Энциклопедия технологии волоконных решеток Брэгга - Часто задаваемые вопросы по FBG - Часто задаваемые вопросы по датчикам FBG - Часто задаваемые вопросы по демодуляторам FBG - Анализ типичных проблем применения FBG

Эта статья знакомит с концепцией волоконной решетки Брэгга (FBG) и объясняет, как работает FBG. В ней объясняется принцип FBG с использованием формулы условия Брэгга и приводятся соответствующие физические схемы датчиков FBG.

В нем также подчеркивается, что многие датчики Брэгга с капиллярными бесшовными стальными трубками OFSCN®, включая датчики температуры ВБР (термометры), датчики деформации ВБР (тензорезисторы) и датчики напряжения ВБР (датчики растяжения), изготовлены с использованием ВБР. В статье также представлен принцип упаковки датчиков ВБР.

1. Что такое решетка?  

Оптическое устройство, состоящее из множества параллельных щелей с регулярным шагом, называется решеткой. Наиболее распространенным типом является равноотстоящая решетка с щелями одинаковой ширины и шага.

Рисунок 1

Эти решетки часто изготавливаются на стеклянных пластинах, металлических листах или пластиковых панелях. Щели могут быть непрозрачными или частично прозрачными, а гладкие участки между щелями обычно прозрачны.

Хорошо спроектированные решетки могут иметь тысячи или даже десятки тысяч щелей на ширине 1 см. Поскольку шаг решетки (период решетки) близок к длине волны света, происходит дифракция или передача световых волн.

Решетки, использующие дифракцию проходящего света, называются пропускающими решетками, а те, которые используют дифракцию отраженного света, например, с параллельными щелями на металлизированной поверхности, называются отражательными решетками.

2. Что такое волоконная решетка? Что такое волоконная решетка Брэгга (FBG)?

Когда регулярный шаг вышеупомянутых параллельных щелей наносится на сердцевину оптического волокна с использованием светочувствительных материалов, получается волоконная решетка Брэгга (FBG).

Волоконная решетка с равномерным и постоянным расстоянием между штрихами (периодом решетки), также известная как FBG, имеет чрезвычайно узкую отраженную длину волны, и расстояние между точками отражения всегда одинаково. Решетка включает множество точек отражения для определенных длин волн.

FBG может быть изготовлена с использованием таких методов, как УФ-экспозиция через маску, химическое травление или поточечная запись фемтосекундным лазером. Ниже приведены схематические и физические изображения FBG:

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

3. Что такое строка/массив волоконных решеток Брэгга?

Гибкой характеристикой ВБР является возможность достижения многоточечного зондирования. Теоретически в один датчик можно вписать несколько ВБР с разными длинами волн, что позволит проводить распределенные измерения одного или нескольких физических параметров. Волокно с несколькими вписанными ВБР называется волоконной цепочкой/матрицей Брэгговской решетки (ВБР) (соответствует капиллярным бесшовным стальным трубкам OFSCN® с распределенными волоконными датчиками с брэгговской решеткой).

Например, на рисунке 5 показано волокно с 9 FBG с разными длинами волн, что позволяет проводить одновременные измерения в 9 различных точках.

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7 (На верхнем рисунке показано распределение длин волн массива FBG с 8 различными длинами волн на оптическом спектроанализаторе.)

4. Принцип работы волоконной решетки Брэгга

Когда две точки отражения точно совпадают в соответствии с условием Брэгга, оптический сигнал с соответствующей длиной волны отражается решеткой, в то время как другие длины волн существенно не отражаются.

Рисунок 8

Подключив интеррогатор FBG, можно измерить длину волны независимой отраженной волны. Когда FBG подвергается воздействию напряжения или изменения температуры, шаг решетки (период решетки) и длина волны отраженной волны меняются. Эти изменения можно измерить, анализируя отраженные длины волн.

Изменение длины волны FBG связано как с деформацией, так и с изменением температуры и может быть выражено формулой: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.

(1). Принцип измерения температуры FBG - Принцип работы температурного датчика FBG (термометра FBG) - Изменение длины из-за теплового расширения и сжатия

В среде, где находится FBG, изменения температуры вызывают периодические изменения шага решетки (Λ) FBG, что можно объяснить тепловым расширением и сжатием.

С помощью интеррогатора FBG можно измерить отраженную длину волны (λB) FBG. Поскольку существует связь между отраженной длиной волны (λB) и шагом решетки (Λ), выраженная как λB = 2neffΛ, где neff — эффективный показатель преломления волокна, температуру FBG можно определить, анализируя отраженную длину волны. Это принцип измерения температуры решетки.

(2) . Принцип измерения напряжения волоконной решеткой Брэгга (FBG) - Датчик напряжения FBG (тензодатчик FBG, датчик растяжения FBG, датчик давления FBG, датчик арматуры FBG) - Изменение длины:

Подобно изменениям температуры, изменения силы также могут вызывать изменения шага решетки (периода решетки) волоконной решетки Брэгга (FBG). Проще говоря, это может либо растягивать, либо сжимать FBG.

С помощью интеррогатора FBG можно измерить отраженную длину волны FBG. Поскольку существует корреляция между отраженной длиной волны λB и шагом решетки Λ FBG, выраженная формулой λB = 2neffΛ, где neff — эффективный показатель преломления волокна, приложенное натяжение или давление на FBG можно определить, анализируя отраженную длину волны. Это принцип, лежащий в основе способности FBG измерять напряжение.

(3). Принцип измерения деформации волоконной решеткой Брэгга (FBG) - Датчик деформации FBG (тензодатчик FBG) - Изменение длины:

Будь то изменения, вызванные температурой, или изменения, вызванные приложенной силой, конечным проявлением является изменение длины (деформация) FBG. В формуле λB = 2neffΛ шаг решетки Λ представляет длину FBG в малом масштабе. Следовательно, FBG можно использовать для измерения деформации.

5. Почему упаковка важна для волоконной решетки Брэгга (FBG)?

Чувствительные блоки датчиков OFSCN® с капиллярной бесшовной стальной трубкой и волоконной брэгговской решеткой от DCYS в основном состоят из волоконных брэгговских решеток (FBG), заключенных в бесшовные стальные трубки.

Основная причина использования упаковки из бесшовных стальных трубок для FBG заключается в том, что FBG очень хрупкие, а волокна, несущие FBG, также нежны. Без надлежащей упаковки и защиты FBG практически непригодны для практического применения. Необходимо защищать FBG и изготавливать надежные датчики FBG для их использования в различных сложных условиях. Это именно то, в чем мы сильны.

Рисунок 9

Рисунок 10

 Наша философия: «OFSCN®, сделайте оптическое волокно прочнее!»