Principe de détection par réseau de Bragg sur fibre - Principe FBG - Principe du capteur FBG - Principe de détection de température, déformation, contrainte, vibration et forme FBG
Cet article explique le principe des capteurs à réseau de Bragg sur fibre (FBG) basé sur le concept fondamental de 'réflexion et interférence des ondes lumineuses', y compris le principes de mesure de la température, de la contrainte et de la déformation à l'aide des FBG. Il présente ensuite le principe de fonctionnement des capteurs FBG et fournit un schéma de principe du capteur FBG.
L'article aborde également le principe de mesure précise de la température des capteurs de température FBG et introduit le principe d'utilisation de thermomètres FBG précis pour compenser la température de capteurs de contrainte FBG. Ce principe de compensation est également applicable aux capteurs de déformation FBG, capteurs de forme FBG, et autres capteurs FBG.
Enfin, l'article explique les différences entre la technologie de détection par réseau de Bragg sur fibre et la technologie de détection par fibre répartie en termes de principes.
Table des matières :
Ⅶ. Pourquoi la compensation de température est-elle nécessaire pour les capteurs de déformation FBG ? Le principe de compensation de température (jauge de déformation FBG) pour une mesure précise.
L'article fournit des explications complètes des principes. Il est recommandé de se concentrer sur les sections d'intérêt pour une meilleure compréhension.
Ⅰ. Principe de réflexion et d'interférence des ondes lumineuses - Analogie entre la réflexion et la superposition des ondes sonores et la réflexion et la superposition des ondes lumineuses.
1. Pourquoi est-il nécessaire de comprendre le principe de réflexion et d'interférence des ondes lumineuses avant de comprendre les principes de base du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et des capteurs FBG ?
Avant d'aborder les principes de base du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et capteurs à réseau de Bragg sur fibre (capteurs FBG), il est essentiel de maîtriser les concepts de réflexion et d'interférence des ondes lumineuses.
Cela est dû au fait que la partie la plus cruciale d'un capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG) réside dans la détection précise de certaines longueurs d'onde spécifiques des ondes réfléchies. En analysant les changements de longueur d'onde des ondes réfléchies, le capteur peut mesurer les variations de la grandeur physique surveillée, telles que la contrainte, la déformation ou la température.
Étant donné que les ondes lumineuses ont des fréquences élevées et de courtes longueurs d'onde, elles ne sont pas facilement observables directement dans notre vie quotidienne. Pour faciliter la compréhension, j'utiliserai les ondes sonores comme analogie avec les ondes lumineuses—les deux sont des ondes, même si l'une est audible et l'autre non.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection et interference, apply the same characteristics to light waves.
Dans la vie quotidienne, vous avez peut-être vécu la situation suivante : lorsque vous criez face à deux murs ou deux montagnes, vous entendez deux échos ou plus (réflexion des ondes sonores) ; si vous ajustez votre position et continuez à crier, vous entendrez les échos se combiner en un seul écho à des positions spécifiques (satisfaisant certaines conditions), et en vous déplaçant, les échos peuvent varier en intensité.
L'écho fort est le résultat d'une interférence positive (interférence des ondes sonores) de multiples réflexions, tandis que l'écho plus faible est causé par une interférence négative (interférence des ondes sonores) de multiples réflexions.
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De même, les ondes lumineuses, comme les ondes sonores, présentent également ces propriétés à plus petite échelle. Lorsque certaines conditions (conditions de Bragg) sont remplies, les ondes lumineuses traversant un Réseau de Bragg sur fibre (FBG) subiront de multiples réflexions, conduisant à une interférence positive (interférence) des ondes réfléchies.
3. Further reading:
L'un des principes de base du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et des capteurs FBG : Réflexion et interférence des ondes.
Principes de base du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et des capteurs FBG Ⅰ : Réflexion et interférence des ondes.
Ⅱ. Que sont les réseaux de Bragg sur fibre ? Que peuvent-ils faire ? Le principe des réseaux de Bragg sur fibre (principe FBG).
Le réseau de Bragg sur fibre (FBG) est un type de réseau de fibre optique avec une période de réseau (périodicité de la fibre). La distance entre les points de réflexion du FBG est toujours égale. Les FBG peuvent être produits par diverses méthodes, telles que l'exposition à la lumière ultraviolette à l'aide d'un masque, la gravure chimique, ou l'écriture point par point au laser femtoseconde, etc. Ils peuvent être des FBG ponctuels ou des chaînes/réseaux FBG (réseaux FBG).
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En connectant un capteur à réseau de Bragg sur fibre à un démodulateur FBG, on peut mesurer la longueur d'onde des ondes réfléchies indépendantes. Lorsque le Réseau de Bragg sur fibre (FBG) subit des changements de contrainte ou de température, la période du réseau (périodicité du réseau) changera, entraînant des variations de la longueur d'onde des ondes réfléchies. Différentes longueurs d'onde seront réfléchies, permettant de mesurer le changement de longueur d'onde de Bragg.
La variation de la longueur d'onde de Bragg (ΔλB) d'un réseau de Bragg sur fibre (FBG) est liée à la fois à la déformation (Δε) et au changement de température (ΔT), et la formule est la suivante : ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Principe du réseau de Bragg sur fibre (FBG) pour la détection de température — Principe du capteur de température FBG (thermomètre FBG) — Changement de longueur dû à la dilatation et contraction thermiques
Dans l'environnement où le réseau de Bragg sur fibre (FBG) se trouve, les changements de température provoquent des variations régulières du période de réseau Λ (périodicité de la fibre) du FBG. En termes simples, il s'agit de dilatation et contraction thermiques.
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En utilisant un démodulateur de réseau de Bragg sur fibre, la longueur d'onde réfléchie λB du FBG peut être mesurée. Puisque la longueur d'onde réfléchie λB et la période du réseau Λ du réseau de Bragg sur fibre ont une relation correspondante (λB = 2neffΛ, où neff est l'indice de réfraction de la fibre), la température du réseau de Bragg sur fibre peut être déterminée en connaissant la longueur d'onde réfléchie. C'est le principe de la détection de température à l'aide des FBG.
2. Principle of Réseau de Bragg sur fibre (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Comme pour les changements de température, les variations de force provoquent également des changements réguliers du période de réseau Λ (périodicité de la fibre) du réseau de Bragg sur fibre (FBG). En termes simples, il s'agit d'étirement ou de compression.
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En utilisant un démodulateur de réseau de Bragg sur fibre, la longueur d'onde réfléchie λB du FBG peut être mesurée. Puisque la longueur d'onde réfléchie λB et la période du réseau Λ du réseau de Bragg sur fibre ont une relation correspondante (λB = 2neffΛ, où neff est l'indice de réfraction de la fibre), la force appliquée au réseau de Bragg sur fibre (FBG) peut être déterminée en connaissant la longueur d'onde réfléchie. C'est ainsi que les FBG peuvent être utilisés pour mesurer la contrainte.
3. Principe du réseau de Bragg sur fibre (FBG) pour la détection de déformation — Capteur de déformation FBG (jauge de contrainte FBG) — Changement de longueur lui-même
Qu'il s'agisse de la variation du réseau de Bragg sur fibre due à la température ou à la force, la manifestation ultime est le changement de longueur du réseau de Bragg sur fibre (déformation). Dans la formule λB = 2neffΛ, Λ représente la période du réseau (périodicité de la fibre) du réseau de Bragg sur fibre lui-même, c'est-à-dire la longueur du réseau de Bragg sur fibre à petite échelle. Par conséquent, les réseaux de Bragg sur fibre peuvent être utilisés pour mesurer la déformation.
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4. Lectures complémentaires :
III. Qu'est-ce qu'un capteur à réseau de Bragg sur fibre ? Pourquoi devons-nous encapsuler les réseaux de Bragg sur fibre ? Le principe de fonctionnement des capteurs à réseau de Bragg sur fibre.
Bien que réseau de Bragg sur fibre (FBG) puisse être utilisé pour mesurer la température, la contrainte et la déformation, il doit être encapsulé dans un capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG) avant de pouvoir être utilisé en raison de sa fragilité inhérente.
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DCYS combine de manière créative des tubes sans soudure en acier inoxydable avec Réseaux de Bragg sur fibre (FBG) pour produire une série capillaire brevetée OFSCN® capteurs à réseau de Bragg sur fibre en tube d'acier sans soudure, y compris capteurs de température à réseau de Bragg sur fibre en tube d'acier sans soudure (thermomètres FBG), capteurs de contrainte à réseau de Bragg sur fibre en tube d'acier sans soudure (cellules de charge FBG, capteurs de pression FBG), et capteurs de déformation à réseau de Bragg sur fibre en tube d'acier sans soudure (jauges de contrainte FBG).
La protection offerte par le tube sans soudure en acier inoxydable améliore considérablement la résistance du réseau de Bragg sur fibre et de la fibre, élargissant la gamme d'environnements et d'applications pour divers capteurs à réseau de Bragg sur fibre.
Le principe de fonctionnement des capteurs à réseau de Bragg à fibre à tubes d'acier sans soudure de la série capillaire OFSCN® est similaire au principe du FBG.
1. Schéma de principe du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et du capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG)
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2. Formule du principe du réseau de Bragg sur fibre (FBG) et du principe du capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG)
Dans l'image 3, la partie centrale représente un réseau de Bragg sur fibre (FBG) ou un tube en acier sans soudure de la série capillaire OFSCN® encapsulé capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG). La lumière incidente à large bande entre dans la fibre par une extrémité du capteur, et lorsqu'elle rencontre le réseau de Bragg sur fibre (FBG), la majeure partie de la lumière de diverses longueurs d'onde traverse le FBG sous forme de lumière transmise, tandis qu'une petite partie de la lumière de longueurs d'onde spéciales est réfléchie (notez que cette longueur d'onde spéciale, représentée par λB, est le paramètre que nous voulons mesurer).
Il existe une relation directe entre λB et la période du réseau Λ, représentée par l'expression mathématique : λB = 2neffΛ, où λ est la longueur d'onde réfléchie, neff est l'indice de réfraction effectif du cœur de la fibre, et Λ est la période du réseau.
Ensuite, la lumière réfléchie entre dans le démodulateur de réseau de Bragg sur fibre (non représenté sur l'image) et est démodulée en signal de longueur d'onde λB. Comme le capteur est connecté à l'équipement de mesure, nous pouvons obtenir différents signaux de longueur d'onde de test λB à différents moments.
Grâce à l'expression mathématique précédente, nous pouvons comprendre pourquoi le signal de longueur d'onde λ change à l'instant suivant (changement représenté par ΔλB) ? La raison fondamentale est que la période du réseau Λ du réseau de Bragg sur fibre a changé (changement représenté par ΔΛ).
3. Principes de la manière dont le réseau de Bragg sur fibre (FBG) et le capteur à réseau de Bragg sur fibre (capteur FBG) mesurent la température, la déformation et la contrainte
Maintenant, nous pouvons sortir des symboles mathématiques complexes et revenir à l'environnement réel. Qu'est-ce qui peut provoquer le période de réseau Λ (périodicité du réseau) du FBG à changer ?
Vous pourriez immédiatement penser à deux possibilités :
① Force : Lorsque vous appliquez une tension au réseau de Bragg sur fibre (FBG), il s'allonge ; lorsque vous appliquez une compression, il se contracte.
② Température : Lorsque le réseau de Bragg sur fibre (FBG) est chauffé, il se dilate ; lorsqu'il refroidit, il se contracte.
Dans ce processus, des personnes intelligentes ont relié le signal de longueur d'onde qui peut être détecté avec précision à trois paramètres physiques fondamentaux : force (tension, compression), longueur (allongement, contraction), et température (chauffage, refroidissement). Par conséquent, capteurs à réseau de Bragg sur fibre (capteurs FBG) peuvent mesurer directement la contrainte, la déformation et la température.
Les produits spécifiques correspondent au tube capillaire en acier sans soudure OFSCN® Capteurs de contrainte à réseau de Bragg sur fibre, tube capillaire en acier sans soudure OFSCN® Capteurs de déformation à réseau de Bragg sur fibre, et tube capillaire en acier sans soudure OFSCN® Capteurs de température à réseau de Bragg sur fibre.
4. Lectures complémentaires :
Principes de base des capteurs à réseau de Bragg sur fibre Partie 2 - Principes de détection des réseaux de Bragg sur fibre
IV. Vidéo sur le principe du capteur à réseau de Bragg sur fibre, Vidéo sur le principe du réseau de Bragg sur fibre :
V. Les capteurs de température à réseau de Bragg sur fibre sont-ils précis dans la mesure de la température ? Le principe de la mesure précise de la température par les capteurs de température à réseau de Bragg sur fibre (thermomètre FBG).
1. Analyse du principe de mesure précise de la température pour le capteur de température à réseau de Bragg sur fibre (thermomètre FBG)
Étant donné que la température et la force peuvent provoquer des changements dans la longueur d'onde du réseau de Bragg sur fibre, afin que le capteur de température à réseau de Bragg sur fibre (thermomètre FBG) mesure avec précision la température, il doit être conçu de manière à ce que seules les variations de température affectent le capteur de température à réseau de Bragg sur fibre encapsulé (thermomètre FBG), et que l'influence des variations de tension et de pression soit minimisée.
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Tube en acier sans soudure série capillaire OFSCN® de DCYS capteur de température à réseau de Bragg sur fibre (thermomètre FBG) utilise une technologie d'encapsulation brevetée, garantissant que le réseau de Bragg sur fibre (FBG) reste dans un état libre pendant les mesures de température, non influencé par les forces externes, et réalisant ainsi des mesures de température précises.
2. Further reading:
3. Analyse du principe de mesure inexacte de la température pour un capteur de température à réseau de Bragg traditionnel (thermomètre FBG)
La principale raison de la mesure inexacte de la température des capteurs de température à réseau de Bragg traditionnels (thermomètres FBG) est qu'il est difficile de protéger des effets des forces lors de la mesure de la température. Cela est dû à la méthode d'encapsulation utilisée.
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Dans les capteurs de température à réseau de Bragg traditionnels (thermomètres FBG), l'utilisation de divers matériaux et adhésifs rend difficile la protection du FBG contre l'influence des forces.
4. Lectures complémentaires :
Inconvénients et analyse des forces des capteurs de température à réseau de Bragg traditionnels (thermomètres FBG) - Raisons de la mesure inexacte de la température
Inconvénients et analyse des forces des capteurs de température à réseau de Bragg traditionnels (thermomètres FBG) - Raisons de la mesure inexacte de la température
VI. Pourquoi la compensation de température est-elle nécessaire pour les capteurs de contrainte à réseau de Bragg ? Le principe de compensation de température (cellule de charge FBG, capteur de pression FBG) pour une mesure précise.
Le réseau de Bragg (FBG) est sensible à la fois à la force et à la température. Que le réseau de Bragg soit soumis à une force ou que la température ambiante change, cela se traduit par des modifications du période de réseau, ce qui correspond à l'apparition d'une déformation dans le capteur à réseau de Bragg sur fibre.
1. Principe de compensation de température pour les capteurs de contrainte à réseau de Bragg
Cela signifie que lorsque vous souhaitez utiliser un capteur de contrainte à réseau de Bragg pour obtenir des mesures précises, vous devez considérer si la température ambiante a changé. Vous devez éliminer l'influence de la température sur la longueur d'onde réfléchie à partir de la formule ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ). En d'autres termes, vous devez maintenir ΔT = 0 (conserver une température ambiante constante) ou connaître la valeur de ΔT (connaître l'ampleur du changement de température ambiante). Ce processus est appelé compensation de température pour les capteurs de contrainte à réseau de Bragg.
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Puisque nous avons déjà un capteur de température à réseau de Bragg sur fibre (Thermomètre FBG) produit par DCYS qui peut mesurer avec précision la température, nous pouvons placer ce capteur de température à réseau de Bragg à fibre de mesure précise de la température (thermomètre FBG) et le capteur de contrainte à réseau de Bragg (cellule de charge FBG, capteur de pression FBG) dans le même environnement pour déterminer la valeur exacte de ΔT.
Par conséquent, nous pouvons utiliser la formule ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) pour éliminer l'influence des changements de température, permettant au capteur de contrainte à réseau de Bragg (cellule de charge FBG, capteur de pression FBG) de mesurer avec précision la tension et la pression.
2. Further reading:
Principe et schéma de compensation de température pour les capteurs de contrainte à réseau de Bragg
VII. Pourquoi la compensation de température est-elle nécessaire pour les jauges de contrainte à réseau de Bragg ? Le principe de compensation de température (jauge de contrainte FBG) pour une mesure précise.
Le principe de compensation de température pour les capteurs de contrainte FBG s'applique également à d'autres types de capteurs à réseau de Bragg, tels que les capteurs de forme FBG, les capteurs de gaz FBG, les capteurs d'inclinaison FBG, les capteurs de pression FBG, etc.
VIII. Différences et liens entre les capteurs à réseau de Bragg, les capteurs à fibre optique répartis, et les différences de principe avec la technologie de détection à fibre optique répartie.
La technologie de détection à réseau de Bragg et la technologie de détection par fibre optique sont des concepts inclusifs, tout comme « les capteurs à réseau de Bragg et les capteurs à fibre optique sont des concepts inclusifs. »
La technologie de détection à réseau de Bragg est un type de technologie de détection par fibre optique, et les capteurs à réseau de Bragg sont un type de capteurs à fibre optique. Les principes de base de la technologie de détection à réseau de Bragg ont été discutés dans ce texte et ne seront pas répétés ici.
1. Principe et schéma de la technologie de détection à fibre optique répartie
Les capteurs à fibre optique répartis et les capteurs à réseau de Bragg appartiennent à la même catégorie de capteurs à fibre optique. Cependant, contrairement aux capteurs à réseau de Bragg, la technologie de détection à fibre optique répartie courante est basée sur diverses informations d'intensité, de fréquence et de phase de diffusion dans la fibre et utilise la fibre comme unité de détection.
Les grandeurs physiques mesurées ne dépendent pas seulement de la fibre, mais reposent davantage sur des dispositifs et algorithmes de modulation-démodulation. Les grandeurs physiques mesurées sont souvent les valeurs moyennes de grandeurs physiques à des positions spécifiques le long de la fibre (par exemple, la température moyenne sur chaque mètre d'une fibre de 10 kilomètres). Le principe de détection peut être compris à partir du schéma ci-dessous :
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De même, la lumière à large bande émise par le dispositif de détection à fibre optique entre dans la fibre de gauche à droite, et en raison des impuretés inhérentes à la fibre, la lumière se diffuse lors de la propagation.
Vous pouvez imaginer les particules de lumière entrant en collision avec les impuretés de la fibre, ce qui entraîne une diffusion des particules dans diverses directions, avec différentes fréquences. Ces signaux lumineux diffusés sont collectivement appelés lumière diffusée, et il en existe trois types : Diffusion Rayleigh, Diffusion Raman, et Diffusion Brillouin, basés sur différentes caractéristiques de fréquence.
Ces signaux lumineux diffusés sont généralement liés à la position, la température, la contrainte, la déformation, la vibration et d'autres grandeurs physiques de l'environnement où se trouve la fibre. Par conséquent, divers dispositifs ont été développés pour mesurer ces grandeurs physiques en mesurant les changements dans les signaux lumineux diffusés au sein de la fibre.
2. Lectures complémentaires :
3. Vidéo sur la différence de principe entre la technologie de détection à réseau de Bragg et la technologie de détection à fibre optique répartie :