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광섬유 센서 시스템은 광섬유 케이블이 원격 센서 또는 증폭기에 연결된 형태로 구성됩니다.
센서는 빛 에너지를 방출하고 수신하여 전기 신호로 변환합니다. 케이블은 공간이 너무 협소하거나 환경이 너무 열악한 곳에서 빛을 센서로 전달하고 다시 센서로 되돌려 보내는 기계적 구성 요소입니다.
광섬유 케이블은 플라스틱 또는 유리 코어와 이를 둘러싼 클래딩 재질 층으로 구성됩니다(그림 2 참조). 이 두 구성 요소의 밀도 차이로 인해 케이블은 전반사 원리에 따라 작동하며, 이에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠습니다.
유리 섬유
광섬유는 유리 또는 플라스틱으로 만들 수 있습니다. 유리 광섬유는 매우 가는 유리 가닥들이 다발로 구성되어 있으며, 각 가닥의 직경은 일반적으로 0.051mm(0.002인치)입니다. 일반적으로 유연한 스테인리스강 외피가 섬유 다발을 보호하기 위해 추가되지만, 일부 응용 분야에서는 폴리염화비닐(PVC) 재킷이 사용됩니다.
유리는 본질적으로 매우 뛰어난 내구성을 지니고 있어 고온이나 부식성 환경과 같은 극한 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 유리 섬유 다발은 표준 제품으로 최대 450°F(232°C)의 작동 온도를 견딜 수 있습니다. 작동 온도가 450°F(232°C)를 초과하는 애플리케이션의 경우, 최대 1200°F(654°C)의 작동 온도를 견딜 수 있는 특수 제작 케이블을 주문할 수 있습니다.
모서리 곡률이 적절한 유리 섬유는 무한 반복 굽힘을 견딜 수 있습니다. 따라서 유리 섬유는 급격한 굽힘, 늘림, 극심한 진동, 당김 및 기타 가혹한 조건에도 견딜 수 있을 것이라고 생각할 수 있습니다. 하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 유리 섬유는 쉽게 끊어지며, 다발 내에서 몇 가닥이 끊어지는 것은 일반적으로 눈에 띄지 않지만, 많은 가닥이 끊어지면 신호 강도가 비례적으로 감소합니다.
높은 광 결합 효율을 달성하기 위해 광섬유 제조업체는 감지면의 표면을 광학적으로 연마하여 각 광섬유 끝단이 완벽하게 평평하도록 합니다. 따라서 고객께서는 비표준 길이의 케이블을 직접 절단하기보다는 특별 주문하시는 것을 권장합니다.
플라스틱 섬유
플라스틱 광섬유 케이블은 일반적으로 직경 0.254~1.52mm의 단일 가닥으로 구성됩니다. 이 광섬유는 유연성이 뛰어나 반복적인 굴곡이 필요한 용도나 매우 협소한 공간에서 사용하기에 적합합니다. 일반적으로 고객이 원하는 길이로 자를 수 있도록 절단 장치가 함께 제공됩니다.
최근 몇 년 동안 오므론을 비롯한 여러 제조업체에서 다중 코어 고유연성 플라스틱 광섬유를 출시했습니다. 이 광섬유는 기존 플라스틱 광섬유와 달리 여러 개의 독립적인 코어를 가지고 있어 1mm 정도의 작은 굽힘 반경을 구현할 수 있으며, 따라서 전선과 유사한 유연성을 제공합니다. 또한 90°로 구부려도 광 투과율이 저하되지 않고, 심한 진동이나 인장력 없이도 기계의 윤곽에 쉽게 밀착됩니다. 다양한 업체에서 관절 운동이나 왕복 운동이 필요한 용도를 위해 코일 형태의 플라스틱 광섬유도 제공하고 있습니다.
센서가 강한 화학 물질, 용제 또는 고온에 노출될 경우 유리 섬유가 더 적합합니다. 하지만 플라스틱 섬유는 테프론, 나일론 또는 폴리프로필렌으로 피복하여 가혹한 환경에 대한 내성을 강화할 수 있습니다.
광섬유를 통과하는 빛 에너지의 감쇠 정도는 섬유 재질, 섬유 내 이동 거리, 빛의 파장이라는 세 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 유리 섬유는 모든 파장에서 비교적 일관된 성능을 보입니다. 하지만 플라스틱 섬유는 적외선 LED에서 나오는 빛을 흡수하는 경향이 있습니다. 빨간색과 같은 가시광선 LED는 플라스틱 광섬유에서 감쇠가 적기 때문에 더 널리 사용됩니다.
전반사 원리
광섬유를 통한 빛의 완전한 전송은 전반사 원리에 기반합니다. 전반사 원리란 두 매질 사이의 경계면에 부딪히는 모든 빛이 완전히 반사된다는 것을 의미합니다. 즉, 경계면을 통과하면서 빛 에너지가 손실되는 일은 절대 없습니다. 이 원리는 다음 두 가지 조건이 모두 충족될 때만 성립합니다.
특정 재료 조합의 경우 임계각은 입사각보다 작습니다(그림 3 참조). 이 경우 재료는 광섬유의 코어와 클래딩입니다.
빛은 밀도가 높은 매질을 통과하여 밀도가 낮은 매질로 접근합니다. 클래딩 재료는 코어 재료보다 밀도가 낮으므로 굴절률이 더 낮습니다.
이 두 가지 조건이 충족되는 한, 광섬유 케이블이 구부러져 있든 직선이든 (정의된 최소 굽힘 반경 내에서) 전반사 원리가 적용됩니다.
감지 모드 및 광섬유 어셈블리
광섬유 센서 시스템은 광전 감지 기술의 파생물이기 때문에 광전 감지 모드(산란 반사, 투과 빔, 역반사) 또한 광섬유에서 사용할 수 있습니다. 이러한 감지 모드를 지원하는 광섬유 어셈블리는 개별형과 분기형의 두 가지 유형이 있습니다.
그림 1에 나타낸 광섬유 투과 빔 모드는 두 개의 케이블이 필요합니다. 하나는 원격 센서의 송신기에 연결되어 빛 에너지를 감지 위치로 전달하는 데 사용됩니다. 다른 하나는 원격 센서의 수신기에 연결되어 감지 위치에서 원격 센서로 빛 에너지를 되돌려 보내는 데 사용됩니다. 일반적인 투과 빔 광전 감지 방식과 마찬가지로 송신기와 수신기 케이블은 서로 마주 보게 배치됩니다. 송신기에서 수신기 광섬유 케이블로 향하는 광선이 차단될 때 감지가 이루어집니다.
분기형 광섬유 어셈블리는 확산 반사 및 역반사 감지 모두에 사용됩니다. 개별 케이블과 달리 분기형 케이블은 송신 및 수신 케이블 어셈블리를 하나의 어셈블리로 결합합니다. 송신 및 수신 가닥은 케이블 길이를 따라 나란히 배치되며(그림 4 참조) 감지 지점에서 무작위로 혼합됩니다. 이는 소형 감지 팁이 필요한 응용 분야에 이상적인 구성입니다. 물체가 분기형 케이블의 감지 팁 앞에 있으면 송신 케이블에서 나온 빛이 물체에 반사되어 수신 케이블을 통해 원격 센서의 수신기로 되돌아가 감지가 이루어집니다.
광섬유의 장점
광섬유는 본질적으로 광섬유 센싱 시스템의 수동적인 기계적 구성 요소이기 때문에 움직이는 부품이나 전기 회로를 포함하지 않으며, 따라서 모든 형태의 전기적 간섭에 완전히 영향을 받지 않습니다. 이러한 특성 덕분에 광섬유는 센싱 시스템의 전자 장치(이 경우 연결되는 원격 센서)를 알려진 전기적 간섭원으로부터 격리하는 데 이상적인 방법입니다.
또한 스파크 발생 가능성이 없어 정유 공장, 곡물 저장고, 광산 작업, 제약 제조 및 화학 공정 등 가장 위험한 감지 환경에서도 안전하게 사용할 수 있습니다. 파손된 광섬유를 수리하는 작업자에게도 감전 위험이 없습니다.
최신 소식
산업 자동화 애플리케이션이 점점 더 복잡해지고 부동산 관련 문제가 더욱 중요해짐에 따라, 소형 패키지에 더욱 정교한 센싱 장치에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 오므론, 키엔스 아메리카(뉴저지주 우드클리프 레이크), 배너 엔지니어링(미네소타주 미니애폴리스), SUNX 센서(아이오와주 웨스트 데모인) 등은 이러한 요구에 부응하여 새로운 광섬유 센서 제품군을 출시하기 시작했습니다.
이제 이 회사들은 읽기 쉬운 디지털 LED가 장착된 광섬유 증폭기(원격 센서)를 제공합니다. 표시되는 수치와 백분율을 통해 사용자는 애플리케이션을 모니터링하고 정확하게 설정할 수 있습니다. 디지털 디스플레이는 미세한 정렬 불량이나 센서 성능 저하를 유발하는 케이블 끝 부분의 먼지 축적과 같은 사소한 문제까지 실시간으로 알려줍니다.
이러한 새로운 센서 중 일부는 배선이 훨씬 적게 필요합니다. 예를 들어, 16개의 센서가 연결되어 하나의 전원선을 공유하는 구성이 있습니다. 어떻게 가능할까요? 마스터 센서의 마스터 커넥터가 슬레이브 센서에 전원을 공급하여 각 슬레이브 센서에 일반적으로 필요한 전원선을 없애줍니다(사진 1 참조). 슬레이브 센서는 출력 배선만 필요합니다. 이러한 커넥터 설계 중 일부는 설치 및 유지 보수가 간소화되어 있습니다. 또한 일부 커넥터는 케이블 설치나 출력 배선을 건드리지 않고도 센서를 쉽게 분리할 수 있는 독특한 설계를 갖추고 있습니다.
새로운 듀얼 출력 광섬유 센서는 하나의 패키지에 두 개의 센서 성능을 제공합니다. 일부 모델은 두 개의 독립적인 디지털 출력을 제공하거나 아날로그 및 디지털 출력을 모두 제공합니다. 또한 일부 모델은 센서 설정의 무단 변경이나 조작을 방지하는 "잠금" 기능을 갖추고 있습니다. 이 기능을 통해 고객은 작업 현장 직원에게 업무 목표 달성에 지장을 주지 않으면서 일정 수준의 자율성을 부여할 수 있습니다.
대부분의 센서는 이제 12비트 또는 16비트 CPU와 12비트 A/D 변환기를 통합하여 더 높은 해상도와 더 빠른 응답 시간을 제공하며, 경우에 따라 20마이크로초(µs)에 달하는 빠른 응답 속도를 구현합니다. 최대 4개의 자동 학습 기능을 통해 센서 설정을 신속하게 완료할 수 있으며, 사용자는 애플리케이션에 가장 적합한 학습 방식을 선택할 수 있습니다.
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