Enzyklopädie der Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie - FBG FAQ - FBG Sensor FAQ - FBG Demodulator FAQ - Analyse häufiger Anwendungsprobleme von FBG

Dieser Artikel stellt das Konzept des Faser-Bragg-Gitters (FBG) vor und erklärt, wie FBG funktioniert. Er erläutert das Prinzip des FBG anhand der Bragg-Bedingungsformel und stellt entsprechende physikalische Diagramme von FBG-Sensoren bereit.

It also highlights that many OFSCN® capillary seamless steel tube fiber bragg grating sensors, including FBG temperature sensors (thermometers), FBG strain sensors (strain gauges), and FBG stress sensors (tensile gauges), are made using FBGs. The article presents the packaging Prinzip der FBG-Sensoren as well.

1. Was ist ein Gitter?  

Eine optische Vorrichtung, die aus zahlreichen parallelen Schlitzen mit regelmäßigem Abstand besteht, wird als Gitter bezeichnet. Der häufigste Typ ist ein äquidistantes Gitter mit Schlitzen gleicher Breite und gleichen Abstands.

Abbildung 1

Diese Gitter werden oft auf Glasplatten, Metallblechen oder Kunststoffplatten hergestellt. Die Schlitze können undurchsichtig oder teilweise transparent sein, während die glatten Bereiche zwischen den Schlitzen typischerweise transparent sind.

Gut gestaltete Gitter können Tausende oder sogar Zehntausende von Schlitzen innerhalb einer Breite von 1 cm aufweisen. Da der Gitterabstand (Gitterperiode) nahe der Wellenlänge des Lichts liegt, kommt es zur Beugung oder Transmission von Lichtwellen.

Gitter, die die Beugung von transmittiertem Licht nutzen, werden Transmissionsgitter genannt, während Gitter, die die Beugung von reflektiertem Licht nutzen, wie solche mit parallelen Schlitzen auf einer metallbeschichteten Oberfläche, als Reflexionsgitter bezeichnet werden.

2. Was ist ein Lichtwellenleitergitter? Was ist ein Faser-Bragg-Gitter (FBG)?

Wenn der regelmäßige Abstand der vorgenannten parallelen Schlitze mittels lichtempfindlicher Materialien in den Kern einer optischen Faser eingeschrieben wird, entsteht ein Faser-Bragg-Gitter (FBG).

Ein optisches Faser-Gitter mit gleichmäßigem und konsistentem Gitterabstand (Gitterzyklus), auch als FBG bekannt, hat eine extrem schmale reflektierte Wellenlänge, und der Abstand zwischen den Reflexionspunkten ist immer derselbe. Das Gitter enthält zahlreiche Reflexionspunkte für bestimmte Wellenlängen.

FBG kann mit Methoden wie UV-Belichtung mit einer Maske, chemischem Ätzen oder Femtosekundenlaser-Punkt-für-Punkt-Schreiben hergestellt werden. Im Folgenden sind schematische und physikalische Diagramme von FBGs dargestellt:

Abbildung 2

Abbildung 3

Abbildung 4

3. Was ist eine Faser-Bragg-Gitter-Kette/Array?

A flexible characteristic of FBGs is the ability to achieve multi-point sensing. In theory, multiple FBGs with different wavelengths can be inscribed within a single sensor, allowing for distributed measurements of one or more physical parameters. The fiber with multiple inscribed FBGs is called a fiber Bragg grating string/array (FBGs) (corresponding to OFSCN® capillary seamless steel tube Distributed Fiber Bragg Grating Sensors).

Zum Beispiel zeigt Abbildung 5 eine Faser mit 9 FBGs unterschiedlicher Wellenlänge, die gleichzeitige Messungen an 9 verschiedenen Punkten ermöglichen.

Abbildung 5

Abbildung 6

Abbildung 7 (Die obere Abbildung zeigt die Wellenlängenverteilung eines FBG-Arrays mit 8 verschiedenen Wellenlängen auf einem optischen Spektrumanalysator.)

4. Faser-Bragg-Gitter-Prinzip

Wenn zwei Reflexionspunkte präzise gemäß der Bragg-Bedingung übereinstimmen, wird das optische Signal mit der entsprechenden Wellenlänge vom Gitter reflektiert, während andere Wellenlängen nicht signifikant reflektiert werden.

Abbildung 8

Durch den Anschluss eines FBG-Interrogators kann die Wellenlänge der unabhängig reflektierten Welle gemessen werden. Wenn ein FBG Spannungs- oder Temperaturänderungen ausgesetzt ist, ändern sich der Gitterabstand (Gitterperiode) und die Wellenlänge der reflektierten Welle. Diese Änderungen können durch Analyse der reflektierten Wellenlängen gemessen werden.

Die Wellenlängenänderung eines FBG hängt sowohl von den Dehnungs- als auch von den Temperaturänderungen ab und kann durch die Formel ausgedrückt werden: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.

(1). Temperaturmessprinzip von FBG - FBG Temperatursensor Prinzip (FBG Thermometer) - Längenänderung durch thermische Ausdehnung und Kontraktion

In der Umgebung, in der sich ein FBG befindet, verursachen Temperaturänderungen periodische Variationen im Gitterabstand (Λ) des FBG, die auf thermische Ausdehnung und Kontraktion zurückzuführen sind.

Mit einem FBG-Interrogator kann die reflektierte Wellenlänge (λB) des FBG gemessen werden. Da eine Beziehung zwischen der reflektierten Wellenlänge (λB) und dem Gitterabstand (Λ) besteht, ausgedrückt als λB = 2neffΛ, wobei neff der effektive Brechungsindex der Faser ist, kann die Temperatur des FBG durch Analyse der reflektierten Wellenlänge bestimmt werden. Dies ist das Messprinzip der Gittertemperatur.

(2) . Prinzip der Spannungsmessung von Faser-Bragg-Gittern (FBG) - FBG Spannungssensor (FBG Dehnungsmessstreifen, FBG Zugmesser, FBG Druckmesser, FBG Bewehrungsmesser) - Längenänderung selbst:

Ähnlich wie bei Temperaturänderungen können auch Kraftschwankungen Änderungen im Gitterabstand (Gitterperiode) des Faser-Bragg-Gitters (FBG) verursachen. Einfach ausgedrückt kann es das FBG entweder dehnen oder komprimieren.

Mit einem FBG-Interrogator kann die reflektierte Wellenlänge des FBG gemessen werden. Da eine Korrelation zwischen der reflektierten Wellenlänge λB und dem Gitterabstand Λ des FBG besteht, ausgedrückt durch die Formel λB = 2neffΛ, wobei neff der effektive Brechungsindex der Faser ist, kann die auf das FBG ausgeübte Zug- oder Druckkraft durch Analyse der reflektierten Wellenlänge bestimmt werden. Dies ist das Prinzip, das der Fähigkeit des FBG zugrunde liegt, Spannung zu messen.

(3). Prinzip der Dehnungsmessung von Faser-Bragg-Gittern (FBG) - FBG Dehnungssensor (FBG Dehnungsmessstreifen) - Längenänderung selbst:

Ob es sich um temperaturinduzierte Änderungen oder um Änderungen handelt, die durch aufgebrachte Kraft verursacht werden, die letztendliche Manifestation ist die Längenänderung (Dehnung) des FBG. In der Formel λB = 2neffΛ repräsentiert der Gitterabstand Λ die Länge des FBG in kleinem Maßstab. Daher kann FBG zur Messung von Dehnung verwendet werden.

5. Warum ist die Verpackung für Faser-Bragg-Gitter (FBG) wichtig?

The sensing units of OFSCN® capillary seamless steel tube fiber bragg grating sensors from DCYS, mostly consist of Fiber Bragg Gratings (FBGs) encapsulated in seamless steel tubes.

Der Hauptgrund für die Verwendung von nahtlosen Stahlrohrverpackungen für FBGs ist, dass FBGs sehr zerbrechlich sind und die Fasern, die die FBGs tragen, ebenfalls empfindlich sind. Ohne ordnungsgemäße Verpackung und Schutz sind die FBGs in praktischen Anwendungen fast unbrauchbar. Es ist notwendig, die FBGs zu schützen und robuste FBG-Sensoren für ihren Einsatz in verschiedenen anspruchsvollen Umgebungen herzustellen. Das ist genau das, worin wir gut sind.

Abbildung 9

Abbildung 10

 Our philosophy is: 'OFSCN®, make optical fiber stronger!'