ファイバ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FAQ - FBG復調器FAQ - FBG共通応用問題分析

この記事では、ファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) センサー (FBG センサー) のパッケージングにおいて技術的な課題を引き起こすファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) の固有の欠点を分析します。また、正確なファイバー ブラッグ グレーティング温度センサー (ブラッグ ファイバー グレーティング温度計) を紹介し、DCYS が開発したファイバー ブラッグ グレーティング応力センサーおよびファイバー ブラッグ グレーティングひずみセンサーの温度補償ソリューションを提案します。この記事では、ファイバー ブラッグ グレーティング ストリング/アレイ (FBG) および FBG を備えたシリアル ファイバー ブラッグ グレーティング センサー (シリアル FBG センサー) についても言及しています。

前回の記事では、 「ファイバブラッググレーティングとファイバブラッググレーティングセンサの基本原理 - 第2部: FBGセンシング原理」 ファイバブラッググレーティング（FBG）は、応力、ひずみ、温度などの基本的な物理量を直接測定できることを学びました。この直接測定が可能なのは、FBGのグレーティング周期（グレーティングピッチ）が、力（引張力または圧縮力）、長さ（伸びまたは縮み）、温度（加熱または冷却）の3つの基本的な物理パラメータに直接関係しているためです。これらの変化のうち、力と温度の変化は原因と見なされ、長さの変化は結果と見なされます（図1参照）。

 

図1

上記の結論は、ファイバブラッググレーティング（FBG）およびファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ）によるセンシングの理論的基盤を形成します。しかし、これらは新たな課題または技術的困難も提示しており、それがファイバブラッググレーティングの本質的な欠点です。

 

1. ファイバブラッググレーティング（FBG）の欠点とファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ）のパッケージングの課題

The problem we face is that when using a fiber Bragg  grating (FBG) および a fiber Bragg grating sensor (FBG sensor) for sensing および detection, we observe a change in the reflected wavelength (corresponding to the change in grating pitch). The challenge lies in determining whether this change is caused by force variations or temperature variations.

この問題が解決されなければ、使用されているファイバブラッググレーティングセンサの種類（ファイバブラッググレーティング温度センサ、ファイバブラッググレーティング応力センサ、またはファイバブラッググレーティングひずみセンサ）を判断することは不可能です。さらに、ファイバブラッググレーティングセンサから得られる測定値の精度を保証することは困難です。

 

2. 正確なファイバブラッググレーティング温度センサから始める

この注目に値する時代において、DCYS は幸運にも複数の業界の巨人の肩の上に立つことができ、現代の冶金パイプ製造業界とファイバー ブラッグ グレーティング センシング業界を創造的に組み合わせてきました。その結果、当社はファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) およびファイバー ブラッグ グレーティング センサー (FBG センサー) における温度と応力/歪みを分離するという課題に対処する独自のソリューションを開発しました。このソリューションは、OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング センサー シリーズの誕生につながりました (ファイバー ブラッグ グレーティング センサーのパッケージ構造については、図 2 および 3 を参照してください)。

 

図2

図3

図 2 は、OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング温度センサー (タイプ 01) を示しています。このファイバーブラッググレーティング温度センサーは、原理的にも実際の測定においても、温度と応力/ひずみの分離を完全に達成していると自信を持って言えます。今後の記事でさらなる詳細と実験的証拠を提供します。

また、高感度、速い熱伝導、優れた精度、小型、軽量、高い引張強度、圧縮強度、高温耐性、耐食性、耐水性、耐湿性、不燃性などの特性を備えています。革新的なブラッグ ファイバー グレーティング温度センサーです。この製品により、DCYS がファイバーブラッググレーティングセンシング業界全体の進歩に貢献し、そのさらなる発展に貢献できることを願っています。

3. ファイバブラッググレーティング応力センサおよびファイバブラッググレーティングひずみセンサの温度補償の原理

図 3 は、OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング応力/ひずみセンサー (タイプ 02) を示しています。この製品は、温度と応力/ひずみの分離を独立して達成することはできませんが、図 4 に示すように、OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング温度センサー (タイプ 01) と併用して、温度と応力/ひずみの分離の課題に対処できます。

 

図4

 

4. ファイバブラッググレーティングストリング/アレイ（FBG）および直列ファイバブラッググレーティングセンサ（FBGを備えたFBGセンサ）の概念

前の図をよりよく理解するために、まずファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) に関する基本的な知識を補足しましょう。ファイバー ブラッグ グレーティング センサーの柔軟な機能の 1 つは、マルチポイント センシングを実現できることです。理論的には、単一のセンサーに異なる波長を持つ多数の FBG を刻み込むことができ、1 つまたは複数の物理パラメーターの分散検出が可能になります (OFSCN® キャピラリー シームレス スチール チューブ分散ファイバー ブラッグ グレーティング センサーに対応)。

具体的な例として、図5を参照してください。これは、異なる波長の9つのFBGを持つファイバを示しています。この設定により、9つの異なるポイントでの同時測定が可能になります。

 

図5

図6 図6は、光スペクトラムアナライザ上での8チャンネルファイバブラッググレーティングアレイ（FBG）の波長分布を示しています。

 

5. ファイバブラッググレーティングセンサの温度補償

図 4 の例に戻ると、異なる波長を持つ 2 つの OFSCN® キャピラリー シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング センサー、センサー 1 とセンサー 2 を使用します。センサー 1 は温度と応力/ひずみの両方に敏感ですが、センサー 2 は温度のみに敏感です。それらは同じ環境、同じ温度に置かれます。センサー 1 の場合、波長の変化には温度と応力/歪みの両方の影響が含まれます。ただし、その温度は（センサー 2 から）すでに正確にわかっているため、波長変化に対する温度の影響を差し引いて、応力/ひずみの影響だけを残すことができます（計算の詳細は、式 ΔλB ＝λＢ（１－Ｐe）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ）で確認できます。

このセンサ構成では、センサ1は正確に校正されたファイバブラッググレーティング応力センサおよびファイバブラッググレーティングひずみセンサになります（この計算プロセスは、ファイバブラッググレーティングセンサの温度補償として知られています）。

OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング温度センサーは、ファイバー ブラッグ グレーティング振動センサー、ファイバー ブラッグ グレーティング形状センサー、ファイバー ブラッグ グレーティング ガス センサー、ファイバー ブラッグ グレーティング圧力センサーなどの他のアプリケーションの温度補償にも使用できます。

上記の議論に基づいて、DCYS が製造した OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング センサーは、温度と応力/ひずみの分離に成功し、ファイバー ブラッグ グレーティングの固有の欠点を克服しています。重要なのは、OFSCN® キャピラリー シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング温度センサーが応力/歪みの影響を受けずに正確な温度測定を提供するという事実にあります。 DCYS はどのようにしてこれを実現するのでしょうか?その原理と謎は次の記事で明らかになります。乞うご期待！

 

当社の理念は「OFSCN®で光ファイバーを強くしよう！」です。