Principio di rilevamento del reticolo di Bragg in fibra - Principio FBG - Principio del sensore FBG - Principio di rilevamento di temperatura, deformazione, stress, vibrazione, forma FBG
Questo articolo spiega il principio dei sensori a reticolo di Bragg in fibra (FBG) basato sul concetto fondamentale di 'riflessione e interferenza delle onde luminose', inclusi i principi di misurazione della temperatura, misurazione dello stress e misurazione della deformazione utilizzando gli FBG. Poi introduce il principio di funzionamento dei sensori FBG e fornisce uno schema del principio del sensore FBG.
L'articolo discute inoltre il principio di misurazione accurata della temperatura dei sensori di temperatura FBG e introduce il principio dell'uso di termometri FBG accurati per compensare la temperatura di sensori di stress FBG. Questo principio di compensazione è applicabile anche a sensori di deformazione FBG, sensori di forma FBG, e altri sensori FBG.
Infine, l'articolo spiega le differenze tra tecnologia di rilevamento del reticolo di Bragg in fibra e tecnologia di rilevamento distribuito della fibra in termini di principi.
Indice:
Ⅶ. Perché è necessaria la compensazione della temperatura per i sensori di deformazione a reticolo di Bragg in fibra? Il principio di compensazione della temperatura (Estensimetro FBG) per una misurazione accurata.
L'articolo fornisce spiegazioni complete dei principi. Si consiglia di concentrarsi sulle sezioni di interesse per una migliore comprensione.
Ⅰ. Principio di riflessione e interferenza delle onde luminose - Analogia tra la riflessione e la sovrapposizione delle onde sonore e la riflessione e la sovrapposizione delle onde luminose.
1. Perché è necessario comprendere il principio di riflessione e interferenza delle onde luminose prima di comprendere i principi fondamentali dei reticoli di Bragg in fibra (FBG) e dei sensori a reticolo di Bragg in fibra (sensori FBG)?
Prima di addentrarsi nei principi fondamentali dei reticoli di Bragg in fibra (FBG) e sensori a reticolo di Bragg in fibra (sensori FBG), è essenziale comprendere i concetti di riflessione e interferenza delle onde luminose.
Questo perché la parte più cruciale di un sensore a reticolo di Bragg in fibra (sensore FBG) risiede nel rilevare con precisione determinate lunghezze d'onda specifiche delle onde riflesse. Analizzando i cambiamenti di lunghezza d'onda nelle onde riflesse, il sensore può misurare le variazioni della quantità fisica monitorata, come stress, deformazione o temperatura.
Poiché le onde luminose hanno alte frequenze e lunghezze d'onda corte, non sono facilmente osservabili direttamente nella nostra vita quotidiana. Per facilitare la comprensione, userò le onde sonore come analogia alle onde luminose — entrambe sono onde, anche se una è udibile e l'altra no.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection e interference, apply the same characteristics to light waves.
Nella vita quotidiana, potresti aver sperimentato la seguente situazione: quando gridi di fronte a due pareti o due montagne, senti due o più echi (riflessione di onde sonore); se aggiusti la tua posizione e continui a gridare, sentirai gli echi combinarsi in un singolo eco in posizioni specifiche (soddisfacendo determinate condizioni), e mentre ti muovi, gli echi possono variare di intensità.
L'eco forte è il risultato di un'interferenza positiva (interferenza di onde sonore) da riflessioni multiple, mentre l'eco più debole è causato da un'interferenza negativa (interferenza di onde sonore) da riflessioni multiple.
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Allo stesso modo, le onde luminose, come le onde sonore, mostrano queste proprietà su una scala più piccola. Quando vengono soddisfatte determinate condizioni (condizioni di Bragg), le onde luminose che passano attraverso un Reticolo di Bragg a fibra (FBG) sperimenteranno riflessioni multiple, portando a un'interferenza positiva (interferenza) delle onde riflesse.
3. Further reading:
Uno dei principi fondamentali dei reticoli di Bragg in fibra (FBG) e dei sensori a reticolo di Bragg in fibra (sensori FBG): Riflessione e interferenza delle onde.
Principi fondamentali dei reticoli di Bragg in fibra (FBG) e dei sensori a reticolo di Bragg in fibra (sensori FBG) Ⅰ : Riflessione e interferenza delle onde.
Ⅱ. Cosa sono i reticoli di Bragg in fibra? Cosa possono fare i reticoli di Bragg in fibra? Il principio dei reticoli di Bragg in fibra (Principio del reticolo di Bragg FBG).
Il reticolo di Bragg in fibra (FBG) è un tipo di reticolo a fibra ottica con un uniforme e consistente periodo del reticolo (periodicità della fibra). La distanza tra i punti di riflessione del FBG è sempre uguale. Gli FBG possono essere prodotti attraverso vari metodi, come l'esposizione a luce ultravioletta usando una maschera, incisione chimica, o scrittura punto a punto con laser a femtosecondi, ecc. Possono essere FBG a punto singolo o stringhe/array di FBG (array FBG).
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Collegando un sensore a reticolo di Bragg in fibra a un demodulatore FBG, si può misurare la lunghezza d'onda delle onde riflesse indipendenti. Quando il Reticolo di Bragg a fibra (FBG) subisce cambiamenti di stress o temperatura, il periodo del reticolo (periodicità del reticolo) cambierà, portando a variazioni nella lunghezza d'onda delle onde riflesse. Verranno riflesse diverse lunghezze d'onda, consentendo la misurazione del cambiamento in Lunghezza d'onda di Bragg.
La variazione della lunghezza d'onda di Bragg (ΔλB) della Rete di Bragg su Fibra (FBG) è correlata sia alla deformazione (Δε) che al cambiamento di temperatura (ΔT), e la formula è la seguente: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Principio della Rete di Bragg su Fibra (FBG) per il Rilevamento della Temperatura—Principio del Sensore di Temperatura FBG (Termometro FBG)—Variazione di Lunghezza dovuta a Dilatazione e Contrazione Termica
Nell'ambiente in cui il Rete di Bragg su Fibra (FBG) è situato, i cambiamenti di temperatura causeranno variazioni regolari nel periodo del reticolo Λ (periodicità della fibra) della FBG. In parole semplici, è espansione e contrazione termica.
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Utilizzando un Demodulatore di Rete di Bragg su Fibra, la lunghezza d'onda riflessa λB della FBG può essere misurata. Poiché la lunghezza d'onda riflessa λB e il periodo del reticolo Λ della Rete di Bragg su Fibra hanno una relazione corrispondente (λB = 2neffΛ, dove neff è l'indice di rifrazione della fibra), la temperatura del Rete di Bragg su Fibra può essere determinata comprendendo la lunghezza d'onda riflessa. Questo è il principio del rilevamento della temperatura utilizzando le FBG.
2. Principle of Reticolo di Bragg a fibra (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Similmente ai cambiamenti di temperatura, anche le variazioni di forza causeranno cambiamenti regolari nel periodo del reticolo Λ (periodicità della fibra) del Rete di Bragg su Fibra (FBG). In parole semplici, è allungamento o compressione.
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Utilizzando un Demodulatore di Rete di Bragg su Fibra, la lunghezza d'onda riflessa λB della FBG può essere misurata. Poiché la lunghezza d'onda riflessa λB e il periodo del reticolo Λ della Rete di Bragg su Fibra hanno una relazione corrispondente (λB = 2neffΛ, dove neff è l'indice di rifrazione della fibra), la forza applicata alla Rete di Bragg su Fibra (FBG) può essere determinata comprendendo la lunghezza d'onda riflessa. È così che le FBG possono essere utilizzate per misurare lo stress.
3. Principio della Rete di Bragg su Fibra (FBG) per il Rilevamento della Deformazione—Sensore di Deformazione FBG (Estensimetro FBG)—Variazione di Lunghezza Stessa
Che si tratti della variazione della Rete di Bragg su Fibra dovuta alla temperatura o alla forza, la manifestazione ultima è il cambiamento nella lunghezza della Rete di Bragg su Fibra (deformazione). Nella formula λB = 2neffΛ, Λ rappresenta il periodo del reticolo (periodicità della fibra) della Rete di Bragg su Fibra stessa, che è la lunghezza della Rete di Bragg su Fibra su piccola scala. Pertanto, le Reti di Bragg su Fibra possono essere utilizzate per misurare la deformazione.
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4. Ulteriori letture:
III. Cos'è un Sensore a Rete di Bragg su Fibra? Perché dobbiamo incapsulare le Reti di Bragg su Fibra? Il Principio di Funzionamento dei Sensori a Rete di Bragg su Fibra.
Sebbene Rete di Bragg su Fibra (FBG) possa essere utilizzata per misurare temperatura, stress e deformazione, deve essere incapsulata in un sensore a Rete di Bragg su Fibra (sensore FBG) prima di poter essere utilizzata a causa della sua intrinseca fragilità.
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DCYS creatively combines stainless steel seamless tubes with Reti di Bragg su Fibra (FBG) to produce patented OFSCN® capillary series sensori a Rete di Bragg su Fibra a tubo d'acciaio senza saldatura, inclusi sensori di temperatura a Rete di Bragg su Fibra a tubo d'acciaio senza saldatura (termometri FBG), sensori di stress a Rete di Bragg su Fibra a tubo d'acciaio senza saldatura (celle di carico FBG, sensori di pressione FBG), e sensori di deformazione a Rete di Bragg su Fibra a tubo d'acciaio senza saldatura (estensimetri FBG).
La protezione fornita dal tubo in acciaio inossidabile senza saldatura migliora significativamente la resistenza della Rete di Bragg su Fibra e della fibra, espandendo la gamma di ambienti e applicazioni per vari sensori a Rete di Bragg su Fibra.
The working principle of the OFSCN® capillary series sensori a Rete di Bragg su Fibra a tubo d'acciaio senza saldatura is similar to the principle of FBG.
1. Schema Principale della Rete di Bragg su Fibra (FBG) e del Sensore a Rete di Bragg su Fibra (Sensore FBG)
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2. Formula del Principio della Rete di Bragg su Fibra (FBG) e del Principio del Sensore a Rete di Bragg su Fibra (Sensore FBG)
Nell'Immagine 3, la parte centrale rappresenta un Rete di Bragg su Fibra (FBG) or an encapsulated OFSCN® capillary series seamless steel tube sensore a Rete di Bragg su Fibra (sensore FBG). La luce incidente a banda larga entra nella fibra da un'estremità del sensore, e quando incontra la Rete di Bragg su Fibra (FBG), la maggior parte della luce con varie lunghezze d'onda passa attraverso la FBG come luce trasmessa, mentre una piccola porzione di lunghezze d'onda speciali di luce viene riflessa indietro (si noti che questa lunghezza d'onda speciale, rappresentata da λB, è il parametro che vogliamo misurare).
Esiste una relazione diretta tra λB e il periodo del reticolo Λ, rappresentata dall'espressione matematica: λB = 2neffΛ, dove λ è la lunghezza d'onda riflessa, neff è l'indice di rifrazione effettivo del nucleo della fibra e Λ è il periodo del reticolo.
Successivamente, la luce riflessa entra nel demodulatore della Rete di Bragg su Fibra (non etichettato nell'immagine) e viene demodulata nel segnale di lunghezza d'onda λB. Poiché il sensore è collegato all'apparecchiatura di misurazione, possiamo ottenere diversi segnali di lunghezza d'onda di test λB in momenti diversi.
Attraverso la precedente espressione matematica, possiamo capire perché il segnale di lunghezza d'onda λ cambia nel momento successivo (cambiamento rappresentato da ΔλB)? La ragione fondamentale è che il periodo del reticolo Λ della Rete di Bragg su Fibra è cambiato (cambiamento rappresentato da ΔΛ).
3. Principi di Come la Rete di Bragg su Fibra (FBG) e il Sensore a Rete di Bragg su Fibra (Sensore FBG) Misurano Temperatura, Deformazione e Stress
Ora, possiamo uscire dai complessi simboli matematici e tornare all'ambiente del mondo reale. Cosa può causare il periodo del reticolo Λ (periodicità del reticolo) della FBG a cambiare?
Potresti immediatamente pensare a due possibilità:
① Forza: Quando si applica tensione al Rete di Bragg su Fibra (FBG), si allunga; quando si applica compressione, si contrae.
② Temperatura: Quando il Rete di Bragg su Fibra (FBG) viene riscaldato, si espande; quando si raffredda, si contrae.
In questo processo, persone intelligenti hanno collegato il segnale di lunghezza d'onda che può essere rilevato con precisione con tre parametri fisici fondamentali: forza (tensione, compressione), lunghezza (allungamento, contrazione), e temperatura (riscaldamento, raffreddamento). Pertanto, Sensori a Rete di Bragg su Fibra (sensori FBG) possono misurare direttamente stress, deformazione e temperatura.
Specific products correspond to OFSCN® capillary seamless steel tube Sensori di stress a Rete di Bragg su Fibra, OFSCN® capillary seamless steel tube Sensori di deformazione a Rete di Bragg su Fibra, e OFSCN® capillary seamless steel tube Sensori di temperatura a Rete di Bragg su Fibra.
4. Ulteriori letture:
Principi Base dei Sensori a Rete di Bragg su Fibra Parte 2- Principi di Rilevamento della Rete di Bragg su Fibra
IV. Video sul Principio del Sensore a Rete di Bragg su Fibra, Video sul Principio della Rete di Bragg su Fibra:
V. I Sensori di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra sono Accurati nella Misurazione della Temperatura? Il Principio della Misurazione Accurata della Temperatura da parte dei Sensori di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (Termometro FBG).
1. Analisi del Principio di Misurazione Accurata della Temperatura per il Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (Termometro FBG)
Poiché sia la temperatura che la forza possono causare cambiamenti nella lunghezza d'onda della Rete di Bragg su Fibra, affinché il Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (Termometro FBG) possa misurare accuratamente la temperatura, deve essere progettato in modo tale che solo le variazioni di temperatura influenzino il Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (Termometro FBG) incapsulato, e l'influenza delle variazioni di tensione e pressione sia minimizzata.
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DCYS's OFSCN® capillary series seamless steel tube Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (Termometro FBG) utilizza una tecnologia di incapsulamento brevettata, garantendo che la Rete di Bragg su Fibra (FBG) rimanga in uno stato libero durante le misurazioni della temperatura, non influenzata da forze esterne, e raggiungendo così misurazioni accurate della temperatura.
2. Further reading:
3. Analisi del Principio di Misurazione Inaccurata della Temperatura per Sensori di Temperatura a Reticolo di Bragg su Fibra Tradizionali (Termometro FBG)
La ragione principale della misurazione imprecisa della temperatura nei sensori di temperatura a reticolo di Bragg su fibra tradizionali (termometri FBG) è che è difficile schermare gli effetti delle forze durante la misurazione della temperatura. Ciò è dovuto al metodo di incapsulamento utilizzato.
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Nei sensori di temperatura a reticolo di Bragg su fibra tradizionali (termometri FBG), l'uso di vari materiali e adesivi rende difficile schermare il FBG dall'influenza delle forze.
4. Ulteriori letture:
Svantaggi e Analisi delle Forze dei Sensori di Temperatura a Reticolo di Bragg su Fibra Tradizionali (Termometri FBG) - Motivi della Misurazione Inaccurata della Temperatura
Svantaggi e Analisi delle Forze dei Sensori di Temperatura a Reticolo di Bragg su Fibra Tradizionali (Termometri FBG) - Motivi della Misurazione Inaccurata della Temperatura
Ⅵ. Perché la Compensazione della Temperatura è Necessaria per i Sensori di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra? Il Principio di Compensazione della Temperatura (Cella di Carico FBG, Sensore di Pressione FBG) per una Misurazione Accurata.
Il Reticolo di Bragg su Fibra (FBG) è sensibile sia alla forza che alla temperatura. Sia che il Reticolo di Bragg su Fibra sia sottoposto a forza o che la temperatura ambiente cambi, si riflette come cambiamenti nel periodo del reticolo, che corrisponde al verificarsi di deformazione nel sensore a Rete di Bragg su Fibra.
1. Principio di Compensazione della Temperatura per Sensori di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra
Ciò significa che quando si desidera utilizzare un Sensore di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra per ottenere misurazioni accurate, è necessario considerare se la temperatura ambiente è cambiata. È necessario eliminare l'influenza della temperatura sulla lunghezza d'onda riflessa dalla formula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ). In altre parole, è necessario mantenere ΔT = 0 (mantenere una temperatura ambiente costante) o conoscere il valore di ΔT (conoscere l'entità del cambiamento della temperatura ambiente). Questo processo è chiamato compensazione della temperatura per i Sensori di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra.
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Dato che abbiamo già un Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (FBG Thermometer) produced by DCYS that can accurately measure temperature, we can place this accurate temperature-measuring Sensore di Temperatura a Rete di Bragg su Fibra (FBG Thermometer) and the Sensore di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra (Cella di Carico FBG, Sensore di Pressione FBG) nello stesso ambiente per determinare il valore esatto di ΔT.
Di conseguenza, possiamo utilizzare la formula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) per eliminare l'influenza dei cambiamenti di temperatura, consentendo al Sensore di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra (Cella di Carico FBG, Sensore di Pressione FBG) di misurare con precisione tensione e pressione.
2. Further reading:
Principio e Schema di Compensazione della Temperatura per Sensori di Stress a Reticolo di Bragg su Fibra
Ⅶ. Perché la Compensazione della Temperatura è Necessaria per i Sensori di Deformazione a Reticolo di Bragg su Fibra? Il Principio di Compensazione della Temperatura (Estensimetro FBG) per una Misurazione Accurata.
Il principio di compensazione della temperatura per i Sensori di Stress FBG si applica anche ad altri tipi di sensori a Reticolo di Bragg su Fibra, come Sensori di Forma FBG, Sensori di Gas FBG, Sensori di Inclinazione FBG, Sensori di Pressione FBG, ecc.
Ⅷ. Differenze e Connessioni tra Sensori a Reticolo di Bragg su Fibra, Sensori a Fibra Distribuita e le Differenze di Principio dalla Tecnologia di Rilevamento a Fibra Distribuita.
La tecnologia di rilevamento a Reticolo di Bragg su Fibra e la tecnologia di rilevamento a Fibra Ottica sono concetti inclusivi, proprio come 'i sensori a Reticolo di Bragg su Fibra e i sensori a Fibra Ottica sono concetti inclusivi'.
La tecnologia di rilevamento a Reticolo di Bragg su Fibra è un tipo di tecnologia di rilevamento a Fibra Ottica, e i sensori a Reticolo di Bragg su Fibra sono un tipo di sensori a Fibra Ottica. I principi base della tecnologia di rilevamento a Reticolo di Bragg su Fibra sono stati discussi in questo testo e non verranno ripetuti qui.
1. Principio e Diagramma della Tecnologia di Rilevamento a Fibra Ottica Distribuita
I sensori a Fibra Ottica Distribuiti e i sensori a Reticolo di Bragg su Fibra appartengono alla stessa categoria di sensori a Fibra Ottica. Tuttavia, a differenza dei sensori a Reticolo di Bragg su Fibra, la comune tecnologia di rilevamento a Fibra Ottica Distribuita si basa su varie informazioni di intensità di scattering, frequenza e fase all'interno della fibra e utilizza la fibra come unità di rilevamento.
Le quantità fisiche misurate non dipendono solo dalla fibra, ma si basano maggiormente su dispositivi di modulazione-demodulazione e algoritmi. Le quantità fisiche misurate sono spesso i valori medi delle quantità fisiche in posizioni specifiche lungo la fibra (ad esempio, la temperatura media su ogni 1 metro su una fibra di 10 chilometri). Il principio di rilevamento può essere compreso dal diagramma seguente:
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Allo stesso modo, la luce a banda larga emessa dal dispositivo di rilevamento a Fibra Ottica entra nella fibra da sinistra a destra e, a causa delle impurità intrinseche nella fibra, la luce si diffonde durante la propagazione.
Si può pensare alle particelle di luce che collidono con le impurità nella fibra, causando la dispersione delle particelle in varie direzioni, con diverse frequenze. Questi segnali di luce diffusa sono collettivamente chiamati luce diffusa, e ci sono tre tipi: scattering di Rayleigh, scattering Raman, e scattering di Brillouin, basato su diverse caratteristiche di frequenza.
Questi segnali di luce diffusa sono tipicamente correlati alla posizione, temperatura, stress, deformazione, vibrazione e altre quantità fisiche dell'ambiente in cui si trova la fibra. Pertanto, sono stati sviluppati vari dispositivi per misurare queste quantità fisiche misurando i cambiamenti nei segnali di luce diffusa all'interno della fibra.
2. Ulteriori letture:
3. Video sulla differenza principale tra la tecnologia di rilevamento a reticolo di Bragg in fibra e la tecnologia di rilevamento in fibra ottica distribuita: