A sensor design suitable for simultaneous measurement of strain and temperature has been tested on an adaptive composite material. The sensor is formed by two FBGs, which are written in optical fibers with different dopants and then spliced close to each other. A sensing element results with two Bragg gratings having peak wavelengths around 1550 nm of similar strain sensitivity but different response to temperature. This is due to the dependence of the fiber thermo-optic coefficient on the core dopants and dopants concentration. Adaptive composite materials were then produced. The host was unidirectional Kevlar-epoxy prepreg material, in which several 150μm diameter NiTiCu shape memory alloy (SMA) wires were embedded, together with one FBG-based sensor in the center. Strain and temperature during curing were obtained by the FBGs peak wavelength shifts. Finally, activation tests were performed on the finished composites by placing them in an oven up to 100℃, and monitoring the strain and temperature. The experimental strain-temperature curve compared well with an elastic force balance analysis, taking into account the hysteretic behavior of the wire.
Also, several factors influencing the mechanical strength of fiber Bragg grating (FBG) sensors during their fabrication were examined and FBG sensors were made under the controlled UV laser condition. A chemical stripping technique to remove the acrylate coating of the fiber and $H_2$ loading treatment showed negligible impact to the mechanical strength of fiber optic sensor. UV laser beam width exposed on the fiber was controlled up to 60μm so as to reduce damaged areas induced from laser exposure. Also the pulse fluence and the total dose of a pulsed KrF excimer laser were varied in order to investigate their influence on the mechanical strength. Finally FBG sensors with different reflectivity were fabricated with only slight strength degradation such that they could be used in a structure with 2.54% measurement range of strain.
FBG 센서는 온도와 변형률의 영향에 따른 브래그 파장의 변화가 독립적이지 않아서 온도와 변형률이 동시에 변화하는 경우에는 사용이 어렵다. 본 논문에서는 기존에 제시된 방법들을 객관적인 평가 기준들 (멀티플렉싱, 시스템의 단순성, 삽입의 용이성)을 마련하여 평가하였고, 실제 구조물에 삽입하여 응용될 수 있는 온도와 변형률을 동시에 측정하는 FBG 센서에 대하여 연구하였다. 온도에 따른 FBG 센서의 브래그 파장의 변화가 광섬유에 첨가된 불순물에 영향을 받으므로, 다양한 종류의 불순물 ($GeO_2$, $B_2O_3$, $Er, Sn$) 이 첨가된 광섬유를 사용하여 FBG센서를 제작하였고, FBG 센서의 온도와 변형률 민감도를 각각 측정하였다. $GeO_2$ 가 첨가된 광섬유는 이 불순물의 함유율이 높을수록 온도 민감도가 증가하였고, $B_2O_3$ 가 첨가된 광섬유는 오히려 온도 민감도가 감소하였다. 그러나, 변형률에 대한 민감도 차이는 발생하지 않았다. 온도 민감도의 차이가 가장 큰 2개의 광섬유를 접합하여 전체 길이 15mm의 온도와 변형률 동시 감지 FBG 센서를 제작하였다.
제작된 FBG 센서를 NiTiCu 형상 기억 합금이 삽입된 일방향 Kevlar-epoxy 복합재 평판에 같이 삽입하여, 복합재 성형 중에 복합재 내부의 온도와 변형률을 실시간으로 모니터링 하였고, 성형 후 오븐 실험을 통해서 형상 기억 합금의 activation test 중 내부 변형률을 모니터링 할 수 있었다.
또한 제작된 FBG 센서의 강도를 향상시키기 위하여, 제작 과정 중 센서의 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있는 요소(수소처리, 재킷 탈피, 엑시머 레이저 조건, 게이지 길이 등)들을 평가하였다. 화학적 피복 탈피법과 수소처리법은 광섬유의 기계적 강도에 거의 영향을 미치지 않았다. 특별히 이 논문에서는 광섬유 조사되는 엑시머 레이저의 폭을60μm로 줄여서, 레이저에 의한 노출로부터 야기되는 결함 부위를 줄일 수 있었다. 또한, 조사되는 UV 레이저의 세기를 조절하여 센서를 제작하면서, 기계적 강도에 미치는 영향을 파악하였다. 마지막으로 위의 모든 영향을 고려하여 90%의 반사율을 갖는 FBG 센서를 제작하였고, 평균 2.54%의 변형률을 측정할 수 있었다.
