Enciclopédia de Tecnologia de Sensoriamento de Rede de Bragg em Fibra - FAQ FBG - FAQ Sensor FBG - FAQ Demodulador FBG - Análise de Problemas Comuns de Aplicação FBG

Este artigo explica os princípios básicos do FBG com base em ondas ópticas reais. Ajuda os leitores a compreender os mecanismos subjacentes dos sensores FBG, sensores de deformação FBG e sensores de temperatura FBG. Este artigo serve como uma introdução preliminar aos sensores FBG de tubo de aço sem costura capilar OFSCN® produzidos pela DCYS.

No artigo anterior, 'Princípios Básicos das Redes de Bragg em Fibra e Sensores de Rede de Bragg em Fibra - Parte 1: Reflexão e Interferência de Ondas,' usamos ondas sonoras como analogia para entender os princípios dos sensores FBG de tubo capilar de aço sem costura OFSCN®, especificamente a reflexão e interferência (interferência) de ondas.

Hoje, com base nesse fundamento, apresentaremos os princípios básicos dos sensores FBG (incluindo os princípios FBG). Este artigo também é um artigo de divulgação científica e não um artigo de pesquisa. Se alguém encontrar algum erro neste artigo, por favor, aponte-o gentilmente.

Imagem 1

1. Rede de Bragg em Fibra (FBG) no Sensor de Rede de Bragg em Fibra (Sensor FBG)

O Sensor FBG é um tipo de sensor de fibra óptica. O processo de sensoriamento é baseado na modulação do comprimento de onda da FBG por parâmetros físicos externos para obter informações de sensoriamento. É um sensor de fibra óptica de modulação de comprimento de onda.

A imagem acima mostra um diagrama esquemático de um núcleo de fibra óptica com uma FBG (diâmetro real de 9 micrômetros). Usando métodos como exposição à luz UV através de uma fotomáscara, inscrição ponto a ponto com laser de femtossegundo ou outras técnicas de processamento, numerosas superfícies de reflexão fraca (não discutiremos grades mais complexas aqui) com o mesmo espaçamento são formadas no núcleo da fibra óptica. Essas superfícies de reflexão fraca são chamadas de grades de fibra óptica, e a distância entre cada superfície de reflexão fraca é referida como passo da grade ou período da grade (representado pelo símbolo Λ - lembre-se deste símbolo, pois será usado no texto a seguir).

Imagem 2

2. Princípios de Sensoriamento da FBG e do Sensor FBG

Medições básicas de sensoriamento podem ser realizadas usando a FBG mencionada acima. O princípio é mostrado na Imagem 3.

Imagem 3

3. Fomula of FBG e FBG Sensor Principle

A seção intermediária da Imagem 3 representa um FBG ou um sensor FBG de tubo de aço sem costura capilar encapsulado OFSCN®. A luz incidente de banda larga entra no sensor FBG por uma extremidade da grade. Quando a luz encontra o FBG, a maioria dos comprimentos de onda da luz passa através do FBG como luz transmitida, enquanto uma pequena porção de comprimentos de onda específicos da luz é refletida de volta (observe esses comprimentos de onda específicos, que são o objeto de nossa detecção e são representados por λB). Existe uma relação direta entre λB e o passo da grade (período da grade) Λ que mencionamos anteriormente, expresso pela fórmula matemática: λB = 2neffΛ, onde λ representa o comprimento de onda refletido, neff é o índice de refração do núcleo da fibra óptica e Λ é o passo da grade (período da grade).

A luz refletida então entra no demodulador FBG (não rotulado no diagrama) e é demodulada em um sinal de comprimento de onda λB. Como o sensor FBG está conectado ao dispositivo de sensoriamento FBG, podemos obter um sinal de comprimento de onda de teste diferente λB a cada momento. A partir da expressão matemática anterior, podemos entender por que o sinal de comprimento de onda λ retornado no momento seguinte muda (representado por ΔλB). A razão fundamental é que o passo da grade (período da grade) Λ da grade de fibra óptica mudou (representado por ΔΛ).

4. Princípios da FBG e do Sensor FBG para Medição de Temperatura, Deformação e Tensão

Agora, vamos nos afastar dos símbolos matemáticos complexos e imaginar cenários do mundo real. O que pode causar uma mudança no passo da grade (período da grade) Λ?

Você já deve ter adivinhado a primeira razão possível: força. Quando você aplica tensão à FBG, ela se alonga, e quando aplica compressão, ela se contrai.

A segunda razão possível é a temperatura. A FBG se expande quando aquecida, fazendo com que se alongue, e se contrai quando resfriada, fazendo com que encolha.

Durante esse processo, indivíduos inteligentes associaram os sinais de comprimento de onda detectáveis ​​com precisão a três parâmetros físicos básicos: força (tensão, compressão), comprimento (alongamento, contração) e temperatura (aquecimento, resfriamento). Portanto, as grandezas físicas básicas que os sensores FBG podem medir diretamente incluem tensão, deformação e temperatura (correspondendo aos sensores de tensão FBG de tubo de aço sem costura capilar OFSCN®, sensores de deformação FBG de tubo de aço sem costura capilar OFSCN® e sensores de temperatura FBG de tubo de aço sem costura capilar OFSCN®, respectivamente).

Figura 4

Como um artigo introdutório sobre o sensor FBG da série de tubos de aço sem costura capilar OFSCN®, simplificamos os cálculos matemáticos e consideramos as mudanças de comprimento de onda causadas por tensão, deformação e temperatura. O processo de cálculo matemático para mudanças de comprimento de onda é mais complexo do que a simples equação 'λB = 2neffΛ' que apresentamos anteriormente. Esta complexidade surge porque o índice de refração neff do núcleo da fibra óptica também é uma variável. A fórmula geral é a seguinte: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT, mas não nos aprofundaremos nisso aqui.

A este ponto, você pode ter adquirido um certo entendimento dos princípios de funcionamento das FBGs e dos sensores FBG. Então, que outros desafios existem na transição da FBG teórica para os Sensores FBG encapsulados práticos? Como esses desafios podem ser abordados? Discutiremos isso nas seções seguintes, então fique ligado!

Nossa filosofia é: 'OFSCN®, torne a fibra óptica mais forte!'

Anexo 1:

Introdução ao vídeo relacionado: