화이버 센서란?
화이버 센서는 수지나 석영 유리로 만든 가느다란 섬유 형태의 광섬유 내부를 광도파로 만들어 이를 이용하여 제조 현장에서 다양한 센싱을 하는 것을 말합니다.
광섬유 센서는 유연하고 가느다란 케이블과 작은 센서 헤드로 좁은 공간에서 감지하거나 작은 물체를 감지할 수 있고, 전자기적 영향을 받지 않아 다양한 환경에서의 감지에 적합하다는 특징이 있습니다. 광섬유 피막 커버의 재질에 따라 고온의 환경이나 기름이나 약품이 있는 현장에서도 사용할 수 있습니다.
화이버 센서의 사용 용도
화이버 센서의 주요 용도는 물체 감지입니다. 빛이 조사되는 감지 영역의 물체 유무, 통과, 이동 속도 등을 감지할 수 있습니다.
빛의 차광이나 반사로 감지하기 때문에 금속뿐만 아니라 목재나 수지와 같은 일반적인 고체의 유무와 색상뿐만 아니라 투명한 유리 등도 감지할 수 있어 비접촉식 일반 제품 감지부터 좁은 공간에서의 극소형 제품 감지 및 위치 결정 등 다양한 제조 현장에서 폭넓게 활용되고 있습니다.
또한, 고체뿐만 아니라 액체의 검출, 왜곡, 온도도 감지할 수 있으며, 도체에 흐르는 전류 값을 비접촉으로 측정하는 전류 센서도 실용화되어 있습니다.
화이버 센서의 구조
화이버 센서는 빛을 통과시키면서 조사하는 케이블 형태의 화이버 유닛부와 광원 및 광증폭 기능을 갖는 화이버 앰프부로 구성된 발광부와 이를 수신하는 수광부로 구성된다.
화이버 유닛의 중심이 되는 광섬유는 주로 석영유리나 플라스틱 등에 의해 가늘게 형성된 굴절률이 높은 중심부의 코어와 그 주위를 감싸는 굴절률이 낮은 클래드의 이중 구조로 형성되어 있으며, 이 광섬유 내에서 빛이 전 반사되는 현상을 이용하여 광도파로 사용됩니다.
광섬유 증폭기는 주로 투광소자와 수광소자 사이에 광증폭기와 검출회로를 갖춘 구조로, 가장 중요한 광증폭 매체에는 희토류 도핑된 광섬유가 사용되며, 여기광의 유도방출을 통해 입사광을 증폭시켜 검출합니다. 이러한 기능에 따라 감도 조정이나 임계값 설정 및 변경 기능을 갖춘 제품도 있습니다.
화이버 센서는 크게 화이버 유닛과 화이버 앰프가 분리된 타입과 내장된 타입으로 구분되며, 검출 방식도 투과형, 반사형, 회귀반사형, 제한반사형 등이 있으며, 센서 헤드의 다양한 형상에 따라 다양한 검출이 가능합니다.
화이버 센서의 원리
화이버 센서는 발광부에서 조사된 빛의 정보(파장, 광량)와 수광부에서 수신된 빛의 정보를 바탕으로 다양한 검출을 수행합니다.
1. 일반적인 물체 감지
발광부에서 수광부로의 빛이 차단됨으로써 물체의 유무를 감지하는 가장 기본적인 감지 원리입니다. 단시간의 차단으로 통과임을 감지하거나, 발광부 측에 수광 수단을 함께 구비하여 반사 시간을 측정하여 물체의 이동속도를 측정할 수도 있습니다.
유리와 같은 투명한 물체는 빛이 투과되어 검출이 어렵지만, 표면에서의 굴절률 변화(공기⇔유리)에 따른 광량 변화를 정밀하게 측정하여 검출할 수 있습니다.
2. 액체 감지
화이버 센서는 액체가 빛을 굴절시키는 특성을 이용하여 고체뿐만 아니라 액체 감지에도 사용되며, 튜브 장착형과 접액식이 실용화되어 있습니다.
튜브 장착형은 튜브의 벽면에서 빛을 투광합니다. 튜브 내에 액체가 없으면 빛은 직진하고, 액체가 있으면 굴절되어 수광측으로 빛이 입사합니다. 이를 통해 액체의 유무를 감지합니다. 이 타입은 투명한 액체는 감지할 수 있지만, 빛을 투과하지 않는 불투명한 액체는 감지할 수 없습니다.
접액식은 끝이 원뿔형인 수지 튜브 안에 투광기와 수광기가 평행하게 설치되어 있으며, 접액하지 않을 때는 원뿔부에서 빛이 굴절되어 수광측으로 되돌아오도록 되어 있습니다. 접액 시에는 굴절률이 변화하여 빛이 돌아오지 않습니다. 이를 통해 접액을 감지합니다.
이렇게 화이버 센서를 이용하여 액체의 존재, 액면 감지, 누수 감지를 합니다. 액체 감지에서는 수지 튜브의 재질은 테프론 계열이 많으며, 약액이나 고온의 물에도 사용할 수 있어 폭넓은 용도에 적용할 수 있습니다.
3. 색상 감지
물체의 색은 조사된 빛의 파장(색)에 대한 반사율과 굴절률에 따른 반사광의 파장 분포에 의해 결정됩니다. 이를 이용하여 화이버 센서로 색을 검출할 수 있습니다.
4. 온도, 왜곡 감지
광섬유는 직경 방향에 대해 코어부와 클래드부의 이중 구조를 가지고 있는데, 제조 공정에서 특수한 자외선을 조사하여 부분적으로 굴절률이 다른 영역을 축 방향에 대해 일정한 간격으로 생성할 수 있으며, 이를 FBG(Fiber Bragg Grating)라고 부릅니다. 이 때 광섬유의 이미지는 FBG를 양단으로 하는 원통을 직렬로 늘어놓은 형태가 됩니다.
FBG는 생성된 간격과 굴절률에 따라 특정 파장만 반사하기 때문에 온도 변화에 따라 광섬유가 늘어나거나 줄어들면 반사되는 빛의 파장과 반사광이 돌아오는 시간이 달라집니다. 이를 통해 온도 센서로 사용할 수 있습니다.
또한, 구조물에 설치하면 구조물의 변형에 따라 광섬유 길이가 변하기 때문에 변형 센서로도 활용할 수 있습니다. 대형 건축물이나 터널, 파이프라인 등뿐만 아니라 재생에너지 중 하나인 해상풍력발전과 같이 항상 외부의 힘이 가해지는 구조물에 적용된다. 추를 연결하면 추가 움직일 때 가해지는 가속력에 따라 광섬유의 길이가 변하기 때문에 가속도 센서로도 활용할 수 있습니다.
5. 전류값 검출
화이버 센서에 의한 전류값 검출은 패러데이 효과를 이용합니다. 도체에 전류가 흐르면 오른쪽 나사의 법칙에 따라 동심원 형태의 자기장이 발생합니다. 이 자기장을 따라 광섬유를 통과하는 빛의 편광면이 자기장의 세기에 따라 회전하는 현상이 패러데이 효과입니다. 이 편광면의 회전 각도를 측정하여 전류 값을 검출합니다.
화이버 센서에 대한 추가 정보
화이버 앰프에 대하여
화이버 센서는 일반적으로 LED 빛을 사용하며, 그 빛을 광섬유로 감지부까지 운반하여 렌즈 등을 사용하여 조사합니다. 이 센서에서 자주 발생하는 문제로는 LED 빛의 노화나 렌즈에 먼지가 부착되는 경우가 있습니다. 이러한 상태가 되면 조사광의 광량이 저하되어 오검출의 원인이 되어 설비 트러블로 이어지기 때문에 파이버 앰프가 사용됩니다.
화이버 앰프의 기능은 광량 저하를 자동으로 감지하여 자동으로 보정하는 기능을 가진 것으로, LED 빛의 노화 변화를 감지하고 이에 따라 출력을 높여 광량을 일정하게 유지합니다. 또한, 물체 감지를 광량 감소량이 아닌 감소율로 설정하는 것으로, 발광과 수광의 상대적인 광량 비율로 판단하여 자동 보정합니다.
이처럼 화이버 센서의 단점을 보완하는 제품 및 기능이 속속 개발되고 있으며, 이를 잘 활용하면 문제를 예방할 수 있습니다.