Princípio de Sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra - Princípio FBG - Princípio do Sensor FBG - Princípio de Sensoriamento de Temperatura, Deformação, Tensão, Vibração e Forma FBG
Este artigo explica o princípio dos sensores de Rede de Bragg em Fibra (FBG) com base no conceito fundamental de 'reflexão e interferência de ondas de luz', incluindo os princípios de medição de temperatura, medição de tensão e medição de deformação usando FBGs. Em seguida, apresenta o princípio de funcionamento dos sensores FBG e fornece um diagrama esquemático do princípio do sensor FBG.
O artigo discute ainda o princípio de medição precisa de temperatura dos sensores de temperatura FBG e introduz o princípio do uso de termômetros FBG precisos para compensar a temperatura de sensores de tensão FBG. Este princípio de compensação também é aplicável a sensores de deformação FBG, sensores de forma FBG, e outros sensores FBG.
Finalmente, o artigo explica as diferenças entre tecnologia de sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra e tecnologia de sensoriamento distribuído por fibra em termos de princípios.
Índice:
Ⅶ. Por que a Compensação de Temperatura é Necessária para Sensores de Deformação de Rede de Bragg em Fibra? O Princípio da Compensação de Temperatura (Extensômetro FBG) para Medição Precisa.
O artigo fornece explicações abrangentes dos princípios. Recomenda-se focar nas seções de interesse para melhor compreensão.
Ⅰ. Princípio da Reflexão e Interferência de Ondas de Luz - Analogia entre a Reflexão e Superposição de Ondas Sonoras e a Reflexão e Superposição de Ondas de Luz.
1. Por que é necessário entender o princípio da reflexão e interferência de ondas de luz antes de compreender os princípios básicos da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e dos sensores de Rede de Bragg em Fibra (sensores FBG)?
Antes de mergulhar nos princípios básicos da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e sensores de Rede de Bragg em Fibra (sensores FBG), é essencial compreender os conceitos de reflexão e interferência de ondas de luz.
Isso porque a parte mais crucial de um sensor de Rede de Bragg em Fibra (sensor FBG) reside na detecção precisa de certos comprimentos de onda específicos das ondas refletidas. Ao analisar as mudanças de comprimento de onda nas ondas refletidas, o sensor pode medir as variações da grandeza física monitorada, como tensão, deformação ou temperatura.
Como as ondas de luz têm altas frequências e comprimentos de onda curtos, elas não são facilmente observadas diretamente em nosso cotidiano. Para facilitar a compreensão, usarei ondas sonoras como analogia às ondas de luz—ambas são ondas, embora uma seja audível e a outra não.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection e interference, apply the same characteristics to light waves.
Na vida diária, você pode ter experimentado a seguinte situação: ao gritar de frente para duas paredes ou duas montanhas, você ouve dois ou mais ecos (reflexão de ondas sonoras); se ajustar sua posição e continuar gritando, ouvirá os ecos se combinarem em um único eco em posições específicas (satisfazendo certas condições), e ao se mover, os ecos podem variar em intensidade.
O eco alto é resultado da interferência positiva (interferência de ondas sonoras) de múltiplas reflexões, enquanto o eco mais suave é causado pela interferência negativa (interferência de ondas sonoras) de múltiplas reflexões.
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Da mesma forma, as ondas de luz, como as ondas sonoras, também exibem essas propriedades em uma escala menor. Quando certas condições (condições de Bragg) são atendidas, as ondas de luz que passam por uma Rede de Bragg em Fibra (FBG) experimentarão múltiplas reflexões, levando à interferência positiva (interferência) das ondas refletidas.
3. Further reading:
Um dos princípios básicos da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e dos sensores de Rede de Bragg em Fibra (sensores FBG): Reflexão e interferência de ondas.
Princípios básicos da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e dos sensores de Rede de Bragg em Fibra (sensores FBG) Ⅰ: Reflexão e interferência de ondas.
Ⅱ. O que são Redes de Bragg em Fibra? O que as Redes de Bragg em Fibra podem fazer? O Princípio das Redes de Bragg em Fibra (Princípio FBG).
Rede de Bragg em Fibra (FBG) é um tipo de grade de fibra óptica com um período de grade (periodicidade da fibra). A distância entre os pontos de reflexão da FBG é sempre igual. FBGs podem ser produzidas por vários métodos, como exposição a luz ultravioleta usando uma máscara, ataque químico, ou escrita ponto a ponto com laser de femtossegundo, etc. Podem ser FBGs de ponto único ou strings/arrays FBG (matrizes FBG).
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Ao conectar um sensor de Rede de Bragg em Fibra a um demodulador FBG, pode-se medir o comprimento de onda das ondas refletidas independentes. Quando a Rede de Bragg em Fibra (FBG) sofre mudanças na tensão ou temperatura, o período da grade (periodicidade da grade) mudará, levando a variações no comprimento de onda das ondas refletidas. Diferentes comprimentos de onda serão refletidos, permitindo a medição da mudança na Comprimento de onda de Bragg.
A mudança no comprimento de onda de Bragg (ΔλB) de uma Rede de Bragg em Fibra (FBG) está relacionada tanto à deformação (Δε) quanto à mudança de temperatura (ΔT), e a fórmula é a seguinte: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Princípio da Rede de Bragg em Fibra (FBG) para Sensoriamento de Temperatura—Princípio do Sensor de Temperatura FBG (Termômetro FBG)—Mudança de Comprimento devido à Expansão e Contração Térmica
No ambiente onde a Rede de Bragg em Fibra (FBG) está localizada, mudanças de temperatura causarão variações regulares no período de grade Λ (periodicidade da fibra) da FBG. Em termos simples, é expansão e contração térmica.
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Usando um demodulador de Rede de Bragg em Fibra, o comprimento de onda refletido λB da FBG pode ser medido. Como o comprimento de onda refletido λB e o período da grade Λ da Rede de Bragg em Fibra têm uma relação correspondente (λB = 2neffΛ, onde neff é o índice de refração da fibra), a temperatura da Rede de Bragg em Fibra pode ser determinada entendendo o comprimento de onda refletido. Este é o princípio do sensoriamento de temperatura usando FBGs.
2. Principle of Rede de Bragg em Fibra (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Semelhante às mudanças de temperatura, variações na força também causarão mudanças regulares no período de grade Λ (periodicidade da fibra) da Rede de Bragg em Fibra (FBG). Em termos simples, é esticar ou comprimir.
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Usando um demodulador de Rede de Bragg em Fibra, o comprimento de onda refletido λB da FBG pode ser medido. Como o comprimento de onda refletido λB e o período da grade Λ da Rede de Bragg em Fibra têm uma relação correspondente (λB = 2neffΛ, onde neff é o índice de refração da fibra), a força aplicada à Rede de Bragg em Fibra (FBG) pode ser determinada entendendo o comprimento de onda refletido. É assim que as FBGs podem ser usadas para medir tensão.
3. Princípio da Rede de Bragg em Fibra (FBG) para Sensoriamento de Deformação—Sensor de Deformação FBG (Extensômetro FBG)—Mudança de Comprimento em Si
Seja a variação na Rede de Bragg em Fibra devido à temperatura ou força, a manifestação final é a mudança no comprimento da Rede de Bragg em Fibra (deformação). Na fórmula λB = 2neffΛ, Λ representa o período da grade (periodicidade da fibra) da própria Rede de Bragg em Fibra, que é o comprimento da Rede de Bragg em Fibra em uma pequena escala. Portanto, Redes de Bragg em Fibra podem ser usadas para medir deformação.
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4. Leitura adicional:
III. O que é um Sensor de Rede de Bragg em Fibra? Por que precisamos encapsular Redes de Bragg em Fibra? O Princípio de Funcionamento dos Sensores de Rede de Bragg em Fibra.
Embora Rede de Bragg em Fibra (FBG) possa ser usada para medir temperatura, tensão e deformação, ela deve ser encapsulada em um sensor de Rede de Bragg em Fibra (sensor FBG) antes de ser usada devido à sua fragilidade inerente.
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DCYS combina de forma criativa tubos sem costura de aço inoxidável com Redes de Bragg em Fibra (FBG) para produzir a série capilar patenteada OFSCN® sensores de Rede de Bragg em Fibra de tubo de aço sem costura, incluindo sensores de temperatura de Rede de Bragg em Fibra de tubo de aço sem costura (termômetros FBG), sensores de tensão de Rede de Bragg em Fibra de tubo de aço sem costura (células de carga FBG, sensores de pressão FBG), e sensores de deformação de Rede de Bragg em Fibra de tubo de aço sem costura (extensômetros FBG).
A proteção fornecida pelo tubo de aço inoxidável sem costura aumenta significativamente a resistência da Rede de Bragg em Fibra e da fibra, expandindo a gama de ambientes e aplicações para vários sensores de Rede de Bragg em Fibra.
O princípio de funcionamento dos sensores de grade de Bragg de tubo de aço sem costura da série capilar OFSCN® é semelhante ao princípio do FBG.
1. Diagrama de Princípio da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e do Sensor de Rede de Bragg em Fibra (Sensor FBG)
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2. Fórmula do Princípio da Rede de Bragg em Fibra (FBG) e do Princípio do Sensor de Rede de Bragg em Fibra (Sensor FBG)
Na Imagem 3, a parte do meio representa um Rede de Bragg em Fibra (FBG) ou um tubo de aço sem costura da série capilar OFSCN® encapsulado sensor de Rede de Bragg em Fibra (sensor FBG). A luz incidente de banda larga entra na fibra por uma extremidade do sensor e, quando encontra a Rede de Bragg em Fibra (FBG), a maior parte da luz com vários comprimentos de onda passa pela FBG como luz transmitida, enquanto uma pequena porção de comprimentos de onda especiais é refletida de volta (note que este comprimento de onda especial, representado por λB, é o parâmetro que queremos medir).
Existe uma relação direta entre λB e o período da grade Λ, representada pela expressão matemática: λB = 2neffΛ, onde λ é o comprimento de onda refletido, neff é o índice de refração efetivo do núcleo da fibra e Λ é o período da grade.
Em seguida, a luz refletida entra no demodulador de Rede de Bragg em Fibra (não rotulado na imagem) e é demodulada no sinal de comprimento de onda λB. Como o sensor está conectado ao equipamento de medição, podemos obter diferentes sinais de comprimento de onda de teste λB em diferentes momentos.
Através da expressão matemática anterior, podemos entender por que o sinal de comprimento de onda λ muda no momento seguinte (mudança representada por ΔλB)? A razão fundamental é que o período da grade Λ da Rede de Bragg em Fibra mudou (mudança representada por ΔΛ).
3. Princípios de Como a Rede de Bragg em Fibra (FBG) e o Sensor de Rede de Bragg em Fibra (Sensor FBG) Medem Temperatura, Deformação e Tensão
Agora, podemos sair dos símbolos matemáticos complexos e voltar ao ambiente do mundo real. O que pode causar a período de grade Λ (periodicidade da grade) da FBG a mudar?
Você pode pensar imediatamente em duas possibilidades:
① Força: Quando você aplica tensão à Rede de Bragg em Fibra (FBG), ela se alonga; quando você aplica compressão, ela se contrai.
② Temperatura: Quando a Rede de Bragg em Fibra (FBG) é aquecida, ela se expande; quando esfria, ela se contrai.
Neste processo, pessoas inteligentes conectaram o sinal de comprimento de onda que pode ser detectado com precisão a três parâmetros físicos fundamentais: força (tração, compressão), comprimento (alongamento, contração), e temperatura (aquecimento, resfriamento). Portanto, sensores de Rede de Bragg em Fibra (sensores FBG) podem medir diretamente tensão, deformação e temperatura.
Produtos específicos correspondem ao tubo capilar de aço sem costura OFSCN® sensores de tensão de Rede de Bragg em Fibra, tubo de aço sem costura capilar OFSCN® sensores de deformação de Rede de Bragg em Fibrae tubo capilar de aço sem costura OFSCN® sensores de temperatura de Rede de Bragg em Fibra.
4. Leitura adicional:
Princípios Básicos dos Sensores de Rede de Bragg em Fibra Parte 2 - Princípios de Sensoriamento de Rede de Bragg em Fibra
IV. Vídeo do Princípio do Sensor de Rede de Bragg em Fibra, Vídeo do Princípio da Rede de Bragg em Fibra:
V. Os Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra são Precisos na Medição de Temperatura? O Princípio da Medição Precisa de Temperatura pelos Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra (Termômetro FBG).
1. Análise do Princípio da Medição Precisa de Temperatura para o Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra (Termômetro FBG)
Como tanto a temperatura quanto a força podem causar mudanças no comprimento de onda da Rede de Bragg em Fibra, para que o Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra (Termômetro FBG) meça a temperatura com precisão, ele deve ser projetado de forma que apenas variações de temperatura afetem o Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra encapsulado (Termômetro FBG), e a influência de variações de tração e pressão seja minimizada.
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Tubo de aço sem costura da série capilar OFSCN® da DCYS Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra (Termômetro FBG) usa tecnologia de encapsulamento patenteada, garantindo que a Rede de Bragg em Fibra (FBG) permaneça em estado livre durante as medições de temperatura, não influenciada por forças externas, e assim alcançando medições precisas de temperatura.
2. Further reading:
3. Análise do Princípio da Medição Imprecisa de Temperatura para o Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra Tradicional (Termômetro FBG)
A principal razão para a medição imprecisa de temperatura dos Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra tradicionais (Termômetros FBG) é que é desafiador blindar os efeitos das forças durante a medição de temperatura. Isso se deve ao método de encapsulamento utilizado.
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Nos Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra tradicionais (Termômetros FBG), o uso de vários materiais e adesivos dificulta a blindagem do FBG contra a influência das forças.
4. Leitura adicional:
Desvantagens e Análise de Força dos Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra Tradicionais (Termômetros FBG) - Razões para a Medição Imprecisa de Temperatura
Desvantagens e Análise de Força dos Sensores de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra Tradicionais (Termômetros FBG) - Razões para a Medição Imprecisa de Temperatura
Ⅵ. Por que a Compensação de Temperatura é Necessária para Sensores de Tensão de Rede de Bragg em Fibra? O Princípio da Compensação de Temperatura (Célula de Carga FBG, Sensor de Pressão FBG) para Medição Precisa.
A Rede de Bragg em Fibra (FBG) é sensível tanto à força quanto à temperatura. Se a Rede de Bragg em Fibra está sob força ou a temperatura ambiente muda, isso se reflete como mudanças no período de grade, que corresponde à ocorrência de deformação no sensor de Rede de Bragg em Fibra.
1. Princípio da Compensação de Temperatura para Sensores de Tensão de Rede de Bragg em Fibra
Isso significa que quando você deseja usar um Sensor de Tensão de Rede de Bragg em Fibra para obter medições precisas, você deve considerar se a temperatura ambiente mudou. Você precisa eliminar a influência da temperatura no comprimento de onda refletido a partir da fórmula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ). Em outras palavras, você precisa manter ΔT = 0 (manter uma temperatura ambiente constante) ou saber o valor de ΔT (conhecer a extensão da mudança de temperatura ambiente). Esse processo é chamado de compensação de temperatura para Sensores de Tensão de Rede de Bragg em Fibra.
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Como já temos um Sensor de Temperatura de Rede de Bragg em Fibra (Termômetro FBG) produzido pela DCYS que pode medir a temperatura com precisão, podemos colocar este sensor de temperatura de rede de Bragg de fibra de medição precisa (termômetro FBG) e o Sensor de Tensão de Rede de Bragg em Fibra (Célula de Carga FBG, Sensor de Pressão FBG) no mesmo ambiente para determinar o valor exato de ΔT.
Consequentemente, podemos usar a fórmula ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) para eliminar a influência das mudanças de temperatura, permitindo que o Sensor de Tensão de Rede de Bragg em Fibra (Célula de Carga FBG, Sensor de Pressão FBG) meça com precisão a tensão e a pressão.
2. Further reading:
Princípio e Esquema de Compensação de Temperatura para Sensores de Tensão de Rede de Bragg em Fibra
Ⅶ. Por que a Compensação de Temperatura é Necessária para Sensores de Deformação de Rede de Bragg em Fibra? O Princípio da Compensação de Temperatura (Extensômetro FBG) para Medição Precisa.
O princípio da compensação de temperatura para Sensores de Tensão FBG também se aplica a outros tipos de sensores de Rede de Bragg em Fibra, como Sensores de Forma FBG, Sensores de Gás FBG, Sensores de Inclinação FBG, Sensores de Pressão FBG, etc.
Ⅷ. Diferenças e Conexões entre Sensores de Rede de Bragg em Fibra, Sensores de Fibra Distribuídos e as Diferenças de Princípio da Tecnologia de Sensoriamento por Fibra Distribuída.
A tecnologia de sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra e a tecnologia de sensoriamento por Fibra Óptica são conceitos inclusivos, assim como 'sensores de Rede de Bragg em Fibra e sensores de Fibra Óptica são conceitos inclusivos.'
A tecnologia de sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra é um tipo de tecnologia de sensoriamento por Fibra Óptica, e os sensores de Rede de Bragg em Fibra são um tipo de sensores de Fibra Óptica. Os princípios básicos da tecnologia de sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra foram discutidos neste texto e não serão repetidos aqui.
1. Princípio e Diagrama da Tecnologia de Sensoriamento por Fibra Óptica Distribuída
Os sensores de Fibra Óptica Distribuída e os sensores de Rede de Bragg em Fibra pertencem à mesma categoria de sensores de Fibra Óptica. No entanto, ao contrário dos sensores de Rede de Bragg em Fibra, a tecnologia comum de sensoriamento por Fibra Óptica Distribuída é baseada em várias informações de intensidade, frequência e fase de espalhamento dentro da fibra e utiliza a fibra como unidade de sensoriamento.
As grandezas físicas medidas não dependem apenas da fibra, mas também dependem mais de dispositivos e algoritmos de modulação-demodulação. As grandezas físicas medidas são frequentemente os valores médios de grandezas físicas em posições específicas ao longo da fibra (por exemplo, a temperatura média a cada 1 metro em uma fibra de 10 quilômetros). O princípio de sensoriamento pode ser entendido a partir do diagrama abaixo:
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Da mesma forma, a luz de banda larga emitida pelo dispositivo de sensoriamento de Fibra Óptica entra na fibra da esquerda para a direita e, devido às impurezas inerentes à fibra, a luz se espalha durante a propagação.
Você pode pensar nas partículas de luz colidindo com as impurezas na fibra, resultando em partículas se espalhando em várias direções, com diferentes frequências. Esses sinais de luz espalhada são coletivamente chamados de luz espalhada, e existem três tipos: Espalhamento Rayleigh, Espalhamento Raman, e Espalhamento Brillouin, com base em diferentes características de frequência.
Esses sinais de luz espalhada estão tipicamente relacionados à posição, temperatura, tensão, deformação, vibração e outras grandezas físicas do ambiente onde a fibra está localizada. Portanto, vários dispositivos foram desenvolvidos para medir essas grandezas físicas medindo mudanças nos sinais de luz espalhada dentro da fibra.
2. Leitura adicional:
3. Vídeo sobre a Diferença de Princípio entre a Tecnologia de Sensoriamento por Rede de Bragg em Fibra e a Tecnologia de Sensoriamento por Fibra Óptica Distribuída: