Principio de Detección de Red de Bragg de Fibra - Principio FBG - Principio del Sensor FBG - Principio de Detección de Temperatura, Deformación, Estrés, Vibración y Forma FBG
Este artículo explica el principio de los sensores de Red de Bragg de Fibra (FBG) basado en el concepto fundamental de 'reflexión e interferencia de ondas de luz', incluyendo el principios de medición de temperatura, medición de estrés y medición de deformación utilizando FBG. Luego introduce el principio de funcionamiento de los sensores FBG y proporciona un diagrama esquemático del principio del sensor FBG.
El artículo discute además el principio de medición precisa de temperatura de los sensores de temperatura FBG e introduce el principio de usar termómetros FBG precisos para compensar la temperatura de sensores de estrés FBG. Este principio de compensación también es aplicable a sensores de deformación FBG, sensores de forma FBG, y otros sensores FBG.
Finalmente, el artículo explica las diferencias entre la tecnología de detección de Red de Bragg de Fibra y la tecnología de detección de fibra distribuida en términos de principios.
Tabla de Contenidos:
Ⅶ. ¿Por qué es necesaria la Compensación de Temperatura para los Sensores de Deformación de Red de Bragg de Fibra? El Principio de Compensación de Temperatura (Galgas Extensométricas FBG) para una Medición Precisa.
El artículo proporciona explicaciones completas de los principios. Se recomienda centrarse en las secciones de interés para una mejor comprensión.
Ⅰ. Principio de Reflexión e Interferencia de Ondas de Luz - Analogía entre la Reflexión y Superposición de Ondas Sonoras y la Reflexión y Superposición de Ondas de Luz.
1. ¿Por qué es necesario entender el principio de reflexión e interferencia de ondas de luz antes de comprender los principios básicos de la Red de Bragg de Fibra (FBG) y los sensores de Red de Bragg de Fibra (sensores FBG)?
Antes de profundizar en los principios básicos de la Red de Bragg de Fibra (FBG) y sensores de Red de Bragg de Fibra (sensores FBG), es esencial comprender los conceptos de reflexión e interferencia de ondas de luz.
Esto se debe a que la parte más crucial de un sensor de Red de Bragg de Fibra (sensor FBG) radica en detectar con precisión ciertas longitudes de onda específicas de las ondas reflejadas. Al analizar los cambios de longitud de onda en las ondas reflejadas, el sensor puede medir las variaciones de la cantidad física monitoreada, como el estrés, la deformación o la temperatura.
Dado que las ondas de luz tienen altas frecuencias y longitudes de onda cortas, no se observan fácilmente directamente en nuestra vida diaria. Para facilitar la comprensión, usaré ondas sonoras como analogía de las ondas de luz: ambas son ondas, aunque una es audible y la otra no.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection y interference, apply the same characteristics to light waves.
En la vida diaria, es posible que hayas experimentado la siguiente situación: cuando gritas frente a dos paredes o dos montañas, escuchas dos o más ecos (reflexión de ondas sonoras); si ajustas tu posición y continúas gritando, escucharás que los ecos se combinan en un solo eco en posiciones específicas (cumpliendo ciertas condiciones), y a medida que te mueves, los ecos pueden variar en intensidad.
El eco fuerte es el resultado de la interferencia positiva (interferencia de ondas sonoras) de múltiples reflexiones, mientras que el eco más suave es causado por la interferencia negativa (interferencia de ondas sonoras) de múltiples reflexiones.
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De manera similar, las ondas de luz, como las ondas sonoras, también exhiben estas propiedades a menor escala. Cuando se cumplen ciertas condiciones (condiciones de Bragg), las ondas de luz que pasan a través de una Red de Bragg de Fibra (FBG) experimentarán múltiples reflexiones, lo que lleva a una interferencia positiva (interferencia) de las ondas reflejadas.
3. Further reading:
Uno de los principios básicos de la Red de Bragg de Fibra (FBG) y los sensores de Red de Bragg de Fibra (sensores FBG): Reflexión e interferencia de ondas.
Principios básicos de la Red de Bragg de Fibra (FBG) y los sensores de Red de Bragg de Fibra (sensores FBG) Ⅰ: Reflexión e interferencia de ondas.
Ⅱ. ¿Qué son las Redes de Bragg de Fibra? ¿Qué pueden hacer las Redes de Bragg de Fibra? El Principio de las Redes de Bragg de Fibra (Principio FBG de Red de Bragg de Fibra).
La Red de Bragg de Fibra (FBG) es un tipo de rejilla de fibra óptica con un período de rejilla (periodicidad de fibra) uniforme y consistente. La distancia entre los puntos de reflexión de la FBG siempre es igual. Las FBG se pueden producir mediante varios métodos, como la exposición a luz ultravioleta usando una máscara, grabado químico, o escritura punto por punto con láser de femtosegundo, etc. Pueden ser FBG de punto único o cadenas/matrices FBG (matrices FBG).
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Imagen 2 |
Al conectar un sensor de Red de Bragg de Fibra a un demodulador FBG, se puede medir la longitud de onda de las ondas reflejadas independientes. Cuando la Red de Bragg de Fibra (FBG) experimenta cambios en el estrés o la temperatura, el período de rejilla (periodicidad de rejilla) cambiará, lo que provocará variaciones en la longitud de onda de las ondas reflejadas. Se reflejarán diferentes longitudes de onda, lo que permitirá medir el cambio en Longitud de onda de Bragg.
El cambio en la longitud de onda de Bragg (ΔλB) de una rejilla de Bragg en fibra (FBG) está relacionado tanto con la deformación (Δε) como con el cambio de temperatura (ΔT), y la fórmula es la siguiente: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Principio de la rejilla de Bragg en fibra (FBG) para la detección de temperatura—Principio del sensor de temperatura FBG (termómetro FBG)—Cambio de longitud debido a la expansión y contracción térmica
En el entorno donde la rejilla de Bragg en fibra (FBG) está ubicada, los cambios de temperatura causarán variaciones regulares en el período de rejilla Λ (periodicidad de la fibra) de la FBG. En términos simples, es expansión y contracción térmica.
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| Imagen 3 |
Mediante el uso de un demodulador de rejilla de Bragg en fibra, la longitud de onda reflejada λB de la FBG se puede medir. Dado que la longitud de onda reflejada λB y el período de rejilla Λ de la rejilla de Bragg en fibra tienen una relación correspondiente (λB = 2neffΛ, donde neff es el índice de refracción de la fibra), la temperatura de la rejilla de Bragg en fibra se puede determinar conociendo la longitud de onda reflejada. Este es el principio de detección de temperatura mediante FBG.
2. Principle of Red de Bragg de Fibra (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Similar a los cambios de temperatura, las variaciones en la fuerza también causarán cambios regulares en el período de rejilla Λ (periodicidad de la fibra) de la rejilla de Bragg en fibra (FBG). En términos simples, es estiramiento o compresión.
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| Imagen 4 |
Mediante el uso de un demodulador de rejilla de Bragg en fibra, la longitud de onda reflejada λB de la FBG se puede medir. Dado que la longitud de onda reflejada λB y el período de rejilla Λ de la rejilla de Bragg en fibra tienen una relación correspondiente (λB = 2neffΛ, donde neff es el índice de refracción de la fibra), la fuerza aplicada a la rejilla de Bragg en fibra (FBG) se puede determinar conociendo la longitud de onda reflejada. Así es como las FBG se pueden usar para medir la tensión.
3. Principio de la rejilla de Bragg en fibra (FBG) para la detección de deformación—Sensor de deformación FBG (extensómetro FBG)—Cambio de longitud en sí mismo
Ya sea la variación en la rejilla de Bragg en fibra debida a la temperatura o la fuerza, la manifestación final es el cambio en la longitud de la rejilla de Bragg en fibra (deformación). En la fórmula λB = 2neffΛ, Λ representa el período de rejilla (periodicidad de la fibra) de la propia rejilla de Bragg en fibra, que es la longitud de la rejilla de Bragg en fibra a pequeña escala. Por lo tanto, las rejillas de Bragg en fibra se pueden usar para medir la deformación.
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| Figura 5 |
4. Lectura adicional:
Ⅲ. ¿Qué es un sensor de rejilla de Bragg en fibra? ¿Por qué necesitamos encapsular las rejillas de Bragg en fibra? El principio de funcionamiento de los sensores de rejilla de Bragg en fibra.
Aunque rejilla de Bragg en fibra (FBG) se puede usar para medir temperatura, tensión y deformación, debe encapsularse en un sensor de rejilla de Bragg en fibra (sensor FBG) antes de poder usarse debido a su fragilidad inherente.
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| Imagen 6 |
DCYS combina creativamente tubos sin costura de acero inoxidable con Rejillas de Bragg en fibra (FBG) para producir la serie de capilares OFSCN® patentada sensores de rejilla de Bragg en fibra de tubo de acero sin costura, incluyendo sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra de tubo de acero sin costura (termómetros FBG), sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra de tubo de acero sin costura (celdas de carga FBG, sensores de presión FBG), y sensores de deformación de rejilla de Bragg en fibra de tubo de acero sin costura (extensómetros FBG).
La protección proporcionada por el tubo de acero inoxidable sin costura mejora significativamente la resistencia de la rejilla de Bragg en fibra y la fibra, ampliando el rango de entornos y aplicaciones para varios sensores de rejilla de Bragg en fibra.
El principio de funcionamiento de los sensores de rejilla de Bragg de fibra de tubo de acero sin costura de la serie capilar OFSCN® es similar al principio de FBG.
1. Diagrama de principio de la rejilla de Bragg en fibra (FBG) y el sensor de rejilla de Bragg en fibra (sensor FBG)
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2. Fórmula del principio de la rejilla de Bragg en fibra (FBG) y del principio del sensor de rejilla de Bragg en fibra (sensor FBG)
En la Imagen 3, la parte central representa un rejilla de Bragg en fibra (FBG) o un tubo de acero sin costura de serie capilar OFSCN® encapsulado sensor de rejilla de Bragg en fibra (sensor FBG). La luz incidente de banda ancha ingresa a la fibra desde un extremo del sensor, y cuando encuentra la rejilla de Bragg en fibra (FBG), la mayor parte de la luz con varias longitudes de onda pasa a través de la FBG como luz transmitida, mientras que una pequeña porción de longitudes de onda especiales de luz se refleja de vuelta (nota que esta longitud de onda especial, representada por λB, es el parámetro que queremos medir).
Existe una relación directa entre λB y el período de rejilla Λ, representada por la expresión matemática: λB = 2neffΛ, donde λ es la longitud de onda reflejada, neff es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra, y Λ es el período de rejilla.
A continuación, la luz reflejada ingresa al demodulador de rejilla de Bragg en fibra (no etiquetado en la imagen) y se demodula en la señal de longitud de onda λB. Dado que el sensor está conectado al equipo de medición, podemos obtener diferentes señales de longitud de onda de prueba λB en diferentes momentos.
A través de la expresión matemática anterior, podemos entender por qué la señal de longitud de onda λ cambia en el siguiente momento (cambio representado por ΔλB). La razón fundamental es que el período de rejilla Λ de la rejilla de Bragg en fibra ha cambiado (cambio representado por ΔΛ).
3. Principios de cómo la rejilla de Bragg en fibra (FBG) y el sensor de rejilla de Bragg en fibra (sensor FBG) miden temperatura, deformación y tensión
Ahora, podemos salir de los símbolos matemáticos complejos y volver al entorno del mundo real. ¿Qué puede causar que el período de rejilla Λ (periodicidad de la rejilla) de la FBG cambie?
Podrías pensar inmediatamente en dos posibilidades:
① Fuerza: Cuando aplicas tensión a la rejilla de Bragg en fibra (FBG), se alarga; cuando aplicas compresión, se contrae.
② Temperatura: Cuando la rejilla de Bragg en fibra (FBG) se calienta, se expande; cuando se enfría, se contrae.
En este proceso, personas inteligentes han conectado la señal de longitud de onda que se puede detectar con precisión con tres parámetros físicos fundamentales: fuerza (tensión, compresión), longitud (alargamiento, contracción), y temperatura (calentamiento, enfriamiento). Por lo tanto, sensores de rejilla de Bragg en fibra (sensores FBG) pueden medir directamente tensión, deformación y temperatura.
Los productos específicos corresponden al tubo capilar de acero sin costura OFSCN® Sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra, Tubo capilar de acero sin costura OFSCN® Sensores de deformación de rejilla de Bragg en fibray tubo capilar de acero sin costura OFSCN® Sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra.
4. Lectura adicional:
Principios básicos de los sensores de rejilla de Bragg en fibra Parte 2- Principios de detección de rejilla de Bragg en fibra
Ⅳ. Video del principio del sensor de rejilla de Bragg en fibra, Video del principio de la rejilla de Bragg en fibra:
Ⅴ. ¿Son precisos los sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra en la medición de temperatura? El principio de medición precisa de temperatura por sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra (termómetro FBG).
1. Análisis del principio de medición precisa de temperatura para el sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra (termómetro FBG)
Dado que tanto la temperatura como la fuerza pueden causar cambios en la longitud de onda de la rejilla de Bragg en fibra, para que el sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra (termómetro FBG) mida la temperatura con precisión, debe diseñarse de manera que solo las variaciones de temperatura afecten al sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra encapsulado (termómetro FBG), y se minimice la influencia de las variaciones de tensión y presión.
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| Imagen 8 | Imagen 9 |
Tubo de acero sin costura de la serie capilar OFSCN® de DCYS sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra (termómetro FBG) utiliza tecnología de encapsulado patentada, asegurando que la rejilla de Bragg en fibra (FBG) permanezca en un estado libre durante las mediciones de temperatura, sin ser influenciada por fuerzas externas, logrando así mediciones precisas de temperatura.
2. Further reading:
3. Análisis del principio de medición inexacta de temperatura para el sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra tradicional (termómetro FBG)
La razón principal de la medición inexacta de temperatura de los sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra tradicionales (termómetros FBG) es que es difícil proteger los efectos de las fuerzas mientras se mide la temperatura. Esto se debe al método de encapsulación utilizado.
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En los sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra tradicionales (termómetros FBG), el uso de diversos materiales y adhesivos dificulta proteger el FBG de la influencia de las fuerzas.
4. Lectura adicional:
Desventajas y análisis de fuerzas de los sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra tradicionales (termómetros FBG): razones de la medición inexacta de temperatura
Desventajas y análisis de fuerzas de los sensores de temperatura de rejilla de Bragg en fibra tradicionales (termómetros FBG): razones de la medición inexacta de temperatura
VI. ¿Por qué es necesaria la compensación de temperatura para los sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra? El principio de compensación de temperatura (celda de carga FBG, sensor de presión FBG) para una medición precisa.
La rejilla de Bragg en fibra (FBG) es sensible tanto a la fuerza como a la temperatura. Ya sea que la rejilla de Bragg en fibra esté bajo fuerza o que la temperatura ambiente cambie, esto se refleja como cambios en el período de rejilla, lo que corresponde a la aparición de deformación en el sensor de rejilla de Bragg en fibra.
1. Principio de compensación de temperatura para sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra
Esto significa que cuando desea utilizar un sensor de tensión de rejilla de Bragg en fibra para lograr mediciones precisas, debe considerar si la temperatura ambiente ha cambiado. Debe eliminar la influencia de la temperatura en la longitud de onda reflejada a partir de la fórmula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ). En otras palabras, debe mantener ΔT = 0 (mantener una temperatura ambiente constante) o conocer el valor de ΔT (conocer el grado de cambio de temperatura ambiente). Este proceso se llama compensación de temperatura para sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra.
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Dado que ya tenemos un sensor de temperatura de rejilla de Bragg en fibra (Termómetro FBG) producido por DCYS que puede medir la temperatura con precisión, podemos colocar este sensor de temperatura de rejilla de fibra de Bragg (termómetro FBG) que mide la temperatura con precisión y el sensor de tensión de rejilla de Bragg en fibra (celda de carga FBG, sensor de presión FBG) en el mismo entorno para determinar el valor exacto de ΔT.
En consecuencia, podemos usar la fórmula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) para eliminar la influencia de los cambios de temperatura, permitiendo que el sensor de tensión de rejilla de Bragg en fibra (celda de carga FBG, sensor de presión FBG) mida con precisión la tensión y la presión.
2. Further reading:
Principio y esquema de compensación de temperatura para sensores de tensión de rejilla de Bragg en fibra
VII. ¿Por qué es necesaria la compensación de temperatura para los sensores de deformación de rejilla de Bragg en fibra? El principio de compensación de temperatura (galga extensométrica FBG) para una medición precisa.
El principio de compensación de temperatura para sensores de tensión FBG también se aplica a otros tipos de sensores de rejilla de Bragg en fibra, como sensores de forma FBG, sensores de gas FBG, sensores de inclinación FBG, sensores de presión FBG, etc.
VIII. Diferencias y conexiones entre los sensores de rejilla de Bragg en fibra, los sensores de fibra distribuidos y las diferencias de principio con la tecnología de detección de fibra distribuida.
La tecnología de detección de rejilla de Bragg en fibra y la tecnología de detección de fibra óptica son conceptos inclusivos, así como 'los sensores de rejilla de Bragg en fibra y los sensores de fibra óptica son conceptos inclusivos'.
La tecnología de detección de rejilla de Bragg en fibra es un tipo de tecnología de detección de fibra óptica, y los sensores de rejilla de Bragg en fibra son un tipo de sensores de fibra óptica. Los principios básicos de la tecnología de detección de rejilla de Bragg en fibra se han discutido en este texto y no se repetirán aquí.
1. Principio y diagrama de la tecnología de detección de fibra óptica distribuida
Los sensores de fibra óptica distribuida y los sensores de rejilla de Bragg en fibra pertenecen a la misma categoría de sensores de fibra óptica. Sin embargo, a diferencia de los sensores de rejilla de Bragg en fibra, la tecnología común de detección de fibra óptica distribuida se basa en diversas informaciones de intensidad, frecuencia y fase de dispersión dentro de la fibra y utiliza la fibra como unidad de detección.
Las magnitudes físicas medidas no solo dependen de la fibra, sino que también dependen más de dispositivos y algoritmos de modulación-demodulación. Las magnitudes físicas medidas son a menudo los valores promedio de magnitudes físicas en posiciones específicas a lo largo de la fibra (por ejemplo, la temperatura promedio cada 1 metro en una fibra de 10 kilómetros). El principio de detección se puede entender a partir del diagrama siguiente:
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De manera similar, la luz de banda ancha emitida por el dispositivo de detección de fibra óptica ingresa a la fibra de izquierda a derecha, y debido a las impurezas inherentes en la fibra, la luz se dispersa durante la propagación.
Puede pensar en las partículas de luz que chocan con las impurezas en la fibra, lo que resulta en partículas que se dispersan en varias direcciones, con diferentes frecuencias. Estas señales de luz dispersa se denominan colectivamente luz dispersa, y hay tres tipos: dispersión Rayleigh, dispersión Raman, y dispersión Brillouin, según diferentes características de frecuencia.
Estas señales de luz dispersa están típicamente relacionadas con la posición, temperatura, tensión, deformación, vibración y otras magnitudes físicas del entorno donde se encuentra la fibra. Por lo tanto, se han desarrollado varios dispositivos para medir estas magnitudes físicas midiendo cambios en las señales de luz dispersa dentro de la fibra.
2. Lectura adicional:
3. Video sobre la diferencia de principio entre la tecnología de detección de rejilla de Bragg en fibra y la tecnología de detección de fibra óptica distribuida: