ファイバーブラッググレーティングセンシング技術百科事典 - FBG FAQ - FBGセンサー FAQ - FBG復調器 FAQ - FBGよくあるアプリケーション問題分析

This article explains the basic principles of FBG based on actual optical waves. It helps readers understand the underlying mechanisms of FBG sensors, FBG strain sensors, および FBG temperature sensors. This article serves as a preliminary introduction to the OFSCN® capillary seamless steel tube FBG sensors produced by DCYS.

前回の記事では、 「ファイバーブラッググレーティングおよびファイバーブラッググレーティングセンサーの基本原理 - パート1：波の反射と干渉」 we used sound waves as an analogy to understand the principles of OFSCN® capillary seamless steel tube FBG sensors, specifically the reflection および interference (interference) of waves.

本日は、その基礎に基づいて、FBGセンサー（FBG原理を含む）の基本原理をご紹介します。この記事は、研究論文ではなく、一般向けの科学記事です。もしこの記事に誤りを見つけた方がいらっしゃいましたら、ご指摘いただけると幸いです。

 

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1. ファイバーブラッググレーティングセンサー（FBGセンサー）におけるファイバーブラッググレーティング（FBG）

FBGセンサーは、光ファイバーセンサーの一種です。センシングプロセスは、外部の物理的パラメータによってFBGの波長を変調し、センシング情報を取得することに基づいています。これは、波長変調光ファイバーセンサーです。

上の画像は、FBGを備えた光ファイバーコアの概略図です（実際の直径は9マイクロメートル）。フォトマスクを介したUV光露光、フェムト秒レーザーによる点ごとの刻印、またはその他の加工技術などの方法を用いて、光ファイバーコア内に同じ間隔で多数の弱い反射面（ここではより複雑なグレーティングについては議論しません）が形成されます。これらの弱い反射面は光ファイバーグレーティングと呼ばれ、各弱い反射面間の距離はグレーティングピッチまたはグレーティング周期（記号Λで表されます - これは以下のテキストで使用されるため、この記号を覚えておいてください）と呼ばれます。

 

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2. FBGおよびFBGセンサーのセンシング原理

上記のFBGを使用して基本的なセンシング測定を行うことができます。その原理は画像3に示されています。

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3. Fomula of FBG および FBG Sensor Principle

The middle section of 画像3 represents a FBG or an encapsulated OFSCN® capillary seamless steel tube FBG Sensor. Broadband incident light enters the FBG sensor from one end of the grating. When the light encounters the FBG, most wavelengths of light pass through the FBG as transmitted light, while a small portion of specific wavelengths of light are reflected back (please note these specific wavelengths, which are the object of our detection and are represented by λB). There is a direct relationship between λB and the grating pitch (grating period) Λ we mentioned earlier, expressed by the mathematical formula: λB = 2neffΛ, where λ represents the reflected wavelength, neff is the refractive index of the optical fiber core, and Λ is the grating pitch (grating period).

反射された光はFBG復調器（図中にはラベルなし）に入り、波長信号λBに復調されます。FBGセンサーはFBGセンシングデバイスに接続されているため、各瞬間に異なるテスト波長信号λBを得ることができます。前述の数式から、次の瞬間に戻される波長信号λが変化する理由（ΔλBで表される）を理解できます。根本的な理由は、光ファイバーグレーティングのグレーティングピッチ（グレーティング周期）Λが変化したこと（ΔΛで表される）です。

 

4. 温度、ひずみ、および応力測定のためのFBGおよびFBGセンサーの原理

さて、複雑な数学記号から離れて、現実世界のシナリオを想像してみましょう。グレーティングピッチ（グレーティング周期）Λの変化を引き起こす原因は何でしょうか？

最初におそらく推測できたであろう理由は、力です。FBGに張力を加えると伸び、圧縮を加えると収縮します。

第二の可能性のある理由は温度です。FBGは加熱されると膨張して伸び、冷却されると収縮します。

During this process, clever individuals have associated the accurately detectable wavelength signals with three basic physical parameters: force (tension, compression), length (elongation, contraction), および temperature (heating, cooling). Therefore, the basic physical quantities that FBG Sensors can directly measure include stress, strain, および temperature (corresponding to OFSCN® capillary seamless steel tube FBG stress sensors, OFSCN® capillary seamless steel tube FBG strain sensors, および OFSCN® capillary seamless steel tube FBG temperature sensors, respectively).

 

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As an introductory article about the OFSCN® capillary seamless steel tube series FBG sensor, we have simplified the mathematical calculations および considered the wavelength changes caused by stress, strain, および temperature. The mathematical calculation process for wavelength changes is more complex than the simple equation 'λB = 2neffΛ' we presented earlier. This complexity arises because the refractive index neff of the fiber optic core is also a variable. The overall formula is as follows: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT, but we will not delve into it here.

ここまでで、FBGおよびFBGセンサーの動作原理についてある程度の理解を得られたかもしれません。それでは、理論的なFBGから実用的なカプセル化されたFBGセンサーへの移行には、他にどのような課題があるでしょうか？これらの課題はどのように解決できるでしょうか？これらについては、今後のセクションで議論しますので、お楽しみに！

 

Our philosophy is: 'OFSCN®, make optical fiber stronger!'

 

添付資料1：

関連ビデオ紹介：