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실험응력해석 주제 발표

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. 연구 배경. 열 하중을 받는 구조물. 열변형에 의한 치수 안정성 문제. 반복적인 열 하중에 의한 강도 및 강성 저하. 광섬유 센서. 전자기파의 영향을 받지 않음. 구조물 내부에 삽입 가능. 사용 온도 범위가 넓음. 연구 목적.

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실험응력해석 주제 발표

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 연구 배경 열 하중을 받는 구조물 열변형에 의한 치수 안정성 문제 반복적인 열 하중에 의한 강도 및 강성 저하 광섬유 센서 전자기파의 영향을 받지 않음 구조물 내부에 삽입 가능 사용 온도 범위가 넓음

  3. 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 • FBG센서와 FBG온도 센서를 이용한 온도에 따른 열변형 측정 • 두 센서로 측정한 열변형률 비교

  4. 연구 범위 열변형률 측정 : EFPI 센서 EFPI 센서 고온용 에폭시 온도 측정 : 열전대 시스템 (K-type) 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

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

  6. Type Range Composition Characteristics • 1°C부근의 기전력이 큼, 불활성가스 대기용 • 산화분위기에 강함, 환원분위기에 약함 • 저 산소, 희박대기 및 고온의 진공에서 사용불가 Chromel Constanan -200 ~ 800°C E • 진공 중, 산화 대기중, 희박한 대기에 적합 • 환원분위기에 강함, 수소, 일산화탄소에 강함 • 산화분위기, 수증기에 약함, 0°C이하에서도 저항력 강함 Iron Constanan -200 ~ 1,100°C J Chromel Alumel • 고온까지 사용가능, 산성에서도 사용가능 • 비교적 내열성이 양호, 일산화탄소나 아황산가스에 약함 • 고온의 진공 중 불가, 환원분위기에 약함 -200 ~ 1,370°C K • 산화분위기와 부식에 강함 • 수소, 탄소, 유황, 인에 약함 • 금속성 증기에 오염됨 Pt. Rhosium Platinum 0 ~ 1,760°C R,S • 재료의 균질도가 양호, 방사선에는 사용불가 • 약한 산화성, 환원분위기에도 안정 • 희박한 산소 중, 활성가스, 진공 중에 적합 -200 ~ 400°C Copper Constanan T 열전대의 종류 및 특징

  7. Table 2.1 Specifications of strain gauge for high temperature. Temperature Compensation Gauge factor (23°C, 50%RH) Gauge length 5 mm 2.14 ± 1 % 11  10-6/°C Table 2.2 General characteristics of NP-50(strain gage adhesive). Base : Polyester resin Hardening agent : Organic peroxide Components 2 hours at 25°C Hardening time 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 스트레인 게이지의 사양

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

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

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

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

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

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

  14. 280 280 6 Temp. FBG EFPI Thermocouple 12.5 12.5 25 25 FBG [Top] [Top] 10 50 50 12.5 12.5 ESG ESG [Bottom] [Bottom] Temp. FBG Thermocouple EFPI FBG 6 6 ESG ESG [Unit : mm] [Unit : mm] Aluminum 열변형 실험 - 시편 형상 <EFPI 센서> <FBG 센서>

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

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

  17. 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 <FBG 센서> <EFPI 센서>

  18. 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.

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