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Principi di base dei reticoli di Bragg in fibra e dei sensori a reticolo di Bragg - Parte 2: Principi di rilevamento FBG
Questo articolo spiega i principi di base dell'FBG basati su onde ottiche reali. Aiuta i lettori a comprendere i meccanismi sottostanti dei sensori FBG, dei sensori di deformazione FBG e dei sensori di temperatura FBG. Questo articolo funge da introduzione preliminare ai sensori FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN® prodotti da DCYS.
Nell'articolo precedente, 'Principi di Base dei Reticoli di Bragg in Fibra e dei Sensori a Reticolo di Bragg in Fibra - Parte 1: Riflessione e Interferenza delle Onde,' abbiamo utilizzato le onde sonore come analogia per comprendere i principi dei sensori FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN®, in particolare la riflessione e l'interferenza (interferenza) delle onde.
Oggi, basandoci su queste fondamenta, introdurremo i principi di base dei sensori FBG (inclusi i principi FBG). Questo articolo è anche un articolo di divulgazione scientifica e non un articolo di ricerca. Se qualcuno trova errori in questo articolo, per favore li segnali gentilmente.
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1. Reticolo di Bragg in Fibra (FBG) nel Sensore a Reticolo di Bragg in Fibra (Sensore FBG)
Il Sensore FBG è un tipo di sensore a fibra ottica. Il processo di rilevamento si basa sulla modulazione della lunghezza d'onda del FBG da parte di parametri fisici esterni per ottenere informazioni di rilevamento. È un sensore a fibra ottica a modulazione di lunghezza d'onda.
L'immagine sopra mostra un diagramma schematico di un nucleo di fibra ottica con un FBG (diametro effettivo di 9 micrometri). Utilizzando metodi come l'esposizione alla luce UV attraverso una fotomaschera, l'incisione punto per punto con laser a femtosecondi o altre tecniche di lavorazione, nel nucleo della fibra ottica si formano numerose superfici di riflessione debole (non discuteremo qui reticoli più complessi) con la stessa spaziatura. Queste superfici di riflessione debole sono chiamate reticoli di fibra ottica, e la distanza tra ciascuna superficie di riflessione debole è denominata passo del reticolo o periodo del reticolo (rappresentato dal simbolo Λ - si prega di ricordare questo simbolo, poiché verrà utilizzato nel testo seguente).
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2. Principi di Rilevamento di FBG e Sensore FBG
Misure di rilevamento di base possono essere eseguite utilizzando il FBG sopra menzionato. Il principio è mostrato nell'Immagine 3.
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3. Fomula of FBG e FBG Sensor Principle
La sezione centrale dell'immagine 3 rappresenta un FBG o un sensore FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN® incapsulato. La luce incidente a banda larga entra nel sensore FBG da un'estremità del reticolo. Quando la luce incontra l'FBG, la maggior parte delle lunghezze d'onda della luce passano attraverso l'FBG come luce trasmessa, mentre una piccola porzione di lunghezze d'onda specifiche della luce vengono riflesse indietro (si prega di notare queste lunghezze d'onda specifiche, che sono oggetto del nostro rilevamento e sono rappresentate da λB). Esiste una relazione diretta tra λB e il passo del reticolo (periodo del reticolo) Λ di cui abbiamo parlato prima, espressa dalla formula matematica: λB = 2neffΛ, dove λ rappresenta la lunghezza d'onda riflessa, neff è l'indice di rifrazione del nucleo della fibra ottica e Λ è il passo del reticolo (periodo del reticolo).
La luce riflessa entra quindi nel demodulatore FBG (non etichettato nel diagramma) e viene demodulata in un segnale di lunghezza d'onda λB. Poiché il sensore FBG è collegato al dispositivo di rilevamento FBG, possiamo ottenere un segnale di lunghezza d'onda di prova diverso λB in ogni momento. Dall'espressione matematica precedente, possiamo capire perché il segnale di lunghezza d'onda λ restituito nel momento successivo cambia (rappresentato da ΔλB). La ragione fondamentale è che il passo del reticolo (periodo del reticolo) Λ del reticolo di fibra ottica è cambiato (rappresentato da ΔΛ).
4. Principi di FBG e Sensore FBG per la Misura di Temperatura, Deformazione e Stress
Ora, allontaniamoci dai simboli matematici complessi e immaginiamo scenari reali. Cosa può causare un cambiamento nel passo del reticolo (periodo del reticolo) Λ?
Potresti aver già indovinato il primo possibile motivo: la forza. Quando applichi tensione al FBG, si allunga, e quando applichi compressione, si contrae.
Il secondo possibile motivo è la temperatura. Il FBG si espande quando riscaldato, causandone l'allungamento, e si contrae quando raffreddato, causandone il restringimento.
Durante questo processo, individui intelligenti hanno associato i segnali di lunghezza d'onda accuratamente rilevabili con tre parametri fisici di base: forza (tensione, compressione), lunghezza (allungamento, contrazione) e temperatura (riscaldamento, raffreddamento). Pertanto, le quantità fisiche di base che i sensori FBG possono misurare direttamente includono stress, deformazione e temperatura (corrispondenti rispettivamente ai sensori di sollecitazione FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN®, ai sensori di deformazione FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN® e ai sensori di temperatura FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN®).
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Figura 4 |
Come articolo introduttivo sul sensore FBG della serie FBG con tubo capillare in acciaio senza saldatura OFSCN®, abbiamo semplificato i calcoli matematici e considerato le variazioni di lunghezza d'onda causate da stress, deformazione e temperatura. Il processo di calcolo matematico per le variazioni di lunghezza d'onda è più complesso della semplice equazione 'λB = 2neffΛ' presentata in precedenza. Questa complessità nasce dal fatto che anche l'indice di rifrazione neff del nucleo della fibra ottica è una variabile. La formula complessiva è la seguente: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT, ma non la approfondiremo qui.
A questo punto, potresti aver acquisito una certa comprensione dei principi di funzionamento dei FBG e dei sensori FBG. Quali altre sfide esistono nella transizione dal FBG teorico ai sensori FBG pratici incapsulati? Come possono essere affrontate queste sfide? Ne discuteremo nelle sezioni seguenti, quindi resta sintonizzato!
La nostra filosofia è: 'OFSCN®, rendi la fibra ottica più forte!'
Allegato 1:
Introduzione video correlata:
DCYS è un produttore professionale di sensori con reticolo di Bragg in fibra, che fornisce il principio di FBG, il principio di misurazione della temperatura del sensore FBG, il principio di misurazione dello stress, il principio di deformazione, il principio di compensazione della temperatura e il principio di imballaggio del tubo di acciaio senza saldatura; il marchio del sensore FBG è "OFSCN".