광섬유 브래그 격자 감지 기술 백과사전 - FBG FAQ - FBG 센서 FAQ - FBG 복조기 FAQ - FBG 일반 응용 문제 분석

이 글은 광섬유 브래그 격자(FBG)의 개념을 소개하고 FBG가 어떻게 작동하는지 설명합니다. 브래그 조건 공식을 사용하여 FBG의 원리를 설명하고 FBG 센서의 해당 물리적 다이어그램을 제공합니다.

It also highlights that many OFSCN® capillary seamless steel tube fiber bragg grating sensors, including FBG temperature sensors (thermometers), FBG strain sensors (strain gauges), and FBG stress sensors (tensile gauges), are made using FBGs. The article presents the packaging FBG 센서의 원리 as well.

 

1. 격자란 무엇인가?  

규칙적인 간격으로 배열된 수많은 평행 슬릿으로 구성된 광학 장치를 격자라고 합니다. 가장 일반적인 유형은 동일한 폭과 간격을 가진 슬릿을 가진 등거리 격자입니다.

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그림 1

이러한 격자는 종종 유리판, 금속판 또는 플라스틱판에 제작됩니다. 슬릿은 불투명하거나 부분적으로 투명할 수 있으며, 슬릿 사이의 매끄러운 부분은 일반적으로 투명합니다.

잘 설계된 격자는 1cm 너비 내에 수천 또는 수만 개의 슬릿을 가질 수 있습니다. 격자 간격(격자 주기)이 빛의 파장에 가깝기 때문에 빛 파동의 회절 또는 투과가 발생합니다.

투과광 회절을 이용하는 격자를 투과 격자라고 하며, 금속 코팅 표면에 평행 슬릿이 있는 것과 같이 반사광 회절을 이용하는 격자를 반사 격자라고 합니다.

 

2. 광섬유 격자란 무엇인가요? 광섬유 브래그 격자(FBG)란 무엇인가요?

앞서 언급된 평행 슬릿의 규칙적인 간격이 감광성 재료를 사용하여 광섬유 코어에 새겨지면, 이것이 광섬유 브래그 격자(FBG)가 됩니다.

균일하고 일정한 격자 간격(격자 주기)을 가진 광섬유 격자는 FBG라고도 불리며, 반사되는 파장은 매우 좁고 반사 지점 간의 거리는 항상 동일합니다. 이 격자에는 특정 파장에 대한 수많은 반사 지점이 포함됩니다.

FBG는 마스크를 이용한 UV 노출, 화학적 식각 또는 펨토초 레이저 점대점 기록과 같은 방법으로 제작될 수 있습니다. 다음은 FBG의 개략도 및 물리적 다이어그램입니다.

그림 2

그림 3

그림 4

 

3. 광섬유 브래그 격자 스트링/어레이란 무엇인가요?

A flexible characteristic of FBGs is the ability to achieve multi-point sensing. In theory, multiple FBGs with different wavelengths can be inscribed within a single sensor, allowing for distributed measurements of one or more physical parameters. The fiber with multiple inscribed FBGs is called a fiber Bragg grating string/array (FBGs) (corresponding to OFSCN® capillary seamless steel tube Distributed Fiber Bragg Grating Sensors).

예를 들어, 그림 5는 9개의 서로 다른 파장 FBG를 가진 광섬유를 보여주며, 9개의 다른 지점에서 동시 측정이 가능합니다.

그림 5

그림 6

그림 7 (위 그림은 광 스펙트럼 분석기에서 8가지 다른 파장을 가진 FBG 어레이의 파장 분포를 보여줍니다.)

 

4. 광섬유 브래그 격자 원리

두 개의 반사 지점이 브래그 조건에 따라 정확하게 일치할 때, 해당 파장을 가진 광학 신호는 격자에 의해 반사되며, 다른 파장은 크게 반사되지 않습니다.

그림 8

 

FBG 복조기를 연결하여 독립적으로 반사된 파장의 길이를 측정할 수 있습니다. FBG가 응력이나 온도 변화를 받으면 격자 간격(격자 주기)과 반사된 파장의 길이가 변합니다. 이러한 변화는 반사된 파장을 분석하여 측정할 수 있습니다.

FBG의 파장 변화는 변형률 및 온도 변화와 관련이 있으며 다음 공식으로 표현될 수 있습니다: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.

 

(1). FBG의 온도 측정 원리 - FBG 온도 센서 원리 (FBG 온도계) - 열팽창 및 수축으로 인한 길이 변화

FBG가 위치한 환경에서 온도 변화는 FBG의 격자 간격(Λ)에 주기적인 변화를 일으키며, 이는 열팽창 및 수축으로 인한 것입니다.

FBG 복조기를 사용하여 FBG의 반사 파장(λB)을 측정할 수 있습니다. 반사 파장(λB)과 격자 간격(Λ) 사이에는 λB = 2neffΛ로 표현되는 관계가 있으며, 여기서 neff는 광섬유의 유효 굴절률입니다. 따라서 반사 파장을 분석하여 FBG의 온도를 결정할 수 있습니다. 이것이 격자 온도 측정의 원리입니다.

(2) . 광섬유 브래그 격자(FBG)의 응력 측정 원리 - FBG 응력 센서 (FBG 변형률 게이지, FBG 인장 게이지, FBG 압력 게이지, FBG 철근 게이지) - 자체 길이 변화:

온도 변화와 유사하게, 힘의 변화 또한 광섬유 브래그 격자(FBG)의 격자 피치(격자 주기)에 변화를 일으킬 수 있습니다. 간단히 말해, FBG를 늘리거나 압축할 수 있습니다.

FBG 복조기를 사용하여 FBG의 반사 파장을 측정할 수 있습니다. FBG의 반사 파장 λB와 격자 피치 Λ 사이에는 λB = 2neffΛ로 표현되는 상관관계가 있으며, 여기서 neff는 광섬유의 유효 굴절률입니다. 따라서 반사 파장을 분석하여 FBG에 가해진 인장 또는 압력을 결정할 수 있습니다. 이것이 FBG가 응력을 측정하는 능력의 원리입니다.

(3). 광섬유 브래그 격자(FBG)의 변형률 측정 원리 - FBG 변형률 센서 (FBG 변형률 게이지) - 자체 길이 변화:

온도에 의해 유도된 변화든 가해진 힘에 의해 유발된 변화든, 궁극적인 발현은 FBG의 길이(변형률) 변화입니다. 공식 λB = 2neffΛ에서 격자 피치 Λ는 작은 규모에서 FBG의 길이를 나타냅니다. 따라서 FBG는 변형률을 측정하는 데 사용될 수 있습니다.

5. 광섬유 브래그 격자(FBG)에 패키징이 중요한 이유는 무엇인가요?

The sensing units of OFSCN® capillary seamless steel tube fiber bragg grating sensors from DCYS, mostly consist of Fiber Bragg Gratings (FBGs) encapsulated in seamless steel tubes.

FBG에 무봉제 강철 튜브 패키징을 사용하는 주된 이유는 FBG가 매우 깨지기 쉬우며 FBG를 운반하는 광섬유도 섬세하기 때문입니다. 적절한 패키징과 보호 없이는 FBG가 실제 응용 분야에서 거의 사용할 수 없습니다. 다양한 까다로운 환경에서 사용하기 위해 FBG를 보호하고 견고한 FBG 센서를 제조하는 것이 필요합니다. 이것이 바로 우리가 잘하는 일입니다.

 

그림 9

그림 10

 

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