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）の概念を紹介し、FBGの動作方法を説明します。ブラッグ条件の式を使用してFBGの原理を説明し、FBGセンサーの対応する物理図を提供します。

また、FBG 温度センサー (温度計)、FBG ひずみセンサー (ひずみゲージ)、FBG 応力センサー (引張ゲージ) など、多くの 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 センサーが FBG を使用して製造されていることも強調しています。この記事では、FBG センサーのパッケージング原理についても説明します。

 

1. グレーティングとは？  

規則的な間隔を持つ多数の平行なスリットで構成された光学デバイスをグレーティングと呼びます。最も一般的なタイプは、同じ幅と間隔のスリットを持つ等距離グレーティングです。

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図1

これらのグレーティングは、ガラス板、金属板、またはプラスチック板に作られることがよくあります。スリットは不透明または半透明であり、スリット間の滑らかな領域は通常透明です。

よく設計されたグレーティングは、1cm幅の中に数千から数万のスリットを持つことができます。グレーティング間隔（グレーティング周期）が光の波長に近いため、光波の回折または透過が発生します。

透過光の回折を利用するグレーティングは透過型グレーティングと呼ばれ、金属コーティング表面に平行スリットがあるものなど、反射光の回折を利用するものは反射型グレーティングと呼ばれます。

 

2. 光ファイバーグレーティングとは？ファイバーブラッググレーティング（FBG）とは？

前述の平行スリットの規則的な間隔が、感光性材料を使用して光ファイバーのコアに刻まれると、ファイバーブラッググレーティング（FBG）になります。

均一で一貫したグレーティング距離（グレーティング周期）を持つ光ファイバーグレーティングは、FBGとも呼ばれ、反射波長は非常に狭く、反射点間の距離は常に同じです。グレーティングには、特定の波長に対する多数の反射点が含まれています。

FBGは、マスクを用いたUV露光、化学エッチング、またはフェムト秒レーザーの一点一点書き込みなどの方法で製造できます。以下はFBGの模式図と物理図です：

図2

図3

図4

 

3. ファイバーブラッググレーティングストリング/アレイとは？

FBG の柔軟な特徴は、多点センシングを実現できることです。理論的には、異なる波長を持つ複数の FBG を 1 つのセンサー内に組み込むことができ、1 つ以上の物理パラメーターの分散測定が可能になります。複数の FBG が内接されたファイバは、ファイバ ブラッグ グレーティング ストリング/アレイ (FBG) と呼ばれます (OFSCN® キャピラリ シームレス鋼管分布型ファイバ ブラッグ グレーティング センサに対応)。

例えば、図5は9つの異なる波長のFBGを持つファイバーを示しており、9つの異なるポイントでの同時測定を可能にします。

図5

図6

図7 （上の図は、光スペクトラムアナライザ上での8つの異なる波長を持つFBGアレイの波長分布を示しています。）

 

4. ファイバーブラッググレーティングの原理

2つの反射点がブラッグ条件に従って正確に一致すると、対応する波長の光信号がグレーティングによって反射され、他の波長はほとんど反射されません。

図8

 

FBGインタロゲータを接続することで、独立した反射波の波長を測定できます。FBGに応力や温度変化が加わると、グレーティング間隔（グレーティング周期）と反射波の波長が変化します。これらの変化は、反射波長を分析することで測定できます。

FBGの波長変化は、ひずみと温度変化の両方に関連しており、式：ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔTで表すことができます。

 

(1). FBGの温度測定原理 - FBG温度センサーの原理（FBG温度計） - 熱膨張と収縮による長さの変化

FBGが置かれている環境では、温度変化によりFBGのグレーティング間隔（Λ）に周期的な変動が生じます。これは熱膨張と収縮に起因します。

FBGインタロゲータを使用して、FBGの反射波長（λB）を測定できます。反射波長（λB）とグレーティング間隔（Λ）の間には、λB = 2neffΛ（neffはファイバーの実効屈折率）という関係があるため、反射波長を分析することでFBGの温度を決定できます。これがグレーティング温度の測定原理です。

(2) 。 ファイバーブラッググレーティング（FBG）の応力測定原理 - FBG応力センサー（FBGひずみゲージ、FBG引張ゲージ、FBG圧力ゲージ、FBG鉄筋ゲージ） - 長さの変化そのもの：

温度変化と同様に、力の変化もファイバーブラッググレーティング（FBG）のグレーティングピッチ（グレーティング周期）に変化を引き起こす可能性があります。簡単に言えば、FBGを伸ばしたり圧縮したりします。

FBGインタロゲータを使用して、FBGの反射波長を測定できます。反射波長λBとFBGのグレーティングピッチΛの間には、式λB = 2neffΛ（neffはファイバーの実効屈折率）で表される相関関係があるため、反射波長を分析することでFBGにかかる張力または圧力を決定できます。これがFBGが応力を測定できる原理です。

(3). ファイバーブラッググレーティング（FBG）のひずみ測定原理 - FBGひずみセンサー（FBGひずみゲージ） - 長さの変化そのもの：

温度による変化であれ、加えられた力による変化であれ、最終的な現れはFBGの長さ（ひずみ）の変化です。式λB = 2neffΛにおいて、グレーティングピッチΛは小規模なFBGの長さを表します。したがって、FBGはひずみの測定に使用できます。

5. ファイバーブラッググレーティング（FBG）にとってパッケージングが重要な理由は？

DCYS の 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 センサーのセンシング ユニットは、ほとんどがシームレス鋼管に封入されたファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) で構成されています。

FBGにシームレス鋼管パッケージングを使用する主な理由は、FBGが非常に壊れやすく、FBGを搭載するファイバーも繊細だからです。適切なパッケージングと保護がなければ、FBGは実用的な用途ではほとんど使用できません。FBGを保護し、さまざまな過酷な環境で使用できる堅牢なFBGセンサーを製造する必要があります。これこそが私たちの得意とするところです。

 

図9

図10

 

 当社の理念は「OFSCN®で光ファイバーを強くしよう！」です。