ファイバブラッググレーティングセンシング原理 - FBG原理 - FBGセンサ原理 - FBG温度・ひずみ・応力・振動・形状センシング原理
この記事では説明します ファイバブラッググレーティング（FBG）センサの原理 「光波の反射と干渉」の基本概念に基づき、以下を含みます 温度測定、応力測定、ひずみ測定の原理 FBGを使用します。次に紹介します FBGセンサの動作原理 そして提供します FBGセンサ原理の模式図。
記事はさらに議論します FBG温度センサの正確な温度測定原理 そして正確なFBG温度計を使用して以下の原理を紹介します 温度を補正する の FBG応力センサ。この補正原理は以下にも適用可能です FBGひずみセンサ、 FBG形状センサ、およびその他の FBGセンサ。
最後に、記事は以下を説明します 違い 間の ファイバブラッググレーティングセンシング技術 および 分布型光ファイバセンシング技術 原理の観点から。
目次：
Ⅰ. 光波の反射と干渉の原理 - 音波の反射と重ね合わせと光波の反射と重ね合わせの類推。
Ⅱ. ファイバブラッググレーティングとは？ファイバブラッググレーティングは何ができるか？ファイバブラッググレーティングの原理（FBGファイバブラッググレーティング原理）。
Ⅲ. ファイバブラッググレーティングセンサとは？なぜファイバブラッググレーティングを封止する必要があるか？ファイバブラッググレーティングセンサの動作原理。
Ⅳ. ファイバブラッググレーティングセンサ原理ビデオ、ファイバブラッググレーティング原理ビデオ。
Ⅴ。ファイバブラッググレーティング温度センサは温度測定において正確ですか？ファイバブラッググレーティング温度センサ（FBG温度計）による正確な温度測定の原理。
Ⅵ。なぜファイバブラッググレーティング応力センサに温度補正が必要か？正確な測定のための温度補正の原理（FBGロードセル、FBG圧力センサ）。
Ⅶ。なぜファイバブラッググレーティングひずみセンサに温度補正が必要か？正確な測定のための温度補正の原理（FBGひずみゲージ）。
Ⅷ。ファイバブラッググレーティングセンサ、分布型光ファイバセンサの違いと関連、および分布型光ファイバセンシング技術との原理の違い。
この記事は原理の包括的な説明を提供します。理解を深めるために関心のあるセクションに焦点を当てることをお勧めします。
Ⅰ. 光波の反射と干渉の原理 - 音波の反射と重ね合わせと光波の反射と重ね合わせの類推。
1. ファイバブラッググレーティング（FBG）とファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ）の基本原理を理解する前に、なぜ光波の反射と干渉の原理を理解する必要があるのですか？
深く掘り下げる前に ファイバブラッググレーティング（FBG）の基本原理 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）、光波の反射と干渉の概念を把握することが不可欠です。
なぜなら、最も重要な部分は ファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ） 反射波の特定の波長を正確に検出することにあります。反射波の波長変化を分析することで、センサは監視対象の物理量（応力、ひずみ、温度など）の変動を測定できます。
光波は高周波で短波長のため、日常生活で直接観察するのは容易ではありません。理解を助けるために、音波を光波の類推として使用します。両方とも波ですが、一方は可聴で他方は不可聴です。
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection および interference, apply the same characteristics to light waves.
日常生活で次のような状況を経験したことがあるかもしれません：二つの壁や山に向かって叫ぶと、二つ以上のこだま（音波の反射）が聞こえます；位置を調整して叫び続けると、特定の位置（特定の条件を満たす）でこだまが一つに結合し、移動するとこだまの強さが変わることがあります。
大きなこだまは複数の反射からの正の干渉（音波の干渉）の結果であり、小さなこだまは複数の反射からの負の干渉（音波の干渉）によって引き起こされます。
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同様に、光波も音波と同様に、より小さなスケールでこれらの特性を示します。特定の条件（ブラッグ条件）が満たされると、 ファイバブラッググレーティング（FBG） を通過する光波は複数の反射を経験し、反射波の正の干渉（干渉）を引き起こします。
3. Further reading:
ファイバブラッググレーティング（FBG）とファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ）の基本原理の一つ：波の反射と干渉。
ファイバブラッググレーティング（FBG）とファイバブラッググレーティングセンサ（FBGセンサ）の基本原理Ⅰ：波の反射と干渉。
Ⅱ. ファイバブラッググレーティングとは？ファイバブラッググレーティングは何ができるか？ファイバブラッググレーティングの原理（FBGファイバブラッググレーティング原理）。
ファイバブラッググレーティング（FBG）は一種の 光ファイバグレーティング 均一で一定の グレーティング周期 （ファイバ周期性）を持ちます。 FBG の反射点間の距離は常に等しいです。FBGは様々な方法で製造でき、例えば マスクを使用した紫外線露光、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があります。単一点FBGまたは FBGストリング/アレイ （FBGアレイ）にすることができます。
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ファイバブラッググレーティングセンサを FBG復調器に接続することで、独立した反射波の波長を測定できます。 ファイバブラッググレーティング（FBG） が応力や温度の変化を経験すると、グレーティング周期（グレーティング周期性）が変化し、反射波の波長に変動が生じます。異なる波長が反射され、 ブラッグ波長。
ファイバーブラッググレーティング（FBG）のブラッグ波長の変化（ΔλB）は、ひずみ（Δε）と温度変化（ΔT）の両方に関係し、式は次のとおりです：ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT。
1. 温度センシングのためのファイバーブラッググレーティング（FBG）の原理—FBG温度センサー原理（FBG温度計）—熱膨張と収縮による長さの変化
環境において、 ファイバーブラッググレーティング （FBG）が配置されている場合、温度の変化は、 グレーティング周期 Λ（ファイバー周期）に規則的な変化を引き起こします。簡単に言えば、熱膨張と収縮です。
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| 図3 |
を使用することで、 ファイバーブラッググレーティング復調器の反射波長λBを測定できます。 FBG 反射波長λBとファイバーブラッググレーティングのグレーティング周期Λは対応関係（λB = 2neffΛ、ここでneffはファイバーの屈折率）を持つため、 ファイバーブラッググレーティング の温度は反射波長を理解することで決定できます。これがFBGを用いた温度センシングの原理です。
2. Principle of ファイバブラッググレーティング（FBG） for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
温度変化と同様に、力の変化も グレーティング周期 のΛ（ファイバー周期）に規則的な変化を引き起こします。 ファイバーブラッググレーティング （FBG）。簡単に言えば、伸縮です。
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| 図4 |
を使用することで、 ファイバーブラッググレーティング復調器、FBGの反射波長λBを測定できます。反射波長λBとファイバーブラッググレーティングのグレーティング周期Λは対応関係（λB = 2neffΛ、ここでneffはファイバーの屈折率）を持つため、ファイバーブラッググレーティング（FBG）に加わる力は反射波長を理解することで決定できます。これがFBGを用いて応力を測定する方法です。
3. ひずみセンシングのためのファイバーブラッググレーティング（FBG）の原理—FBGひずみセンサー（FBGひずみゲージ）—長さ自体の変化
温度や力によるファイバーブラッググレーティングの変化であれ、最終的な現れはファイバーブラッググレーティングの長さ（ひずみ）の変化です。式λB = 2neffΛにおいて、Λはファイバーブラッググレーティング自体のグレーティング周期（ファイバー周期）を表し、これは小さなスケールでのファイバーブラッググレーティングの長さです。したがって、ファイバーブラッググレーティングはひずみの測定に使用できます。
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4. 参考文献:
Ⅲ. ファイバーブラッググレーティングセンサーとは何か？なぜファイバーブラッググレーティングを封止する必要があるのか？ファイバーブラッググレーティングセンサーの動作原理。
しかし、 ファイバーブラッググレーティング （FBG）は温度、応力、ひずみの測定に使用できますが、その脆弱性のため、 ファイバブラッググレーティングセンサー （FBGセンサー）に封止してからでなければ使用できません。
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| 図6 |
DCYS は、ステンレス鋼のシームレスチューブと、 ファイバーブラッググレーティング (FBG) は特許取得済みの OFSCN® キャピラリー シリーズを生産します 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、以下を含みます： 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 （FBG温度計）、 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センサー （FBGロードセル、FBG圧力センサー）、および シームレス鋼管ファイバーブラッググレーティングひずみセンサー （FBGひずみゲージ）。
ステンレス鋼シームレスチューブによる保護は、ファイバーブラッググレーティングとファイバーの強度を大幅に向上させ、さまざまなファイバーブラッググレーティングセンサーの環境と用途の範囲を拡大します。
OFSCN® キャピラリ シリーズ シームレス鋼管ファイバー ブラッグ グレーティング センサーの動作原理は、FBG の原理と似ています。
1. ファイバーブラッググレーティング（FBG）と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）の原理図
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2. ファイバーブラッググレーティング（FBG）原理と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）原理の式
図3では、中央部分が ファイバーブラッググレーティング (FBG) またはカプセル化された OFSCN® キャピラリー シリーズのシームレス鋼管 ファイバブラッググレーティングセンサー （FBGセンサー）を表しています。広帯域入射光はセンサーの一端からファイバーに入り、ファイバーブラッググレーティング（FBG）に遭遇すると、さまざまな波長の光の大部分は透過光としてFBGを通過し、特殊な波長の光のごく一部が反射されます（この特殊な波長λBが測定したいパラメータであることに注意）。
λBとグレーティング周期Λの間には直接的な関係があり、数式で表されます：λB = 2neffΛ、ここでλは反射波長、neffはファイバーコアの実効屈折率、Λはグレーティング周期です。
次に、反射光はファイバーブラッググレーティング復調器（画像には表示されていません）に入り、波長信号λBに復調されます。センサーが測定機器に接続されているため、異なる時間に異なるテスト波長信号λBを得ることができます。
前の数式を通じて、なぜ次の瞬間に波長信号λが変化するのか（変化はΔλBで表される）を理解できます。根本的な理由は、ファイバーブラッググレーティングのグレーティング周期Λが変化した（変化はΔΛで表される）ことです。
3. ファイバーブラッググレーティング（FBG）と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）が温度、ひずみ、応力を測定する原理
さて、複雑な数学記号から離れて、現実の環境に戻りましょう。何が グレーティング周期 FBGのΛ（グレーティング周期）を変化させるのでしょうか？
すぐに2つの可能性が思い浮かぶかもしれません：
① 力： ファイバーブラッググレーティング （FBG）に引張を加えると伸び、圧縮を加えると縮みます。
② 温度： ファイバーブラッググレーティング （FBG）が加熱されると膨張し、冷却されると収縮します。
この過程で、賢明な人々は正確に検出できる波長信号を3つの基本的な物理パラメータと結び付けました： 力（引張、圧縮）、 長さ（伸び、縮み）、および 温度（加熱、冷却）。したがって、 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）は応力、ひずみ、温度を直接測定できます。
特定製品はOFSCN®キャピラリー継目無鋼管に対応 ファイバーブラッググレーティング応力センサー、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ひずみセンサーおよび 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。
4. 参考文献:
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 第2部 - ファイバーブラッググレーティングセンシング原理
Ⅳ. ファイバーブラッググレーティングセンサー原理動画、ファイバーブラッググレーティング原理動画：
Ⅴ. ファイバーブラッググレーティング温度センサーは温度測定において正確ですか？ファイバーブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）による正確な温度測定の原理。
1. ファイバーブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の正確な温度測定の原理の分析
温度と力の両方がファイバーブラッググレーティングの波長変化を引き起こす可能性があるため、 ファイバブラッググレーティング温度センサー （FBG温度計）が正確に温度を測定するためには、温度変化のみが封止されたファイバーブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）に影響を与え、張力や圧力の変化の影響を最小限に抑えるように設計されなければなりません。
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| 図8 | 図9 |
DCYSのOFSCN®キャピラリーシリーズシームレス鋼管 ファイバブラッググレーティング温度センサー （FBG温度計）は特許取得済みの封止技術を使用しており、温度測定中にファイバーブラッググレーティング（FBG）が自由な状態を保ち、外力の影響を受けず、正確な温度測定を実現します。
2. Further reading:
ファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の正確な温度測定の原理
3. 従来のファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の不正確な温度測定の原理の分析
従来のファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の温度測定が不正確である主な理由は、温度測定中に力の影響を遮蔽することが難しいためです。これは使用される封止方法に起因します。
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従来のファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）では、さまざまな材料や接着剤の使用により、FBGを力の影響から遮蔽することが困難です。
4. 参考文献:
従来のファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の欠点と力の分析 - 不正確な温度測定の理由
従来のファイバブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）の欠点と力の分析 - 不正確な温度測定の理由
Ⅵ. ファイバブラッググレーティング応力センサーに温度補償が必要な理由は？正確な測定のための温度補償の原理（FBGロードセル、FBG圧力センサー）。
ファイバブラッググレーティング（FBG）は力と温度の両方に敏感です。FBGに力が加わるか、環境温度が変化すると、それは グレーティング周期の変化として反映され、これは ファイバブラッググレーティングセンサー。
1. ファイバブラッググレーティング応力センサーの温度補償の原理
これは、 ファイバブラッググレーティング応力センサー を使用して正確な測定を達成するには、周囲温度が変化したかどうかを考慮する必要があります。式ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)から、温度が反射波長に与える影響を除去する必要があります。つまり、ΔT = 0（周囲温度を一定に保つ）か、ΔTの値（周囲温度変化の程度）を知る必要があります。このプロセスは ファイバブラッググレーティング応力センサーの温度補償。
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すでに同じ環境に ファイバブラッググレーティング温度センサー 正確な温度測定が可能なDCYS社製（FBG温度計）には、この正確な温度測定が可能なファイバーブラッググレーティング温度センサー（FBG温度計）と、 ファイバブラッググレーティング応力センサー （FBGロードセル、FBG圧力センサー）があるため、ΔTの正確な値を決定できます。
したがって、式ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)を使用して温度変化の影響を排除し、ファイバブラッググレーティング応力センサー（FBGロードセル、FBG圧力センサー）が張力と圧力を正確に測定できるようにします。
2. Further reading:
ファイバブラッググレーティング応力センサーの温度補償の原理と方式
Ⅶ. ファイバブラッググレーティングひずみセンサーに温度補償が必要な理由は？正確な測定のための温度補償の原理（FBGひずみゲージ）。
FBG応力センサーの温度補償の原理は、FBG形状センサー、FBGガスセンサー、FBG傾斜センサー、FBG圧力センサーなど、他のタイプのファイバブラッググレーティングセンサーにも適用されます。
Ⅷ. ファイバブラッググレーティングセンサーと分散型ファイバセンサーの違いと関連性、および分散型ファイバセンシング技術との原理の違い。
ファイバブラッググレーティングセンシング技術と光ファイバセンシング技術は包含的な概念であり、「ファイバブラッググレーティングセンサーと光ファイバセンサーは包含的な概念である」のと同様です。
ファイバブラッググレーティングセンシング技術は光ファイバセンシング技術の一種であり、ファイバブラッググレーティングセンサーは光ファイバセンサーの一種です。ファイバブラッググレーティングセンシング技術の基本原理は本稿で説明済みのため、ここでは繰り返しません。
1. 分散型光ファイバセンシング技術の原理と図
分散型光ファイバセンサーとファイバブラッググレーティングセンサーは同じカテゴリの光ファイバセンサーに属します。ただし、FBGセンサーとは異なり、一般的な分散型光ファイバセンシング技術は、ファイバ内のさまざまな散乱強度、周波数、位相情報に基づき、ファイバ自体をセンシングユニットとして使用します。
測定される物理量はファイバに依存するだけでなく、変調復調装置やアルゴリズムにも大きく依存します。測定される物理量は、多くの場合、ファイバ上の特定の位置における物理量の平均値です（例：10kmファイバ上の1mごとの平均温度）。センシング原理は以下の図から理解できます。
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同様に、光ファイバセンシング装置から発せられた広帯域光は左から右へファイバに入射し、ファイバ内の固有の不純物により、伝搬中に光が散乱します。
光の粒子がファイバ内の不純物と衝突し、さまざまな方向に異なる周波数で散乱すると考えることができます。これらの散乱光信号は総称して散乱光と呼ばれ、次の3種類があります。 レイリー散乱、 ラマン散乱、および ブリルアン散乱で、異なる周波数特性に基づきます。
これらの散乱光信号は通常、ファイバが設置された環境の位置、温度、応力、ひずみ、振動などの物理量に関連しています。そのため、ファイバ内の散乱光信号の変化を測定することでこれらの物理量を測定するためのさまざまな装置が開発されています。
2. 参考文献:
分散型光ファイバセンシング技術とファイバブラッググレーティングセンシング技術の原理の違い
3. ファイバブラッググレーティングセンシング技術と分散型光ファイバセンシング技術の原理の違いに関する動画：