Принцип работы датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) - Принцип ВБР - Принцип датчиков ВБР - Принцип измерения температуры, деформации, напряжения, вибрации, формы на основе ВБР
В этой статье объясняется принцип работы датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) основанный на фундаментальной концепции 'отражения и интерференции световых волн', включая принципы измерения температуры, напряжения и деформации с использованием ВБР. Затем представляется принцип работы датчиков ВБР и приводится схематическая диаграмма принципа работы датчика ВБР.
В статье далее обсуждается принцип точного измерения температуры датчиками температуры ВБР и представлен принцип использования точных термометров ВБР для компенсации температуры для датчиков напряжения ВБР. Этот принцип компенсации также применим к датчикам деформации ВБР, датчикам формы ВБР, и другим датчикам ВБР.
Наконец, в статье объясняются различия между технологией волоконного брэгговского решеточного зондирования и технологией распределенного волоконно-оптического зондирования с точки зрения принципов.
Оглавление:
Ⅶ. Почему необходима температурная компенсация для датчиков деформации на основе волоконных брэгговских решеток? Принцип температурной компенсации (ВБР тензодатчик деформации) для точного измерения.
В статье представлены исчерпывающие объяснения принципов. Рекомендуется сосредоточиться на интересующих разделах для лучшего понимания.
Ⅰ. Принцип отражения и интерференции световых волн - Аналогия между отражением и наложением звуковых волн и отражением и наложением световых волн.
1. Почему необходимо понимать принцип отражения и интерференции световых волн, прежде чем понимать основные принципы волоконных брэгговских решеток (ВБР) и датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР-датчиков)?
Прежде чем углубляться в основные принципы волоконных брэгговских решеток (ВБР) и датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР-датчиков), важно усвоить концепции отражения и интерференции световых волн.
Это потому, что наиболее важная часть датчика на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР-датчика) заключается в точном обнаружении определенных длин волн отраженных волн. Анализируя изменения длины волны в отраженных волнах, датчик может измерять изменения контролируемой физической величины, такой как напряжение, деформация или температура.
Поскольку световые волны имеют высокие частоты и короткие длины волн, их нелегко наблюдать непосредственно в повседневной жизни. Для облегчения понимания я буду использовать звуковые волны в качестве аналогии световым волнам — обе являются волнами, хотя одна слышима, а другая нет.
2. Echoes of sound waves, showing the principle of reflection и interference, apply the same characteristics to light waves.
В повседневной жизни вы могли сталкиваться со следующей ситуацией: когда вы кричите, обратившись к двум стенам или двум горам, вы слышите два или более эха (отражение звуковых волн); если вы отрегулируете свое положение и продолжите кричать, вы услышите, как эхо объединяется в одно эхо в определенных позициях (удовлетворяющих определенным условиям), и по мере вашего движения эхо может меняться по интенсивности.
Громкое эхо является результатом положительной интерференции (интерференции звуковых волн) от множественных отражений, в то время как более мягкое эхо вызвано отрицательной интерференцией (интерференции звуковых волн) от множественных отражений.
 |
|
Изображение 1 |
Аналогично, световые волны, как и звуковые, также проявляют эти свойства в меньшем масштабе. Когда выполняются определенные условия (условия Брэгга), световые волны, проходящие через Волоконная брэгговская решетка (FBG) будут испытывать многократные отражения, приводящие к положительной интерференции (интерференции) отраженных волн.
3. Further reading:
Один из основных принципов волоконной брэгговской решетки (ВБР) и датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР-датчиков): Отражение и интерференция волн.
Основные принципы волоконной брэгговской решетки (ВБР) и датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР-датчиков) Ⅰ : Отражение и интерференция волн.
Ⅱ. Что такое волоконные брэгговские решетки? Что могут делать волоконные брэгговские решетки? Принцип работы волоконных брэгговских решеток (Принцип ВБР).
Волоконная брэгговская решетка (ВБР) — это тип оптической волоконной решетки с равномерным и постоянным периодом решетки (периодичность волокна). Расстояние между точками отражения ВБР всегда равно. ВБР могут быть произведены различными методами, такими как экспозиция ультрафиолетовым светом с использованием маски, химическое травление или фемтосекундная лазерная пошаговая запись, и т.д. Они могут быть одноточечными ВБР или цепочками/массивами ВБР (массивы ВБР).
 |
|
Изображение 2 |
Подключив датчик на основе волоконной брэгговской решетки к демодулятору ВБР, можно измерить длину волны независимых отраженных волн. Когда Волоконная брэгговская решетка (FBG) испытывает изменения в напряжении или температуре, период решетки (периодичность решетки) изменится, что приведет к изменениям длины волны отраженных волн. Будут отражаться разные длины волн, что позволит измерять изменение в Длина волны Брэгга.
Изменение брэгговской длины волны (ΔλB) волоконной брэгговской решетки (ВБР) связано как с деформацией (Δε), так и с изменением температуры (ΔT), и формула выглядит следующим образом: ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ)ΔT.
1. Принцип работы волоконной брэгговской решетки (ВБР) для измерения температуры — Принцип работы датчика температуры на ВБР (ВБР-термометр) — Изменение длины из-за теплового расширения и сжатия
В среде, где Волоконная брэгговская решетка (ВБР) расположена, изменения температуры вызовут регулярные изменения в периодом решетки Λ (периодичности волокна) ВБР. Проще говоря, это тепловое расширение и сжатие.
 |
| Изображение 3 |
Используя демодулятор волоконной брэгговской решетки, отраженную длину волны λB ВБР можно измерить. Поскольку отраженная длина волны λB и период решетки Λ волоконной брэгговской решетки имеют соответствующую взаимосвязь (λB = 2эффективный показатель преломленияΛ, где neff — показатель преломления волокна), температура Волоконная брэгговская решетка может быть определена путем анализа отраженной длины волны. Это принцип измерения температуры с помощью ВБР.
2. Principle of Волоконная брэгговская решетка (FBG) for Stress Sensing—FBG Strain Gauge Principle (FBG Load Cell, FBG Pressure Sensor)—Length Change due to Force
Подобно изменениям температуры, изменения силы также вызовут регулярные изменения в периодом решетки Λ (периодичности волокна) Волоконная брэгговская решетка (ВБР). Проще говоря, это растяжение или сжатие.
 |
| Изображение 4 |
Используя демодулятор волоконной брэгговской решетки, отраженную длину волны λB ВБР можно измерить. Поскольку отраженная длина волны λB и период решетки Λ волоконной брэгговской решетки имеют соответствующую взаимосвязь (λB = 2эффективный показатель преломленияΛ, где neff — показатель преломления волокна), сила, приложенная к волоконной брэгговской решетке (ВБР), может быть определена путем анализа отраженной длины волны. Так ВБР могут использоваться для измерения напряжения.
3. Принцип работы волоконной брэгговской решетки (ВБР) для измерения деформации — Датчик деформации ВБР (тензометрический датчик ВБР) — Изменение длины само по себе
Будь то изменение волоконной брэгговской решетки из-за температуры или силы, конечным проявлением является изменение длины волоконной брэгговской решетки (деформация). В формуле λB = 2эффективный показатель преломленияΛ, Λ представляет период решетки (периодичность волокна) самой волоконной брэгговской решетки, что является длиной волоконной брэгговской решетки в малом масштабе. Следовательно, волоконные брэгговские решетки могут использоваться для измерения деформации.
 |
| Изображение 5 |
4. Дополнительное чтение:
Ⅲ. Что такое датчик на волоконной брэгговской решетке? Зачем нужна инкапсуляция волоконных брэгговских решеток? Принцип работы датчиков на волоконных брэгговских решетках.
Хотя Волоконная брэгговская решетка (ВБР) может использоваться для измерения температуры, напряжения и деформации, она должна быть инкапсулирована в датчике волоконной брэгговской решетки (датчик ВБР) до того, как ее можно будет использовать, из-за ее присущей хрупкости.
 |
| Изображение 6 |
DCYS creatively combines stainless steel seamless tubes with Волоконные брэгговские решетки (ВБР) to produce patented OFSCN® capillary series датчики на волоконных брэгговских решетках в бесшовных стальных трубах, включая датчики температуры на волоконных брэгговских решетках в бесшовных стальных трубах (ВБР-термометры), датчики напряжения на волоконных брэгговских решетках в бесшовных стальных трубах (ВБР-датчики нагрузки, ВБР-датчики давления), и датчики деформации на волоконных брэгговских решетках в бесшовных стальных трубах (ВБР-тензодатчики).
Защита, обеспечиваемая бесшовной трубой из нержавеющей стали, значительно повышает прочность волоконной брэгговской решетки и волокна, расширяя диапазон сред и применений для различных датчиков на волоконных брэгговских решетках.
The working principle of the OFSCN® capillary series датчики на волоконных брэгговских решетках в бесшовных стальных трубах is similar to the principle of FBG.
1. Принципиальная схема волоконной брэгговской решетки (ВБР) и датчика на волоконной брэгговской решетке (датчик ВБР)
 |
|
Изображение 7 |
2. Формула принципа волоконной брэгговской решетки (ВБР) и принцип волоконной брэгговской решетки (датчик ВБР)
На Изображении 3 средняя часть представляет собой Волоконная брэгговская решетка (ВБР) or an encapsulated OFSCN® capillary series seamless steel tube датчике волоконной брэгговской решетки (датчик ВБР). Широкополосный падающий свет входит в волокно с одного конца датчика, и когда он встречается с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), большая часть света с различными длинами волн проходит через ВБР как проходящий свет, в то время как небольшая часть света со специальными длинами волн отражается обратно (обратите внимание, что эта специальная длина волны, обозначенная как λB, является параметром, который мы хотим измерить).
Существует прямая зависимость между λB и периодом решетки Λ, представленная математическим выражением: λB = 2эффективный показатель преломленияΛ, где λ — отраженная длина волны, neff — эффективный показатель преломления сердцевины волокна, а Λ — период решетки.
Далее отраженный свет поступает в демодулятор волоконной брэгговской решетки (не обозначен на изображении) и демодулируется в волновой сигнал λB. Поскольку датчик подключен к измерительному оборудованию, мы можем получать различные тестовые волновые сигналы λB в разное время.
Через предыдущее математическое выражение мы можем понять, почему волновой сигнал λ меняется в следующий момент (изменение представлено ΔλB)? Фундаментальная причина заключается в том, что период решетки Λ волоконной брэгговской решетки изменился (изменение представлено ΔΛ).
3. Принципы измерения температуры, деформации и напряжения волоконной брэгговской решеткой (ВБР) и датчиком на волоконной брэгговской решетке (датчик ВБР)
Теперь мы можем отойти от сложных математических символов и вернуться к реальной среде. Что может вызвать периодом решетки изменение Λ (периодичности решетки) ВБР?
Вы можете сразу подумать о двух возможностях:
① Сила: При приложении растяжения к Волоконная брэгговская решетка (ВБР), она удлиняется; при приложении сжатия, она сжимается.
② Температура: Когда Волоконная брэгговская решетка (ВБР) нагревается, она расширяется; когда охлаждается, она сжимается.
В этом процессе умные люди связали волновой сигнал, который может быть точно обнаружен, с тремя фундаментальными физическими параметрами: сила (растяжение, сжатие), длина (удлинение, сжатие), и температура (нагрев, охлаждение). Поэтому, Датчики на волоконных брэгговских решетках (датчики ВБР) могут напрямую измерять напряжение, деформацию и температуру.
Specific products correspond to OFSCN® capillary seamless steel tube Датчики напряжения на волоконных брэгговских решетках, OFSCN® capillary seamless steel tube Датчики деформации на волоконных брэгговских решетках, и OFSCN® capillary seamless steel tube Датчики температуры на волоконных брэгговских решетках.
4. Дополнительное чтение:
Основные принципы датчиков на волоконных брэгговских решетках Часть 2 - Принципы детектирования волоконных брэгговских решеток
Ⅳ. Видео о принципе работы датчика на волоконной брэгговской решетке, Видео о принципе работы волоконной брэгговской решетки:
Ⅴ. Насколько точны датчики температуры на волоконных брэгговских решетках при измерении температуры? Принцип точного измерения температуры датчиками температуры на волоконных брэгговских решетках (ВБР-термометр).
1. Анализ принципа точного измерения температуры датчиком температуры на волоконной брэгговской решетке (ВБР-термометр)
Поскольку и температура, и сила могут вызывать изменения длины волны волоконной брэгговской решетки, для того чтобы датчик температуры на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР-термометр) точно измерял температуру, он должен быть сконструирован таким образом, чтобы только изменения температуры влияли на инкапсулированный датчик температуры на волоконной брэгговской решетке (ВБР-термометр), а влияние изменений натяжения и давления было сведено к минимуму.
 |
 |
| Изображение 8 | Изображение 9 |
DCYS's OFSCN® capillary series seamless steel tube датчик температуры на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР-термометр) использует запатентованную технологию инкапсуляции, обеспечивая, что волоконная брэгговская решетка (ВБР) остается в свободном состоянии во время измерений температуры, не подвергается влиянию внешних сил, и, таким образом, достигаются точные измерения температуры.
2. Further reading:
3. Анализ принципа неточного измерения температуры для традиционного датчика температуры с волоконной брэгговской решеткой (термометр ВБР).
Основная причина неточного измерения температуры традиционными датчиками температуры на основе волоконных брэгговских решеток (термометров FBG) заключается в том, что при измерении температуры сложно экранировать влияние сил. Это связано с используемым методом инкапсуляции.
 |
|
Изображение 10 |
В традиционных датчиках температуры на основе волоконных брэгговских решеток (термометров FBG) использование различных материалов и клеев затрудняет экранирование FBG от воздействия сил.
4. Дополнительное чтение:
Недостатки и силовой анализ традиционных датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (термометров FBG) - Причины неточного измерения температуры
Недостатки и силовой анализ традиционных датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (термометров FBG) - Причины неточного измерения температуры
Ⅵ. Зачем нужна температурная компенсация для датчиков напряжения на основе волоконных брэгговских решеток? Принцип температурной компенсации (тензодатчика FBG, датчика давления FBG) для точного измерения.
Волоконная брэгговская решетка (FBG) чувствительна как к силе, так и к температуре. Независимо от того, находится ли волоконная брэгговская решетка под воздействием силы или изменяется температура окружающей среды, это отражается в изменениях периодом решетки, что соответствует возникновению деформации в датчике волоконной брэгговской решетки.
1. Принцип температурной компенсации для датчиков напряжения на основе волоконных брэгговских решеток
Это означает, что когда вы хотите использовать датчик напряжения на основе волоконной брэгговской решетки для достижения точных измерений, вы должны учитывать, изменилась ли температура окружающей среды. Вам необходимо исключить влияние температуры на отраженную длину волны из формулы ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ). Иными словами, вам нужно поддерживать ΔT = 0 (поддерживать постоянную температуру окружающей среды) или знать значение ΔT (знать степень изменения температуры окружающей среды). Этот процесс называется температурной компенсацией для датчиков напряжения на основе волоконных брэгговских решеток.
 |
|
Изображение 11 |
Поскольку у нас уже есть датчик температуры на основе волоконной брэгговской решетки (FBG Thermometer) produced by DCYS that can accurately measure temperature, we can place this accurate temperature-measuring датчик температуры на основе волоконной брэгговской решетки (FBG Thermometer) and the датчик напряжения на основе волоконной брэгговской решетки (тензодатчик FBG, датчик давления FBG) в той же среде для определения точного значения ΔT.
Следовательно, мы можем использовать формулу ΔλB = λB(1 - Pe)Δε + λB(αf - ξ) для исключения влияния изменений температуры, что позволяет датчику напряжения на основе волоконной брэгговской решетки (тензодатчику FBG, датчику давления FBG) точно измерять растяжение и давление.
2. Further reading:
Принцип и схема температурной компенсации для датчиков напряжения на основе волоконных брэгговских решеток
Ⅶ. Зачем нужна температурная компенсация для датчиков деформации на основе волоконных брэгговских решеток? Принцип температурной компенсации (тензометрического датчика FBG) для точного измерения.
Принцип температурной компенсации для датчиков напряжения FBG также применим к другим типам датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, таким как датчики формы FBG, газовые датчики FBG, датчики наклона FBG, датчики давления FBG и т. д.
Ⅷ. Различия и связи между датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, распределенными волоконными датчиками и принципиальными различиями с технологией распределенного волоконного зондирования.
Технология датчиков на основе волоконных брэгговских решеток и технология волоконно-оптических датчиков являются включающими понятиями, так же как 'датчики на основе волоконных брэгговских решеток и волоконно-оптические датчики являются включающими понятиями'.
Технология датчиков на основе волоконных брэгговских решеток является одним из видов технологии волоконно-оптических датчиков, а датчики на основе волоконных брэгговских решеток являются одним из видов волоконно-оптических датчиков. Основные принципы технологии датчиков на основе волоконных брэгговских решеток были рассмотрены в этом тексте и не будут повторяться здесь.
1. Принцип и схема технологии распределенного волоконно-оптического зондирования
Распределенные волоконно-оптические датчики и датчики на основе волоконных брэгговских решеток относятся к одной категории волоконно-оптических датчиков. Однако, в отличие от датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, обычная технология распределенного волоконно-оптического зондирования основана на различной интенсивности рассеяния, частоте и фазовой информации внутри волокна и использует волокно в качестве чувствительного элемента.
Измеряемые физические величины зависят не только от волокна, но и в большей степени от устройств модуляции-демодуляции и алгоритмов. Измеряемые физические величины часто являются средними значениями физических величин в определенных положениях вдоль волокна (например, средняя температура на каждом 1 метре 10-километрового волокна). Принцип зондирования можно понять из приведенной ниже схемы:
 |
|
Изображение 13 |
Аналогично, широкополосный свет, излучаемый волоконно-оптическим датчиком, входит в волокно слева направо, и из-за присущих волокну примесей свет рассеивается во время распространения.
Можно представить, что частицы света сталкиваются с примесями в волокне, в результате чего частицы рассеиваются в различных направлениях с разными частотами. Эти рассеянные световые сигналы в совокупности называются рассеянным светом, и существует три типа: Рэлеевское рассеяние, Рамановское рассеяние, и Бриллюэновское рассеяние, основанные на различных частотных характеристиках.
Эти рассеянные световые сигналы обычно связаны с положением, температурой, напряжением, деформацией, вибрацией и другими физическими величинами среды, в которой находится волокно. Поэтому были разработаны различные устройства для измерения этих физических величин путем измерения изменений рассеянных световых сигналов внутри волокна.
2. Дополнительное чтение:
3. Видео о принципиальном различии между технологией датчиков на основе волоконных брэгговских решеток и технологией распределенного волоконно-оптического зондирования: