Principi di quattro tipi comuni di sensori di grata di Bragg in fibra (FBG)

Panoramica

I sensori reticolo Bragg in fibra sono caratterizzati da alta precisione, alta sensibilità, dimensioni ridotte, flessibilità e incorporabilità. Si sono sviluppati rapidamente nel campo di rilevamento e sono diventati uno dei sensori più rappresentativi nel rilevamento in fibra ottica. Sono emersi anche vari sensori fabbricati utilizzando reticoli Bragg in fibra per scopi diversi.

Essenzialmente, i sensori FBG sono un tipo di sensore in fibra ottica. Sono fragili e soggetti a danni se usati direttamente. Per prolungare la loro durata e migliorare le prestazioni di rilevamento, sono tipicamente incapsulati per la protezione. Attraverso diverse strutture e materiali di imballaggio, possono essere adattati per varie applicazioni, consentendo la misurazione di parametri come temperatura, deformazione, pressione e accelerazione. In base al metodo di confezionamento, i sensori FBG possono essere classificati in tipi tubolari, basati su substrato, incorporati e sospesi. In base allo scopo dell'imballaggio, possono essere suddivisi in imballaggi protettivi, imballaggi che migliorano la sensibilità e imballaggi compensativi. Questo articolo introduce diversi tipi comuni di sensori FBG formati attraverso l'imballaggio.

1.       Sensore di temperatura a griglia in fibra di Bragg

Il sensore di temperatura è una delle prime applicazioni dei sensori FBG. Il suo meccanismo di rilevamento della temperatura si basa sull'espansione termica e sulla contrazione del reticolo della fibra, che provoca cambiamenti nel periodo di grata e nell'indice di rifrazione efficace, spostando così la lunghezza d'onda centrale dell'FBG. La variazione di temperatura viene misurata utilizzando la relazione tra la variazione di temperatura e lo spostamento della lunghezza d'onda centrale. Poiché gli FBG nudi sono fragili, sono generalmente protetti da un involucro esterno. Attualmente, la maggior parte dei sensori di temperatura FBG disponibili in commercio utilizza un pacchetto di tubi in acciaio capillare.

Come mostrato nella Figura 1, il sensore di temperatura FBG incapsula tipicamente la grata della fibra in un tubo di vetro capillare. Un'estremità è fissata con adesivo, mentre l'altra estremità rimane libera all'interno del tubo di vetro. Il tubo di vetro capillare è ulteriormente protetto da un tubo di acciaio esterno e l'olio conduttivo termico ad alta temperatura viene riempito all'interno per migliorare la velocità di trasferimento del calore. Questa struttura protegge efficacemente l'FBG dalla deformazione esterna. Questo metodo di confezionamento non solo protegge l'FBG, ma risolve anche il problema della sensibilità incrociata tra temperatura e deformazione.

 Figura 1: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di temperatura FBG

 

2.       Sensore di stricatura in fibra di Bragg

Il sensore di deformazione è l'applicazione più classica dei sensori FBG. Il suo meccanismo di rilevamento della deformazione si basa sull'effetto fotoelastico quando una forza assiale viene applicata lungo il reticolo della fibra, causando cambiamenti nel periodo di reticolo e nell'indice di rifrazione efficace, e spostando così la lunghezza d'onda centrale. La deformazione viene misurata utilizzando la relazione tra la variazione della deformazione e lo spostamento della lunghezza d'onda centrale. Per misurare la deformazione di un oggetto bersaglio, il sensore di deformazione FBG è tipicamente legato all'oggetto utilizzando un adesivo. L'FBG e il bersaglio si deformano insieme, quindi la deformazione misurata dell'FBG rappresenta lo sforzo del bersaglio.

Come mostrato nella Figura 2, il sensore di deformazione FBG montato sulla superficie è spesso confezionato in una struttura a forma di I. Il corpo principale è una piastra in acciaio a forma di I, con l'FBG attaccato all'asse centrale della piastra in acciaio centrale. Le due basi sono fissate alla struttura dell'obiettivo con le viti. Gli esperimenti hanno dimostrato che questa struttura di confezionamento protegge efficacemente l'FBG, raggiungendo un alto tasso di sopravvivenza e una buona linearità tra deformazione e lunghezza d'onda. Tuttavia, la perdita di trasferimento della deformazione nel punto di misurazione è di circa il 20%, che può essere corretta attraverso la calibrazione.

Figura 2:Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di deformazione FBG a forma di I

Poiché gli FBG sono sensibili sia alla temperatura che alla deformazione, l'effetto del cambiamento di temperatura deve essere eliminato nelle misurazioni effettive della deformazione. In genere, vengono confezionati due FBG (uno affetto da deformazione, l'altro no) per la compensazione della temperatura. Come mostrato nella Figura 3, due FBG sono incapsulati in un tubo di acciaio inossidabile. Un FBG è posto in una giacca attillata; quando il tubo d'acciaio è sollecitato, si deforma e questo FBG è influenzato sia dalla temperatura che dalla deformazione. L'altro FBG è posto in una giacca ampia, che gli consente di muoversi liberamente senza essere influenzato dallo sforzo; quindi, questo FBG misura solo la temperatura e la sua caratteristica puramente di rilevamento della temperatura viene utilizzata per la compensazione.

Figura 3: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di deformazione FBG con compensazione della temperatura

3.       Sensore di pressione a griglia in fibra Bragg

Quando un FBG nudo viene sottoposto direttamente a pressione, lo spostamento della sua lunghezza d'onda centrale è molto piccolo e la sua sensibilità alla pressione è molto bassa. Pertanto, è necessario un imballaggio appropriato per migliorare la sensibilità. Attualmente, i sensori di pressione FBG tradizionali si basano principalmente sulla misurazione della deformazione assiale, con due approcci comuni: legame adesivo e incorporamento.

Come mostrato nella Figura 4, il sensore di pressione FBG legato a trave a sbalzo racchiude tipicamente una trave a sbalzo in una parete metallica sigillata. L'FBG è attaccato al braccio della trave a sbalzo e una colonna di trasmissione si trova all'estremità libera del cantilever. Quando viene applicata la pressione esterna, la colonna di trasmissione trasferisce la pressione al cantilever, facendolo piegare e deformare. L'FBG misura la deformazione del cantilever per caratterizzare la pressione esterna. Incapsulare la trave a sbalzo in una parete metallica protegge efficacemente l'FBG, consentendo misurazioni di grande pressione con elevata precisione.

Figura 4: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di pressione FBG legato a trave a sbalzo

Come mostrato nella Figura 5, il sensore di pressione FBG incorporato in genere incorpora l'FBG all'interno di un materiale sensibile alla pressione, che viene quindi protetto da un alloggiamento metallico. Il materiale sensibile alla pressione è generalmente un polimero caratterizzato da basso modulo elastico e alta sensibilità alla pressione. Quando viene applicata la pressione esterna, il polimero allunga l'FBG, consentendo la misurazione della pressione esterna. I vantaggi di questo metodo di confezionamento sono la sua struttura semplice e l'elevata sensibilità alla pressione esterna. Gli svantaggi includono una minore precisione di misurazione della pressione e scarsa stabilità a causa della tendenza all'invecchiamento del polimero.

Figura 5: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di pressione FBG incorporato

4.       Fibra Bragg Grating Sensore di Accelerazione

Il sensore di accelerazione FBG utilizza un elemento elastico per convertire lo spostamento causato dalla vibrazione dall'accelerazione misurata in deformazione nell'FBG, ottenendo così la modulazione della lunghezza d'onda. La capacità dell'elemento elastico di trasmettere con precisione il segnale di vibrazione dell'accelerazione è fondamentale. In base alla struttura dell'elemento elastico, i sensori di accelerazione FBG possono essere classificati in tipo a fascio, a molla e a cerniera.

Come mostrato nella Figura 6, il sensore di accelerazione FBG del tipo a fascio è generalmente costituito da una trave a sbalzo e una massa di prova. Un FBG è attaccato alla trave a sbalzo. Quando si verifica una vibrazione di accelerazione esterna, la massa di prova spinge la trave a sbalzo a deformarsi a causa dell'inerzia e l'accelerazione viene misurata rilevando la deformazione nell'FBG. Questo metodo di confezionamento si traduce in una struttura semplice adatta per misurazioni delle vibrazioni di accelerazione a bassa frequenza. Poiché la misurazione della deformazione si basa sull'incollaggio, è significativamente influenzata dalla temperatura, quindi è necessario il design della compensazione della temperatura.

Figura 6: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di accelerazione FBG del tipo a fascio

Figura 7: Diagramma schematico dell'imballaggio del sensore di accelerazione FBG a cerniera

Come mostrato nella Figura 7, la struttura di confezionamento del sensore di accelerazione FBG di tipo a cerniera presenta FBG attaccati in sospensione ad entrambe le estremità di una cerniera flessibile. Il principio della misurazione dell'accelerazione è lo stesso del sensore di accelerazione FBG di tipo a fascio. Attaccando due FBG nelle posizioni sospese superiore e inferiore della cerniera, si ottiene una compensazione reciproca. Questa struttura offre vantaggi come il funzionamento senza attrito, l'alta precisione e l'immunità agli effetti della temperatura.