Grundsätze von vier gängigen Arten von FBG-Sensoren (Faser-Bragg-Gitter)

Übersicht

Faser-Bragg-Gitters ensoren zeichnen sich durch hohe Präzision, hohe Empfindlichkeit, geringe Größe, Flexibilität und Einbett barkeit aus. Sie haben sich im Erfassungs bereich schnell entwickelt und sind zu einem der repräsent ativsten Sensoren in der Glasfaser erfassung geworden. Es sind auch verschiedene Sensoren entstanden, die mit Faser-Bragg-Gittern für verschiedene Zwecke hergestellt wurden.

Im Wesentlichen sind FBG-Sensoren eine Art Glasfaser sensor. Sie sind zerbrechlich und anfällig für Schäden, wenn sie direkt verwendet werden. Um ihre Lebensdauer zu verlängern und die Erfassungs leistung zu verbessern, werden sie normaler weise zum Schutz eingekapselt. Durch unterschied liche Verpackungs strukturen und-materialien können sie für verschiedene Anwendungen angepasst werden und ermöglichen die Messung von Parametern wie Temperatur, Dehnung, Druck und Beschleunigung. Basierend auf der Verpackungs methode können FBG-Sensoren in röhrenförmige, substrat basierte, eingebettete und suspendierte Typen eingeteilt werden. Je nach Verpackungs zweck können sie in Schutz verpackungen, empfindlichkeit steigernde Verpackungen und kompensator ische Verpackungen unterteilt werden. In diesem Artikel werden verschiedene gängige Arten von FBG-Sensoren vorgestellt, die durch Verpackungen gebildet werden.

1.       Faser Bragg Gitter Temperatur sensor

Der Temperatur sensor ist eine der frühesten Anwendungen von FBG-Sensoren. Sein Temperatur erfassungs mechanismus basiert auf der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Faser gitters, was Änderungen der Gitter periode und des effektiven Brechung index verursacht und dadurch die Mitten wellenlänge der FBG verschiebt. Die Temperatur schwankung wird unter Verwendung der Beziehung zwischen Temperatur änderung und der mittleren Wellenlängen verschiebung gemessen. Da blanke FBGs zerbrechlich sind, sind sie im Allgemeinen durch ein Außen gehäuse geschützt. Derzeit verwenden die meisten im Handel erhältlichen FBG-Temperatur sensoren ein Kapillar stahlrohr paket.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, kapselt der FBG-Temperatur sensor typischer weise das Faser gitter in einem Kapillar glasrohr ein. Ein Ende ist mit Klebstoff fixiert, während das andere Ende im Glasrohr frei bleibt. Das Kapillar glasrohr wird weiter durch ein äußeres Stahlrohr geschützt, und thermisch leitfähiges Hoch temperatur öl wird nach innen gefüllt, um die Wärme übertragungs rate zu erhöhen. Diese Struktur schützt die FBG effektiv vor äußeren Belastungen. Diese Verpackungs methode schützt nicht nur die FBG, sondern löst auch das Quere mpfindlichkeit problem zwischen Temperatur und Dehnung.

 Abbildung 1: Schematische Darstellung der FBG-Temperatur sensor verpackung

 

2.       Faser-Bragg-Gitter-Zug-Sensor

Der Dehnung sensor ist die klassisch ste Anwendung von FBG-Sensoren. Sein Dehnung erfassungs mechanismus basiert auf dem photo elastischen Effekt, wenn eine axiale Kraft entlang des Faser gitters ausgeübt wird, was Änderungen der Gitter periode und des effektiven Brechung index verursacht und somit die mittlere Wellenlänge verschiebt. Die Dehnung wird unter Verwendung der Beziehung zwischen Dehnung variation und der mittleren Wellenlängen verschiebung gemessen. Um die Dehnung eines Zielobjekts zu messen, wird der FBG-Dehnung sensor typischer weise unter Verwendung eines Klebstoffs mit dem Objekt verbunden. Die FBG und das Ziel verformen sich zusammen, sodass die gemessene Dehnung der FBG die Belastung des Ziels darstellt.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, ist der oberflächen montierte FBG-Dehnung sensor häufig in einer I-förmigen Struktur verpackt. Der Hauptkörper ist eine I-förmige Stahlplatte, wobei die FBG an der mittel achse der mittleren Stahlplatte befestigt ist. Die beiden Basen sind mit Schrauben an der Ziels truktur befestigt. Experimente haben gezeigt, dass diese Verpackungs struktur die FBG effektiv schützt und eine hohe Überlebens rate und eine gute Linearität zwischen Dehnung und Wellenlänge erreicht. Der Dehnung übertragungs verlust am Messpunkt beträgt jedoch etwa 20%, was durch Kalibrierung korrigiert werden kann.

Abbildung 2:Schematische Darstellung der I-förmigen FBG-Dehnung sensor verpackung

Da FBGs sowohl für Temperatur als auch für Dehnung quer empfindlich sind, muss der Effekt der Temperatur änderung bei tatsächlichen Dehnung messungen eliminiert werden. Typischer weise werden zwei FBGs zur Temperatur kompensation verpackt (eine von Dehnung betroffen, die andere nicht). Wie in Abbildung 3 gezeigt, sind zwei FBGs in einem Edelstahl rohr eingekapselt. Eine FBG wird in einen engen Mantel gelegt; Wenn das Stahlrohr belastet ist, verformt es sich und diese FBG wird sowohl von der Temperatur als auch von der Belastung beeinflusst. Die andere FBG befindet sich in einer losen Jacke, so dass sie sich frei bewegen kann, ohne von einer Belastung betroffen zu sein. Daher misst diese FBG nur die Temperatur und ihre rein temperatur erfassende Charakter istik wird zur Kompensation verwendet.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der FBG-Dehnung sensor verpackung mit Temperatur kompensation

3.       Faser-Bragg-Gitter-Drucksensor

Wenn eine bloße FBG direkt einem Druck ausgesetzt ist, ist die Verschiebung ihrer mittleren Wellenlänge sehr gering und ihre Drucke mpfindlichkeit ist sehr gering. Daher ist eine geeignete Verpackung erforderlich, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Derzeit basieren die gängigen FBG-Drucksensoren haupt sächlich auf der axialen Dehnung messung mit zwei gängigen Ansätzen: Kleben und Einbetten.

Wie in Abbildung 4 gezeigt, kapselt der freitrahlige FBG-Drucksensor typischer weise einen Ausleger balken in einer versiegelten Metall wand. Die FBG ist am Arm des Ausleger trägers befestigt, und am freien Ende des Auslegers befindet sich eine Sende säule. Wenn äußerer Druck ausgeübt wird, überträgt die Übertragungs säule den Druck auf den Ausleger, wodurch er sich verbiegt und verformt. Die FBG misst die Dehnung des Auslegers, um den äußeren Druck zu charakterisieren. Das Einkapseln des Ausleger balkens in einer Metall wand schützt die FBG effektiv und ermöglicht große Druckmessungen mit hoher Genauigkeit.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der FBG-Drucksensor verpackung mit Ausleger balken

Wie in Abbildung 5 gezeigt, bettet der eingebettete FBG-Drucksensor die FBG typischer weise in ein drucke mpfindliches Material ein, das dann durch ein Metall gehäuse geschützt wird. Das drucke mpfindliche Material ist im Allgemeinen ein Polymer, das sich durch einen niedrigen Elastizität modul und eine hohe Drucke mpfindlichkeit auszeichnet. Wenn äußerer Druck ausgeübt wird, streckt das Polymer die FBG und ermöglicht die Messung des äußeren Drucks. Die Vorteile dieser Verpackungs methode sind ihre einfache Struktur und hohe Empfindlichkeit gegenüber Außendruck. Die Nachteile umfassen eine geringere Druck mess genauigkeit und eine schlechte Stabilität aufgrund der Alterung neigung des Polymers.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der eingebetteten FBG-Drucksensor verpackung

4.       Faser-Bragg-Gitter-Beschleunigung sensor

Der FBG-Beschleunigung sensor verwendet ein elastisches Element, um die durch Vibrationen verursachte Verschiebung aus der gemessenen Beschleunigung in Dehnung in der FBG umzuwandeln und dadurch eine Wellenlängen modulation zu erreichen. Die Fähigkeit des elastischen Elements, das Beschleunigung schwingungs signal genau zu übertragen, ist kritisch. Basierend auf der Struktur des elastischen Elements können FBG-Beschleunigung sensoren in Strahl-, Feder-und Scharnier typ eingeteilt werden.

Wie in Abbildung 6 gezeigt, besteht der FBG-Beschleunigung sensor vom Strahl typ im Allgemeinen aus einem Ausleger balken und einer Proof masse. Am Ausleger balken ist eine FBG befestigt. Wenn eine externe Beschleunigung vibration auftritt, treibt die Beweis masse den Ausleger balken dazu, sich aufgrund der Trägheit zu verformen, und die Beschleunigung wird gemessen, indem die Dehnung in der FBG erfasst wird. Diese Verpackungs methode führt zu einer einfachen Struktur, die für nieder frequente Beschleunigung vibrations messungen geeignet ist. Da die Dehnung messung auf der Bindung beruht, wird sie erheblich von der Temperatur beeinflusst, sodass ein Design der Temperatur kompensation erforderlich ist.

Abbildung 6: Schematische Darstellung der FBG-Beschleunigung sensor verpackung vom Strahl typ

Abbildung 7: Schematische Darstellung der FBG-Beschleunigung sensor verpackung vom Scharnier typ

Wie in Abbildung 7 gezeigt, verfügt die Verpackungs struktur des FBG-Beschleunigung sensors vom Scharnier typ über FBGs, die an beiden Enden eines flexiblen Scharniers in Aufhängung angebracht sind. Das Prinzip der Beschleunigung messung ist das gleiche wie das des Strahl-Typ-FBG-Beschleunigung sensors. Durch Anbringen von zwei FBGs an der oberen und unteren Schwebe position des Scharniers wird eine gegenseitige Kompensation erreicht. Diese Struktur bietet Vorteile wie reibungslosen Betrieb, hohe Genauigkeit und Immunität gegen Temperature ffekte.