는 테프론에 필적할만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플라스틱으로 이루어진 상부의 얇은 활주 필름과 하부의 얇은 활주 필름 사이에 매립되며, 하부의 활주 필름의 하부면은 접착면들을 포함한 평면에 위치한다.

청구항 제2항에 따라서, FBG를 구비한 광섬유를 포함하는 FBG 센서는 2개의 고정 부재들 사이에 고정된다. 고정 부재들의 하부면들은 시험할 재료 표면 상에 접착되는 접착면들로서 형성된다. 그 밖에도, 광섬유 및 고정 부재들은 연질 실리콘 고무 또는 필적할만한 기계적 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어진 보호 복합물 내에 매립된다. 섬유는 테프론 또는 테프론에 필적할만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플라스틱으로 이루어진 얇은 활주 관으로 둘러싸이며, 활주 관의 외부의 하부 표면 라인은 접착면들을 포함한 평면에 위치한다.

청구항 제1항 또는 청구항 제2항에 따르는 구성을 갖는 FBG 센서는 곡면 상에서도, JP 2003 279760 A 또는 WO 2008/101657 A1에 따르는 센서 장치보다 훨씬 더 낮은 측정 오류를 나타낸다. 이는 하기에 설명되는 2가지 효과에 기인한다.

섬유가 변형되면, 섬유는 피험물 표면의 방향으로 이동될 수 없는데, 그 이유는 섬유가 이미 피험물 표면에 근접한 가장 깊숙한 라인 상에 놓이고 얇은 활주 필름을 통해서만 상기 라인으로부터 분리되기 때문이다. 상기 활주 층은 매우 낮은 마찰 계수를 보유하기 때문에, 스틱-슬립 효과들은 거의 발생하지 않는다. 그 밖에도, 보호 복합물의 영향을 통한 스틱-슬립 효과들도 발생하지 않는데, 그 이유는 상기 보호 복합물이 FBG와 접촉하는 것이 아니라, 상기 상부의 활주 필름을 통해 보호 복합물로부터 분리되어 있기 때문이다.

청구항 제1항에 따르는 본 발명의 개선예의 경우, 청구항 제3항에 따라서 활주 필름들의 가장자리들이 용접되거나 접착되며, 상부의 활주 필름은 보호 복합물과 접착된다.

청구항 제2항에 따르는 본 발명의 개선예의 경우, 청구항 제4항에 따라서, 활주 관은 보호 복합물과 접착된다.

필름들 상호 간의 용접 또는 접착과, 보호 복합물과 필름들 및 활주 관의 접착은, 필름들과 활주 관이 미세 이동을 통해 이동할 수 있는 점을 방지한다. 상기 변위를 통해, 보호 복합물의 내부에는 FBG의 측정 정밀도를 악화시키는 비틀림이 야기될 수 있다. 상기 미세 이동은 주기적으로 발생하는 기계적 힘의 경우뿐 아니라 온도 변동의 경우에서도 발생한다.

청구항 제5항에 따르는 본 발명의 개선예는, 적합하게 적용되는 매우 콤팩트한 단일의 구성 요소 내에서 서로 나란히 위치하는 복수의 FBG의 캐스케이드형 배치를 가능하게 한다. 다중 배치는 측정 기술에서 보통, FBG 센서의 고장 시 기능을 발휘하는 추가 측정 채널을 이용할 수 있도록 하기 위해 이용된다.

본 발명은 하기에서 개략적 도면과 결부되어 예시들에 따라서 더 상세하게 설명된다.

도 1a는 만곡된 재료 표면 상에 적용된 종래의 금속 필름 변형률 게이지를 도시한 개략도다.
도 1b는 도 1a를 도시한 측면도이다.
도 1c는 도 1b의 일부분을 도시한 확대도이다.
도 1d 및 도 1e는 FBG 센서를 각각 도시한 종단면도 및 횡단면도이다.
도 1f는 만곡된 재료 표면 상에 적용된 도 1d에 따르는 FBG 센서를 도시한 개략도이다.
도 1g는 재료 표면이 변형된 경우 도 1f에 따르는 FBG 센서를 도시한 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 따르는 FBG 센서를 도시한 종단면도이다.
도 2b는 본 발명에 따르는 FBG 센서의 제1 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 2c는 본 발명에 따르는 FBG 센서의 제2 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 2d는 본 발명에 따르는 FBG 센서의 제3 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 2e는 본 발명에 따르는 FBG 센서의 제4 실시예를 도시한 횡단면도이다.

도 1a에는 만곡된 재료 표면(2), 예컨대 튜브 또는 압력 탱크 상의 종래의 금속 필름 변형률 게이지(1)가 사시도로 도시되어 있다. 금속 필름 변형률 게이지(1)는 실질적으로 플라스틱 캐리어 필름(1a)으로 구성되고, 이 플라스틱 캐리어 필름 상에는 하나 이상의 얇은 곡류형 금속 필름 스트립(1b)이 전면에 걸쳐 고정된다. 변형의 검출을 위해 플라스틱 캐리어 필름(1a)은 재료 표면(2) 상에 접착된다.

도 1b에는, 도 1a의 측면도가 도시되어 있고, 도 1c에는, 도 1b의 일부분의 확대도가 도시되어 있다. 도 1c에서 변형 화살표(A1)로 도시된 것처럼 재료가 변형된다면, 상기 변형은 전면에 걸친 접착부를 바탕으로 균일하게 캐리어 필름(1a) 상으로 전달되며, 캐리어 필름(1a)과 금속 필름(1b)의 전면에 걸친 결합을 통해 금속 필름(1b)은 변형된다. 이런 점에 한해, 재료 표면(2)의 재료 변형은 거의 오류 없이 금속 필름 스트립(1b) 상으로 전달되며, 이는 동일한 크기의 변형률 화살표(A2)로 도시되어 있다. 거의 오류 없는 상기 변형 전달은 곡면에 대한 것과 똑같은 정도로 평면 표면에도 적용된다.

이와 달리, FBG 센서의 경우 변형은 전체 적용 표면에 걸쳐서 전달되지 않으며, 이는 하기에서 설명된다.

도 1d 및 도 1e에는, 특허문서 WO 2008/101657 A1에 따르는 FBG 센서(3)가 종단면도 및 횡단면도로 도시되어 있으며, 상기 FBG 센서는 다음과 같이 구성된다. FBG(4a)를 구비한 유리 섬유(4)는 2개의 강성 고정 부재(5a, 5b) 사이에서 파지되고, 연질 플라스틱(6), 예컨대 실리콘 고무 내에 매립된다. 2개의 강성 고정 부재(5a, 5b)는 시험할 재료 표면(2) 상에 접착되며, 상호 간에 결합된 페놀 수지 함침된 유리 섬유 시트들로 구성될 수 있다. 연질 실리콘 고무(6)는 FBG(4a)를 구비한 광섬유(4) 섹션을 간섭력, 다시 말해 예컨대 측면 힘으로부터 보호하고, 적용시 FBG 센서(3)의 취급성을 개선하기 위해 이용된다. 시험할 재료 상에 힘(F)이 작용하고 재료와 그에 따라 평면 재료 표면(2)이 길이들(a + a)만큼 변형된다면, 상기 변형은 금속 필름 변형률 게이지의 경우와 마찬가지로 거의 오류 없이 FBG 센서(3) 상으로 전달된다.

그러나 상기 구성을 보유한 FBG 센서(3)가 곡면 상에서 변형 측정을 위해 이용된다면, 더욱 큰 측정 오류를 야기하는 효과들이 발생하며, 이는 하기에서 도 1f 및 도 1g에 따라서 설명된다.

도 1f에는, 만곡된 재료 표면(2) 상에 적용된 FBG 센서(3)가 도시되어 있다. 광섬유(4)는 매우 얇고 그에 따라 적합하게 휘어질 수 있고 실리콘 고무(6)는 마찬가지로 재료 표면(2)의 곡률 반경 상에 적합하게 매칭되기 때문에, 상기 구성을 보유한 FBG 센서들(3)은 원칙상 강하게 만곡된 곡면에도 적합하게 적용된다.

도 1g에는, 상기 재료 표면(2)이 변형될 때의 상황이 도시되어 있으며, 이는 만곡된 재료 벽부 하부의 화살표들로 상징화되어 있다.

양방향 화살표로는 재료 표면의 변형이 도시되어 있다. 그러나 섬유(4)는 2개의 고정 부재(5a, 5b) 내에만 고정되어 있기 때문에, 섬유는 재료 표면 상으로 이동되어 실리콘 고무 내로 압착된다. 이런 이동은 작은 화살표들로 상징화되어 있다. 이 경우, FBG(4a) 상에 작용하는 횡력은 측정 결과를 왜곡한다. 또한, 상기 이동을 통해, 재료 표면의 실제 변형은 불완전하게만 FBG(4a) 상으로 전달되며, 그럼으로써 그 결과 재료 표면의 곡률 반경에 좌우되는 추가 측정 오류가 발생하게 된다. 그러므로 JP 2003 279760 A에 따르는 센서와 WO 2008/101657 A1에 따르는 센서 중 어느 것으로도 곡면 상에서 정확한 변형 측정은 불가능하다는 점이 확인되었다.

그러나 측정 오류에 대한 상기 두 원인은 도 2a 내지 도 2e에 따르는 본 발명에 따른 FBG 센서로 해결된다.

도 2a에는, 본 발명에 따른 FBG 센서(3)의 종단면도가 도시되어 있다. FBG 센서(3)의 기본적인 구성 및 기능은 도 2b의 횡단면도와 결부되어 기술된다.

광섬유(4)는 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 접착되고, 각각의 고정 부재는 자신의 하부면으로 재료 표면(2)과 접착된다. 그 밖에도, 광섬유(4)는 2개의 활주 필름들(7 및 8) 사이에 매립된다. 상기 두 필름은 예컨대 테프론으로 구성되고, 그 가장자리들이 상호 간에 용접되며, 섬유(4)를 위해 슬라이드 베어링을 형성한다. 이 경우, 0.15㎜로 얇은 활주 필름(7)은 직접적으로 재료 표면(2) 상에 안착되며, 다시 말하면 활주 필름(7)의 하부면이 고정 부재들(5a, 5b)의 접착면들과 동일한 평면에 위치한다. 활주 필름(7)은 자신의 특성 및 얇은 두께 때문에, 섬유(4)가 신장될 때 무시해도 좋을 정도로만 압축되기 때문에, 도 1g에서 기술한 측정 오류는 발생하지 않으며, 또는 무시해도 좋을 정도로 적다. 그 밖에도, 섬유(4)는 상부로부터 활주 필름으로 덮여 있기 때문에, 연질 플라스틱(6)의 영향에 의한 슬립-스틱 효과도 발생하지 않는다.

동일한 기능은 도 2c 및 도 2d에 따른 실시예들에도 포함된다. 도 2c에 따르는 실시예에는, 연질 플라스틱(6)이 활주 필름들(7, 8)의 가장자리들보다 더 돌출되고 그에 따라 모세관 작용을 통해 센서 하부로 침투할 수도 있고 동결 시에는 측정 오류들을 야기할 수도 있는 습기에 대한 매우 우수한 밀봉을 달성하는 점이 도시되어 있다. 도 2d에 따르는 실시예의 경우, 필름들(7, 8) 대신 가요성 관(9)이 이용된다. 이는, 가볍고 신뢰성 있게 제조되기 때문에 본 발명의 바람직한 실시예이다.

필름 및 관 재료로서는, 예컨대 테프론 또는 실리콘과 같이 가요성을 갖는 것으로 설명될 수 있고 매우 매끄러운 표면을 포함하는 모든 플라스틱이 고려된다.

도 2e에 따르는 실시예의 경우, 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 2개의 광섬유(4)가 접착되어 플라스틱(6) 내에 매립된다. 상기 유형의 다중 센서들은 예컨대 측정 사슬의 고장 확률을 감소시키기 위해 이용된다.

Claims

FBG(4a)를 구비한 광섬유(4)를 포함하는 FBG 센서에 있어서,
- 광섬유(4)는 2개의 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 고정되고, 고정 부재의 하부면들은 접착면들로서 형성되고, 광섬유(4) 및 고정 부재들(5a, 5b)은
- 연질 실리콘 고무 또는 필적할만한 기계적 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어진 보호 복합물(6) 내에 매립되고,
- 섬유(4)는 테프론 또는 테프론에 필적할만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플라스틱으로 이루어진 상부의 얇은 활주 필름(7)과 하부의 얇은 활주 필름(8) 사이에 매립되며,
- 하부의 활주 필름(7)의 하부면은 고정 부재들(5a, 5b)의 접착면들을 포함한 평면에 위치하는, FBG 센서.
FBG(4a)를 구비한 광섬유(4)를 포함하는 FBG 센서에 있어서,
- 광섬유(4)는 2개의 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 고정되고, 고정 부재의 하부면들은 접착면들로서 형성되고, 광섬유(4) 및 고정 부재들(5a, 5b)은
- 연질 실리콘 고무 또는 필적할만한 기계적 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어진 보호 복합물(6) 내에 매립되고,
- 섬유(4)는 테프론 또는 테프론에 필적할만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플라스틱으로 이루어진 얇은 활주 관(9)으로 둘러싸이며,
- 활주 관(9)의 하부의 외부 표면 라인은 고정 부재들(5a, 5b)의 접착면들을 포함한 평면에 위치하는, FBG 센서.
제1항에 있어서, 활주 필름들(7, 8)의 가장자리들이 용접되거나 접착되고, 상부의 활주 필름(8)은 보호 복합물(6)과 접착되는, FBG 센서.
제2항에 있어서, 활주 관(9)은 보호 복합물(6)과 접착되는, FBG 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 광섬유(4)는 고정 부재들(5a, 5b) 사이에 고정되는, FBG 센서.