Faser-Bragg-Gitter-Messprinzip - FBG-Prinzip - FBG-Sensorprinzip - FBG-Temperatur-, Dehnungs-, Spannungs-, Vibrations- und Formmessprinzip
Dieser Artikel erklärt das Prinzip der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren basierend auf dem grundlegenden Konzept der 'Reflexion und Interferenz von Lichtwellen', einschließlich der Prinzipien der Temperaturmessung, Spannungsmessung und Dehnungsmessung unter Verwendung von FBGs. Anschließend wird das Arbeitsprinzip von FBG-Sensoren vorgestellt und ein schematisches Diagramm des FBG-Sensorprinzips.
bereitgestellt. Der Artikel erörtert weiter das genaue Temperaturmessprinzip von FBG-Temperatursensoren und führt das Prinzip der Verwendung genauer FBG-Thermometer zur Kompensation der Temperatur von FBG-Spannungssensorenein. Dieses Kompensationsprinzip gilt auch für FBG-Dehnungssensoren, FBG-Formsensorenund andere FBG-Sensoren.
Schließlich erklärt der Artikel die Unterschiede zwischen der Faser-Bragg-Gitter-Messtechnologie und der verteilten Fasersensortechnologie hinsichtlich der Prinzipien.
Inhaltsverzeichnis:
Ⅳ. Video zum Faser-Bragg-Gitter-Sensorprinzip, Video zum Faser-Bragg-Gitter-Prinzip.
Ⅶ. Warum ist eine Temperaturkompensation für Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren notwendig? Das Prinzip der Temperaturkompensation (FBG-Dehnungsmessstreifen) für genaue Messungen.
Der Artikel bietet umfassende Erklärungen der Prinzipien. Es wird empfohlen, sich für ein besseres Verständnis auf die interessierenden Abschnitte zu konzentrieren.
Ⅰ. Prinzip der Reflexion und Interferenz von Lichtwellen - Analogie zwischen Reflexion und Überlagerung von Schallwellen und Reflexion und Überlagerung von Lichtwellen.
1. Warum ist es notwendig, das Prinzip der Reflexion und Interferenz von Lichtwellen zu verstehen, bevor man die grundlegenden Prinzipien von Faser-Bragg-Gittern (FBG) und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren) versteht?
Bevor man sich mit den grundlegenden Prinzipien von Faser-Bragg-Gittern (FBG) und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren)befasst, ist es wesentlich, die Konzepte der Reflexion und Interferenz von Lichtwellen zu verstehen.
Dies liegt daran, dass der wichtigste Teil eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors (FBG-Sensors) in der genauen Erfassung bestimmter spezifischer Wellenlängen reflektierter Wellen liegt. Durch die Analyse der Wellenlängenänderungen in den reflektierten Wellen kann der Sensor die Variationen der überwachten physikalischen Größe wie Spannung, Dehnung oder Temperatur messen.
Da Lichtwellen hohe Frequenzen und kurze Wellenlängen haben, sind sie in unserem täglichen Leben nicht leicht direkt zu beobachten. Zum besseren Verständnis verwende ich Schallwellen als Analogie zu Lichtwellen – beide sind Wellen, auch wenn die eine hörbar und die andere nicht ist.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection und interference, apply the same characteristics to light waves.
Im täglichen Leben haben Sie vielleicht folgende Situation erlebt: Wenn Sie in Richtung zweier Wände oder zweier Berge rufen, hören Sie zwei oder mehr Echos (Reflexion von Schallwellen); wenn Sie Ihre Position anpassen und weiter rufen, hören Sie, wie sich die Echos an bestimmten Positionen (unter bestimmten Bedingungen) zu einem einzigen Echo vereinen, und während Sie sich bewegen, kann die Intensität der Echos variieren.
Das laute Echo ist das Ergebnis positiver Interferenz (Interferenz von Schallwellen) aus mehreren Reflexionen, während das leisere Echo durch negative Interferenz (Interferenz von Schallwellen) aus mehreren Reflexionen verursacht wird.
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Bild 1 |
Ähnlich zeigen Lichtwellen wie Schallwellen diese Eigenschaften in kleinerem Maßstab. Wenn bestimmte Bedingungen (Bragg-Bedingungen) erfüllt sind, erfahren Lichtwellen, die durch ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) mehrere Reflexionen, was zu positiver Interferenz (Interferenz) der reflektierten Wellen führt.
3. Further reading:
Eines der grundlegenden Prinzipien von Faser-Bragg-Gittern (FBG) und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren): Reflexion und Interferenz von Wellen.
Grundlegende Prinzipien von Faser-Bragg-Gittern (FBG) und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren) Ⅰ: Reflexion und Interferenz von Wellen.
Ⅱ. Was sind Faser-Bragg-Gitter? Was können Faser-Bragg-Gitter tun? Das Prinzip der Faser-Bragg-Gitter (FBG-Faser-Bragg-Gitter-Prinzip).
Ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) ist eine Art optisches Fasergitter mit einer gleichmäßigen und konsistenten Gitterperiode (Faserperiodizität). Der Abstand zwischen den Reflexionspunkten des FBG ist immer gleich. FBGs können durch verschiedene Methoden hergestellt werden, wie z. B. Belichtung mit ultraviolettem Licht unter Verwendung einer Maske, chemisches Ätzen oder femtosekunden Laser-Punkt-für-Punkt-Schreibenusw. Sie können Einpunkt-FBGs oder FBG-Strings/Arrays (FBG-Arrays) sein.
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Bild 2 |
Durch den Anschluss eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors an einen FBG-Demodulatorkann die Wellenlänge der unabhängigen reflektierten Wellen gemessen werden. Wenn das Faser-Bragg-Gitter (FBG) Änderungen der Spannung oder Temperatur erfährt, ändert sich die Gitterperiode (Gitterperiodizität), was zu Variationen der Wellenlänge der reflektierten Wellen führt. Es werden unterschiedliche Wellenlängen reflektiert, was die Messung der Änderung von Bragg-Wellenlänge.
Die Änderung der Bragg-Wellenlänge (ΔλB) eines Faser-Bragg-Gitters (FBG) hängt sowohl von der Dehnung (Δε) als auch von der Temperaturänderung (ΔT) ab, und die Formel lautet: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Prinzip des Faser-Bragg-Gitters (FBG) zur Temperaturerfassung – FBG-Temperatursensor-Prinzip (FBG-Thermometer) – Längenänderung durch Wärmeausdehnung und -kontraktion
In der Umgebung, in der sich das Faser-Bragg-Gitter (FBG) befindet, führen Temperaturänderungen zu regelmäßigen Veränderungen der Gitterperiode Λ (Faserperiodizität) des FBG. Einfach ausgedrückt handelt es sich um Wärmeausdehnung und -kontraktion.
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Durch die Verwendung eines Faser-Bragg-Gitter-Demodulators, wird die reflektierte Wellenlänge λB des FBG gemessen. Da die reflektierte Wellenlänge λB und die Gitterperiode Λ des Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Beziehung haben (λB = 2neffΛ, wobei neff der Brechungsindex der Faser ist), kann die Temperatur des Faser-Bragg-Gitter durch Kenntnis der reflektierten Wellenlänge bestimmt werden. Dies ist das Prinzip der Temperaturerfassung mit FBGs.
2. Principle of Faser-Bragg-Gitter (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Ähnlich wie Temperaturänderungen führen auch Kraftänderungen zu regelmäßigen Veränderungen der Gitterperiode Λ (Faserperiodizität) des Faser-Bragg-Gitter (FBG). Einfach ausgedrückt handelt es sich um Dehnen oder Stauchen.
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Durch die Verwendung eines Faser-Bragg-Gitter-Demodulators, kann die reflektierte Wellenlänge λB des FBG gemessen werden. Da die reflektierte Wellenlänge λB und die Gitterperiode Λ des Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Beziehung haben (λB = 2neffΛ, wobei neff der Brechungsindex der Faser ist), kann die auf das Faser-Bragg-Gitter (FBG) ausgeübte Kraft durch Kenntnis der reflektierten Wellenlänge bestimmt werden. So können FBGs zur Messung von Spannung verwendet werden.
3. Prinzip des Faser-Bragg-Gitters (FBG) zur Dehnungserfassung – FBG-Dehnungssensor (FBG-Dehnungsmessstreifen) – Längenänderung an sich
Ob es sich um die Veränderung des Faser-Bragg-Gitters durch Temperatur oder Kraft handelt, die letztendliche Manifestation ist die Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters (Dehnung). In der Formel λB = 2neffΛ, stellt Λ die Gitterperiode (Faserperiodizität) des Faser-Bragg-Gitters selbst dar, also die Länge des Faser-Bragg-Gitters in kleinem Maßstab. Daher können Faser-Bragg-Gitter zur Messung von Dehnungen verwendet werden.
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4. Weiterführende Lektüre:
Ⅲ. Was ist ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor? Warum müssen Faser-Bragg-Gitter gekapselt werden? Das Funktionsprinzip von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren.
Obwohl Faser-Bragg-Gitter (FBG) zur Messung von Temperatur, Spannung und Dehnung verwendet werden kann, muss es aufgrund seiner inhärenten Zerbrechlichkeit in einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) eingekapselt werden, bevor es verwendet werden kann.
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DCYS kombiniert auf kreative Weise nahtlose Edelstahlrohre mit Faser-Bragg-Gitter (FBG) zur Herstellung der patentierten OFSCN®-Kapillarserie nahtlose Stahlrohr-Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, einschließlich nahtlose Stahlrohr-Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer), nahtlose Stahlrohr-Faser-Bragg-Gitter-Spannungssensoren (FBG-Kraftmesszellen, FBG-Drucksensoren) und nahtlose Stahlrohr-Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren (FBG-Dehnungsmessstreifen).
Der Schutz durch das nahtlose Edelstahlrohr erhöht die Festigkeit des Faser-Bragg-Gitters und der Faser erheblich und erweitert den Einsatzbereich und die Anwendungen für verschiedene Faser-Bragg-Gitter-Sensoren.
Das Funktionsprinzip der OFSCN®-Kapillar-Serie nahtloser Stahlrohr-Faser-Bragg-Gitter-Sensoren ähnelt dem Prinzip von FBG.
1. Prinzipschaubild des Faser-Bragg-Gitters (FBG) und des Faser-Bragg-Gitter-Sensors (FBG-Sensor)
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2. Formel des Faser-Bragg-Gitter-Prinzips (FBG) und des Faser-Bragg-Gitter-Sensor-Prinzips (FBG-Sensor)
In Bild 3 stellt der mittlere Teil einen Faser-Bragg-Gitter (FBG) oder ein gekapseltes nahtloses Stahlrohr der OFSCN®-Kapillarserie Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) dar. Breitbandiges einfallendes Licht tritt von einem Ende des Sensors in die Faser ein. Wenn es auf das Faser-Bragg-Gitter (FBG) trifft, passiert der Großteil des Lichts mit verschiedenen Wellenlängen das FBG als transmittiertes Licht, während ein kleiner Teil mit speziellen Wellenlängen zurückreflektiert wird (beachten Sie, dass diese spezielle Wellenlänge, dargestellt durch λB, der Parameter ist, den wir messen möchten).
Es besteht eine direkte Beziehung zwischen λB und der Gitterperiode Λ, dargestellt durch den mathematischen Ausdruck: λB = 2neffΛ, wobei λ die reflektierte Wellenlänge, neff der effektive Brechungsindex des Faserkerns und Λ die Gitterperiode ist.
Als nächstes gelangt das reflektierte Licht in den Faser-Bragg-Gitter-Demodulator (im Bild nicht beschriftet) und wird in das Wellenlängensignal λB demoduliert. Da der Sensor mit dem Messgerät verbunden ist, können wir zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Test-Wellenlängensignale λB erhalten.
Durch den vorherigen mathematischen Ausdruck können wir verstehen, warum sich das Wellenlängensignal λ im nächsten Moment ändert (Änderung dargestellt durch ΔλB)? Der grundlegende Grund ist, dass sich die Gitterperiode Λ des Faser-Bragg-Gitters geändert hat (Änderung dargestellt durch ΔΛ).
3. Prinzipien, wie Faser-Bragg-Gitter (FBG) und Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) Temperatur, Dehnung und Spannung messen
Jetzt können wir die komplexen mathematischen Symbole verlassen und zurück zur realen Umgebung wechseln. Was kann die Gitterperiode Λ (Gitterperiodizität) des FBG verändern?
Sie denken vielleicht sofort an zwei Möglichkeiten:
① Kraft: Wenn Sie Zug auf das Faser-Bragg-Gitter (FBG) ausüben, verlängert es sich; wenn Sie Druck ausüben, zieht es sich zusammen.
② Temperatur: Wenn das Faser-Bragg-Gitter (FBG) erhitzt wird, dehnt es sich aus; wenn es abkühlt, zieht es sich zusammen.
In diesem Prozess haben kluge Köpfe das genau messbare Wellenlängensignal mit drei grundlegenden physikalischen Parametern verbunden: Kraft (Zug, Druck), Länge (Verlängerung, Verkürzung), und Temperatur (Erwärmung, Abkühlung). Daher Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren) können direkt Spannung, Dehnung und Temperatur messen.
Spezifische Produkte entsprechen OFSCN® nahtlosen Kapillarstahlrohren Faser-Bragg-Gitter-Spannungssensoren, OFSCN® kapillares nahtloses Stahlrohr Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensorenund OFSCN® kapillares nahtloses Stahlrohr Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren.
4. Weiterführende Lektüre:
Grundprinzipien von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren Teil 2 – Faser-Bragg-Gitter-Erfassungsprinzipien
Ⅳ. Video zum Prinzip des Faser-Bragg-Gitter-Sensors, Video zum Faser-Bragg-Gitter-Prinzip:
Ⅴ. Sind Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren genau in der Temperaturmessung? Das Prinzip der genauen Temperaturmessung durch Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer).
1. Analyse des Prinzips der genauen Temperaturmessung für den Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer)
Da sowohl Temperatur als auch Kraft Änderungen der Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters verursachen können, muss der Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer) so ausgelegt sein, dass nur Temperaturänderungen den gekapselten Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer) beeinflussen und der Einfluss von Zug- und Druckänderungen minimiert wird.
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Nahtloses Stahlrohr der OFSCN®-Kapillarserie von DCYS Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer) verwendet eine patentierte Kapselungstechnologie, die sicherstellt, dass das Faser-Bragg-Gitter (FBG) während der Temperaturmessungen in einem freien Zustand bleibt, nicht durch äußere Kräfte beeinflusst wird, und so genaue Temperaturmessungen ermöglicht.
2. Further reading:
Prinzip der genauen Temperaturmessung für Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer)
3. Analyse des Prinzips der ungenauen Temperaturmessung für herkömmliche Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer)
Der Hauptgrund für die ungenaue Temperaturmessung herkömmlicher Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer) besteht darin, dass es schwierig ist, die Auswirkungen von Kräften bei der Temperaturmessung abzuschirmen. Dies liegt an der verwendeten Kapselungsmethode.
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Bei herkömmlichen Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometern) ist es aufgrund der Verwendung verschiedener Materialien und Klebstoffe schwierig, den FBG vor dem Einfluss von Kräften zu schützen.
4. Weiterführende Lektüre:
Nachteile und Kraftanalyse herkömmlicher Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer) – Gründe für ungenaue Temperaturmessungen
Nachteile und Kraftanalyse herkömmlicher Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG-Thermometer) – Gründe für ungenaue Temperaturmessungen
Ⅵ. Warum ist eine Temperaturkompensation für Spannungssensoren mit Faser-Bragg-Gitter erforderlich? Das Prinzip der Temperaturkompensation (FBG-Wägezelle, FBG-Drucksensor) für genaue Messungen.
Faser-Bragg-Gitter (FBG) reagieren empfindlich auf Kraft und Temperatur. Unabhängig davon, ob das Faser-Bragg-Gitter einer Kraft ausgesetzt ist oder sich die Umgebungstemperatur ändert, spiegelt sich dies in Änderungen in der Umgebung wider Gitterperiode, was dem Auftreten einer Belastung in der entspricht Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
1. Prinzip der Temperaturkompensation für Spannungssensoren mit Faser-Bragg-Gitter
Dies bedeutet, dass, wenn Sie a verwenden möchten Faser-Bragg-Gitter-Stresssensor Um genaue Messungen zu erhalten, müssen Sie berücksichtigen, ob sich die Umgebungstemperatur geändert hat. Sie müssen den Einfluss der Temperatur auf die reflektierte Wellenlänge aus der Formel ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) eliminieren. Mit anderen Worten: Sie müssen ΔT = 0 einhalten (eine konstante Umgebungstemperatur aufrechterhalten) oder den Wert von ΔT kennen (das Ausmaß der Änderung der Umgebungstemperatur kennen). Dieser Vorgang wird aufgerufen Temperaturkompensation für Faser-Bragg-Gitter-Stresssensoren.
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Da wir bereits eine haben Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer) hergestellt von DCYS, das die Temperatur genau messen kann. Wir können diesen präzisen Temperaturmess-Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor (FBG-Thermometer) und das platzieren Faser-Bragg-Gitter-Stresssensor (FBG-Wägezelle, FBG-Drucksensor) in derselben Umgebung, um den genauen Wert von ΔT zu bestimmen.
Folglich können wir die Formel ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) verwenden, um den Einfluss von Temperaturänderungen zu eliminieren, sodass der Faser-Bragg-Gitter-Stresssensor (FBG-Lastzelle, FBG-Drucksensor) Spannung und Druck genau messen kann.
2. Further reading:
Prinzip und Schema der Temperaturkompensation für Spannungssensoren mit Faser-Bragg-Gitter
Ⅶ. Warum ist eine Temperaturkompensation für Dehnungssensoren mit Faser-Bragg-Gitter erforderlich? Das Prinzip der Temperaturkompensation (FBG-Dehnmessstreifen) für genaue Messungen.
Das Prinzip der Temperaturkompensation für FBG-Stresssensoren gilt auch für andere Arten von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, wie FBG-Formsensoren, FBG-Gassensoren, FBG-Neigungssensoren, FBG-Drucksensoren usw.
Ⅷ. Unterschiede und Zusammenhänge zwischen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, verteilten Fasersensoren und die grundlegenden Unterschiede zur verteilten Fasersensortechnologie.
Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie und optische Fasersensortechnologie sind umfassende Konzepte, ebenso wie „Faser-Bragg-Gitter-Sensoren und optische Fasersensoren umfassende Konzepte sind.“
Die Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie ist eine Art optische Faser-Sensortechnologie, und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind eine Art optische Fasersensoren. Die Grundprinzipien der Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie wurden in diesem Text besprochen und werden hier nicht wiederholt.
1. Prinzip und Diagramm der verteilten faseroptischen Sensortechnologie
Verteilte optische Fasersensoren und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren gehören zur gleichen Kategorie der optischen Fasersensoren. Im Gegensatz zu Faser-Bragg-Gitter-Sensoren basiert die herkömmliche Sensortechnologie für verteilte optische Fasern jedoch auf verschiedenen Streuintensitäts-, Frequenz- und Phaseninformationen innerhalb der Faser und verwendet die Faser als Sensoreinheit.
Die gemessenen physikalischen Größen hängen nicht nur von der Faser ab, sondern hängen auch stärker von Modulations-Demodulationsgeräten und Algorithmen ab. Bei den gemessenen physikalischen Größen handelt es sich häufig um Durchschnittswerte physikalischer Größen an bestimmten Positionen entlang der Faser (z. B. die durchschnittliche Temperatur über alle 1 Meter auf einer 10 Kilometer langen Faser). Das Sensorprinzip lässt sich aus dem folgenden Diagramm verstehen:
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In ähnlicher Weise tritt breitbandiges Licht, das vom optischen Fasersensorgerät emittiert wird, von links nach rechts in die Faser ein, und aufgrund der in der Faser inhärenten Verunreinigungen wird das Licht während der Ausbreitung gestreut.
Man kann sich vorstellen, dass die Lichtteilchen mit den Verunreinigungen in der Faser kollidieren, was dazu führt, dass die Teilchen in verschiedene Richtungen und mit unterschiedlichen Frequenzen gestreut werden. Diese Streulichtsignale werden zusammenfassend als Streulichtsignale bezeichnet und es gibt drei Arten: Rayleigh-Streuung, Raman-Streuung, und Brillouin-Streuung, basierend auf unterschiedlichen Frequenzeigenschaften.
Diese Streulichtsignale hängen typischerweise mit der Position, der Temperatur, der Spannung, der Dehnung, der Vibration und anderen physikalischen Größen der Umgebung zusammen, in der sich die Faser befindet. Daher wurden verschiedene Geräte entwickelt, um diese physikalischen Größen zu messen, indem Änderungen in den Streulichtsignalen innerhalb der Faser gemessen werden.
2. Weiterführende Literatur:
3. Video zum prinzipiellen Unterschied zwischen der Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie und der verteilten optischen Fasersensortechnologie: