열피로 가속노화시험을 통한 FBG 센서의 신뢰성 평가

초록

기존의 전기식 센서에 비해 부식이 없고 원거리 통신이 가능한 광섬유 센서는 여러 연구를 통해 구조 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)을 위한 센서로서의 가능성을 보여주었다. 여러 광섬유 센서 중, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 센서는 다중화(Multiplexing)가 쉽고 절대 측정이 가능해 가장 널리 활용되고 있다. 하지만, 온도가 변화하는 환경에 FBG 센서가 직접적으로 노출되어 장시간 운용될 경우 열 피로(Thermal Fatigue)에 의한 센서 강도 저하 및 신호안정성에 영향을 줄 수 있어 실 적용을 위한 신뢰성 평가가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 센서의 실제 적용을 모사한 직접 접착 방식과 양단 접착 방식을 동시에 실험하여 적용 형태에 따른 신호 측정을 통해 반복 열피로가 FBG 센서의 신호 특성에 미치는 영향과 기계적 강도 변화를 분석하였다. 환경시험은 -20℃~60℃의 온도조건에서 300사이클 동안 FBG 센서의 신호특성을 관찰하고 기계적 물성을 측정하였다. 시험 결과, 장기간 반복 열하중이 가해지는 환경에 노출된 FBG 센서의 경우 FBG 센서의 신호에 대한 안정화 과정이 필요함을 확인하였고, 양단 접착이 직접 접착보다 신호안정성이 더 높기 때문에 FBG 센서의 패키징시 양단 접착 방식이 더 효과적임을 확인하였다. 그리고, FBG 센서 기계적 강도의 경우 100사이클에서 초기강도 대비 약 8%의 강도저하가 발생하고 이후 300사이클까지 강도가 유지되며, FBG센서의 반사율이 증가(50%, 75%, 90%)할수록 선형적인 강도 저하(0, -6%, -12%)가 발생함을 확인하였다.