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Grundlagen von Faser-Bragg-Gittern und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren - Teil 2: FBG-Sensorprinzipien
This article explains the basic principles of FBG based on actual optical waves. It helps readers understand the underlying mechanisms of FBG sensors, FBG strain sensors, und FBG temperature sensors. This article serves as a preliminary introduction to the OFSCN® capillary seamless steel tube FBG sensors produced by DCYS.
Im vorherigen Artikel, 'Grundlagen der Faser-Bragg-Gitter und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren - Teil 1: Reflexion und Interferenz von Wellen,' we used sound waves as an analogy to understand the principles of OFSCN® capillary seamless steel tube FBG sensors, specifically the reflection und interference (interference) of waves.
Heute, basierend auf dieser Grundlage, werden wir die grundlegenden Prinzipien der FBG-Sensoren (einschließlich der FBG-Prinzipien) vorstellen. Dieser Artikel ist auch ein populärwissenschaftlicher Artikel und kein Forschungsartikel. Sollte jemand Fehler in diesem Artikel finden, bitten wir darum, diese freundlichst mitzuteilen.
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1. Faser-Bragg-Gitter (FBG) im Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor)
Der FBG-Sensor ist ein Typ von Glasfasersensor. Der Sensorikprozess basiert auf der Modulation der Wellenlänge des FBG durch externe physikalische Parameter, um Sensorinformationen zu erhalten. Es ist ein Wellenlängenmodulations-Glasfasersensor.
Das obige Bild zeigt ein schematisches Diagramm eines Lichtwellenleiterkerns mit einem FBG (tatsächlicher Durchmesser 9 Mikrometer). Durch Methoden wie UV-Lichtexposition durch eine Fotomaske, Femtosekundenlaser-Punkt-für-Punkt-Inskription oder andere Verarbeitungstechniken werden zahlreiche schwache Reflexionsflächen (komplexere Gitter werden hier nicht behandelt) mit dem gleichen Abstand im Lichtwellenleiterkern gebildet. Diese schwachen Reflexionsflächen werden Lichtwellenleitergitter genannt, und der Abstand zwischen jeder schwachen Reflexionsfläche wird als Gitterteilung oder Gitterperiode bezeichnet (dargestellt durch das Symbol Λ – bitte merken Sie sich dieses Symbol, da es im folgenden Text verwendet wird).
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2. Sensorik-Prinzipien von FBG und FBG-Sensor
Grundlegende Sensorikmessungen können mit dem oben genannten FBG durchgeführt werden. Das Prinzip ist in Bild 3 dargestellt.
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3. Fomula of FBG und FBG Sensor Principle
The middle section of Bild 3 represents a FBG or an encapsulated OFSCN® capillary seamless steel tube FBG Sensor. Broadband incident light enters the FBG sensor from one end of the grating. When the light encounters the FBG, most wavelengths of light pass through the FBG as transmitted light, while a small portion of specific wavelengths of light are reflected back (please note these specific wavelengths, which are the object of our detection and are represented by λB). There is a direct relationship between λB and the grating pitch (grating period) Λ we mentioned earlier, expressed by the mathematical formula: λB = 2neffΛ, where λ represents the reflected wavelength, neff is the refractive index of the optical fiber core, and Λ is the grating pitch (grating period).
Das reflektierte Licht tritt dann in den FBG-Demodulator (nicht im Diagramm beschriftet) ein und wird in ein Wellenlängensignal λB demoduliert. Da der FBG-Sensor mit dem FBG-Sensorgerät verbunden ist, können wir in jedem Moment ein anderes Testwellenlängensignal λB erhalten. Aus dem vorherigen mathematischen Ausdruck können wir verstehen, warum sich das im nächsten Moment zurückgegebene Wellenlängensignal λ ändert (dargestellt durch ΔλB). Der grundlegende Grund ist, dass sich die Gitterteilung (Gitterperiode) Λ des faseroptischen Gitters geändert hat (dargestellt durch ΔΛ).
4. Prinzipien des FBG- und FBG-Sensors zur Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsmessung
Lassen Sie uns nun von komplexen mathematischen Symbolen absehen und uns reale Szenarien vorstellen. Was kann eine Änderung der Gitterteilung (Gitterperiode) Λ verursachen?
Sie haben vielleicht schon den ersten möglichen Grund erraten: Kraft. Wenn Sie Zug auf das FBG ausüben, dehnt es sich aus, und wenn Sie Kompression ausüben, zieht es sich zusammen.
Der zweite mögliche Grund ist die Temperatur. Das FBG dehnt sich beim Erhitzen aus, wodurch es sich verlängert, und zieht sich beim Abkühlen zusammen, wodurch es schrumpft.
During this process, clever individuals have associated the accurately detectable wavelength signals with three basic physical parameters: force (tension, compression), length (elongation, contraction), und temperature (heating, cooling). Therefore, the basic physical quantities that FBG Sensors can directly measure include stress, strain, und temperature (corresponding to OFSCN® capillary seamless steel tube FBG stress sensors, OFSCN® capillary seamless steel tube FBG strain sensors, und OFSCN® capillary seamless steel tube FBG temperature sensors, respectively).
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Bild 4 |
As an introductory article about the OFSCN® capillary seamless steel tube series FBG sensor, we have simplified the mathematical calculations und considered the wavelength changes caused by stress, strain, und temperature. The mathematical calculation process for wavelength changes is more complex than the simple equation 'λB = 2neffΛ' we presented earlier. This complexity arises because the refractive index neff of the fiber optic core is also a variable. The overall formula is as follows: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT, but we will not delve into it here.
An diesem Punkt haben Sie vielleicht ein gewisses Verständnis für die Funktionsweise von FBGs und FBG-Sensoren gewonnen. Welche weiteren Herausforderungen gibt es dann beim Übergang vom theoretischen FBG zu praktischen gekapselten FBG-Sensoren? Wie können diese Herausforderungen angegangen werden? Wir werden diese in den folgenden Abschnitten besprechen, bleiben Sie dran!
Our philosophy is: 'OFSCN®, make optical fiber stronger!'
Anhang 1:
Verwandte Videoeinführung:
DCYS is a professional fiber bragg grating sensor manufacturer, providing the principle of FBG, FBG sensor temperature measurement principle, stress measurement principle, strain principle, temperature compensation principle und seamless steel tube packaging principle; the brand of FBG sensor is 'OFSCN '.