אופטי סיבים Bragg Gratings (FBGs) הפכו לטכנולוגיה אבן הפינה בחישה המודרנית, המציעה דיוק ואמינות שאין כמוהו למדידת טמפרטורה וזן סביבות תובעניות.בניגוד לחיישנים אלקטרוניים קונבנציונליים, FBGs חסינים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ניתן ל מרובותxed לאורך סיבים בודדים, ונשאר יציב תחת תנאים קיצוניים.

חיישני FBG פועלים על העיקרון של לשקף אורך גל ספציפי של אור שמשנה תגובה לגירויים חיצוניים.על ידי מדידה של משמרת גל זו, מהנדסים יכולים להפר שינויים טמפרטורה וזן מכני עם החלטות במיקרו-אימון והיקף של דרגות צלזיוס.היכולת של הטכנולוגיה לתמוך במאות נקודות רגישות לאורך סיבים אופטיים בודדים - טכניקה המכונה גל-מחדש-מחדש מספר חיישנים - לעומת זאת, ירידה דרמטית של מורכבות.

מה הם סיבים אופטיים Bragg Gratings?

(הופנה מהדף ה- Optical סיבים Bragging הוא מודולציה תקופתית של מדד השביראקטיבי לאורך קטע קצר של הליבה אופטית - בדרך כלל 1 עד 20 מ"מ אורך.המודולציה הזו נוצרת על ידי חשיפת הסיבים לסגולה אינטנסיבית (UV) אור באמצעות מסיכה שלב, אשר מדפוס את האור להפרעות הליבה החשוף עובר עלייה קבועה באינדקס השביר, ומייצר מבנה רחב של 2.

כל שינוי בטמפרטורה או בזנים משנה את NIRFLT:0.10.10.1 או ⁇ (או שניהם), גרימת שינוי מתאים באורכי הגל המשקף.שינוי זה הוא מה שמאפשר FBGs לתפקד כחיישנים רגישים, ליניאריים מאוד.היכולת הטבוע קוד חישה מידע ישירות בתחום הגל - ולא בעוצמה או שלב - מספק חסינות חזקה לעוצמה ולצמצם את הפחתת ההפרעות הגדולות כמו בריקודים או לעצימות, כמו גם לעצימות גדולות יותר, כמו שיטות אחרות.

עקרון הפעולה: מצב הראג ומשמרת הגלים

מערכת היחסים הבסיסית השולטת ב-FBG היא מצב ה- Bragg. for aמדים, אורך הגל המשקף נקבע אך ורק על ידי התקופה המחוספסת והאינדקס השביר היעיל (כאשר הגרף נתון לזנים ( ⁇ T), אורך המשמר הגל ⁇ FLT:0BFLT:1 הוא ביטוי כמו:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאן, pigtureFLT:0. [0]EsFLT:1 הוא יעיל photoela coefficient (בדרך כלל - 0.22 עבור סיבי סיליקה), α הוא ההתרחבות תרמית coefficient, ו ⁇ הוא המקדם התרמואופטי.מערכת יחסים ליניארית זו מחזיקה מעל טווח רחב של זנים (עד כמה אלפי מיקרוסול) וטמפרטורה (מבוכה עד כמה מאות מעלות צלזיוס), מה שהופך את cabration.

אחד חשוב ניואנס הוא רגישות בין-לח: הן הטמפרטורה והן הלחץ משפיעים על אורך הגל בו-זמנית.בפרקטיקה, מערכות מדידה משלבות לעתים קרובות הפניה FBG כי הוא מוגן מזן אך חשופים לטמפרטורה, או שהם משתמשים בתצורה כפולה-מחדשת כדי להפריד את שתי ההשפעות.טכניקות מתקדמות, כגון שימוש במריצות שנכתבו בסוגים שונים של סיבים (למשל, regenerated FBGs לטמפרטורות גבוהות) או לבודדות, או לטמפרטורה נוספת.

שיטות חקירה

כדי להמיר את השינויים באורך הגל במדידות, יחידת חוקר חייבת להאיר את FBG ולזהות את הספקטרום המשקף.

  • (FLT:0)Spectrometer מבוסס: FLT:1 השתמש במערך דיפרנציציה של photodetector ליניארי כדי ללכוד את הספקטרום המלא המתאים ליישומים מעבדה ומהירות בינונית.
  • מקור לייזר בלתי ניתן לתפוצה:0 (FLT:1 Viseps a לייזר על פני טווח גל של FBG, גילוי השתקפות שיא מציע פתרון גבוה ושיעורי סריקה מהירים, אידיאלי עבור ניטור זן דינמי.
  • שיטת סינון:0 (Edge filter Method: FLT:1rea) הופכת שינויים אורכי גל לשינויים אינטנסיביים באמצעות מסנן תלוי גל, המאפשרת מדידה מהירה מאוד (MHz) בעלות טווח דינמי.
  • (ב) [15] ,0) ,ב"מ: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חוקרים מסחריים מודרניים יכולים לפקח על מאות חיישנים FBG בו זמנית בשיעורי דגימה מעל 10 kHz, מה שהופך אותם מתאימים לניתוח רטט ושליטה בזמן אמת.

טמפרטורה עם FBGs

חיישני טמפרטורה FBG מנצלים שתי השפעות עיקריות: ההתרחבות התרמית של הסיבים (ששינויים ב- ⁇ ) ואת התלות הטמפרטורה של מדד השבירה (אפקט תרמו-אופטי) עבור סיבים סטנדרטיים של אחליקה, הרגישות הטמפרטורה היא בערך 10-12 / ° C ב 1550 nm. עם חוקרים ברזולוציה גבוהה יותר מ 1:00, FBGs יכול לזהות שינויים קטנים כמו 0.

יתרון קריטי של FBGs על פני thermocouples או גלאי טמפרטורה התנגדות (RTDs) הוא היכולת שלהם לפעול בסביבות קשות - מתח גבוה, שדות מגנטיים חזקים, אטמוספירה קורוזית, או קרינה אינטנסיבית. לדוגמה, FBGs כבר הוצבו בתוך כור גרעיני עבור ניטור טמפרטורה ליבת, שבו אלקטרוניקה קונבנציונלית להיכשל.

חיישן טמפרטורה FBG מיוחד

מספר וריאציות של חיישני טמפרטורה FBG פותחו כדי להתמודד עם אתגרים ספציפיים:

  • (FLT:0) ,regenerated FBGs (RFBGs): LT:1 שנוצר על ידי אנמדן תרמי של גרינג סטנדרטי, RFBGs יכול לעמוד בטמפרטורות עד 1200 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותם מתאימים לטורבינות גז וכבשה ניטור.
  • (ב) ⁇ (ב"ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)FBGss:03FLT ( 1:1 הגדלת הרגישות לטמפרטורה (עד 200 / 20 מעלות צלזיוס) באמצעות מעיל פולימר עם מקדם התרחבות תרמי גבוה, שימושי עבור טמפרטורה נמוכה או יישומים רגישות גבוהה.
  • (FLT:0) אורך הגלים FBGs:BuildFLT:1 ; שני תחריטים על-ידי אורכי גל שונים מספקים יחס עצמי, ביטול הצורך בתקשור נפרד.

סטרין סאנסינג עם FBGs

כאשר עומס מכני מוחל על סיבים אופטיים המכילים FBG, התקופה המחוספסת משתנה עקב עיוות אלסטי, המוביל לשינוי באורכי גל Bragg. הרגישות תלויה באפקט photoelastic ואת חומר הסיבים. עבור סיבי חד-מודד סטנדרטי, הרגישות היא בערך 1.2 / ⁇ (מיקרומנט) ב 1550 n עם אותות מתאימים, חיישנים מעטים יכול לפתור חיידקים.

אחת האפליקציות הנפוצות ביותר של FBG זנים חישה היא ניטור בריאות מבני (SHM) FBGs מוטבע או מעוקל על פני השטח על גשרים, מנהרות, סכרים, להבים טורבינות רוח, כנפיים מטוסים, וספינת hulls כדי לזהות עיוותים, סדקים, ועייפות.היכולת שלהם ליצור חיישנים צפופים לאורך סיביים בודדים - עם גלים זעירים, המאפשרים של 2 ק"מ, כולל רוחב של 2 ק"מונים, לדוגמה, 000 של גשר אופטיים, 000.

דינמי לעומת Static Strain

חוקרי FBG יכולים למדוד את סטטי (quasi-static) ואת הזן דינמי.מדידות דינמיות, עד כמה קילווהרץ, משמשים למעקב אחר רטט, ניתוח מודולי, וזיהוי השפעה. in aerospace, FBGs הוטבעו על מבנים מטוסים מורכבים לפקח על עומסי טיסה לזהות נזק מתקיפות ציפורים או שביתות ברקים.

המונחים: Strain Measurement

  • (FLT:0 ;0) פיצויי Temperature: 1 משום שה-FBG מגיב לטמפרטורה ולמתח, התייחסות FBG כי הוא מתוח (למשל, מחלחל בשחפת רופפת) חייב להיות כלול כדי להכפיש את רכיב הטמפרטורה.
  • (FLT:0)Gauge factor calibration: ⁇ 1) רגישות הזן צריך להיות calibrated עבור סיבים ספציפיים ציפוי, כמו coefficients עשוי להשתנות מעט עם תנאי לצייר.
  • (FLT:0) שיטת ההארה: (FLT:1) FBGs מעוקל בדרך כלל מחובר עם דבקים גבוהים (למשל, Cyanoacrylate לטווח קצר, epoxy לטווח ארוך) או שנרש באמצעות כתמים מורכבים מתכת.
  • (FLT:0)Fatigue and עמידות:FLT:1 , Silica אופטי סיבים הם בשפע אבל יכול לשרוד מיליוני מחזורים ברמות מתוח בינוניות (fewאלף ⁇ ) עבור יישומים זנים גבוהים יותר, סיבים מיוחדים עם כוח גבוה יותר או ציפוי מתכתי זמינים.

היתרונות של FBG חיישן על פני קונבנציונאליות טכנולוגיות

חיישני FBG מציעים מערך משכנע של הטבות אשר הובילו את האימוץ שלהם בתעשיות:

  • (FLT:0) חסינות אלקטרונית: FLT:1 מאחר שהרכיב המחישה הוא אופטי, FBGs אינם מושפעים על ידי EMI, התערבות רדיו- ⁇ (RFI), וברק.זה הופך אותם אידיאליים עבור תחנות כוח, תת-קרקעיות חשמליות, רכבות וסביבות MRI רפואיות.
  • (FLT:0) יכולות מורכבות: FLT:1) סיבים בודדים יכולים לארח עשרות או אפילו מאות גרורות, כל אחד עם אורך גל ייחודי של בראג.זה מאפשר לפיצול עם קנונית מינימלית, צמצום משקל ועלויות ההתקנה.
  • (FLT:0) גודל קטן וקל משקל: 1FLT:1 An FBG הוא הכלב בתוך סיבים 125 ⁇ m-diameter, מוטבע בקלות לתוך מקררות, בטון, או חלקי מתכת ללא שילוב של יושרה מבנית.
  • (FLT:0) רגישות ודיוק: 1FLT:1 חוקרי מודרני להשיג את החלטת אורך גל תת-ממד, תרגום לזן תת-מיקרו-מרפא ורזולוציה של טמפרטורה תת-0.1 מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0) יציבות ואמינות לטווח ארוך: FBGs מציג סחף רשלני לאורך שנים של פעילות, במיוחד כאשר ארוזים כראוי.
  • רוחב פס גבוה ורגיש מרחוק: ההרחבה 1) סיבים אופטיים יכולים לשדר אותות מעל עשרות קילומטרים עם אובדן נמוך, המאפשר ניטור מרחוק של צינורות, פלטפורמות offshore מבנים בלתי נגישים.
  • (ב) ⁇ :0 (ב) בטיחות פנימית: FBGs אינם בטוחים לשימוש בסביבות נפץ או דלות (למשל, זיקוקים, מכרות פחם).

יישומים עיקריים של FBG טמפרטורה ו- Strain Sensors

אוויר והגנת

חיישני FBG משמשים נרחב בתחום התעופה ניטור בריאות מבני של מסגרות אוויר, כנפיים ורכיבי מנוע.הם מספקים נתונים בזמן אמת מתוח במהלך בדיקות קרקע, בדיקות טיסה, ניטור שירות, עוזר לזהות עייפות ונזק לפני כשלון קטסטרופלי.טמפרטורות רגישות היא קריטית עבור ניטור מנוע טורבינות והערכה מערכת הגנה תרמית.

תשתיות אזרחיות

גשרים, מנהרות, סכרים, ומבנים גבוהים מופעלים עם רשתות FBG כדי לפקח על זן, עקירה וטמפרטורה.לדוגמה, גשר הקונפדרציה בקנדה וגשר מא בהונג קונג להשתמש בערכי FBG עבור הערכת בריאות ארוכת טווח. FBGs מוטבע גם בטון במהלך לשפוך כדי לפקח על טמפרטורה ומאמץ מוקדם, צמצום הסיכון של סדקים תרמיים.

אנרגיה ודור כוח

בתעשיית הנפט והגז, FBGs לפקח על צינורות, ⁇ טמפרטורה, ודלפות.הם פרוסים בסביבות חורות עבור ניטור מאגר תחת לחץ גבוה וטמפרטורה. להבים טורבינות רוח להשתמש בחיישנים FBG עבור ניטור מצב, המאפשר תחזוקה חיזוי ויעילות משופרת. צמחי כוח גרעיני מעסיקים FBGs עבור ניטור טמפרטורה בתוך ריבור מעקב ו מעקב מבני עקב התנגדות קרינה שלהם.

רפואי וביוטכנולוגיה

חיישני FBG משמשים יותר ויותר במכשירים רפואיים בגלל הגודל הקטן שלהם, אינטונציה כימית, ו תאימות MRI. יישומים כוללים לחץ תוך עיני רגיש עבור DrDeramus, ניטור טמפרטורה במהלך טיפולים היפרתרמיה, ו זנים רגישים בשתלים אורתודופיליים. Catheter-tip FBG מכשירים מאפשרים לחץ פולשני מינימלי ומדידות טמפרטורה במהלך ניתוחים.

פיקוח גיאוגרפי וסביבתי

מפולות קרקע, רעידות אדמה ונחיתות קרקע ניתן לעקוב על ידי הטמעת מערך חיישן FBG במדרונות או עפעפיים. החיישנים מודדים שינויים בזנים וריאציות טמפרטורה, מתן התראה מוקדמת של חוסר יציבות מדרונות. ניטור קרחונים, FBGs שיא דינמי ודינמיקה מכנית בסביבות מרוחקות, קרות.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלהם, חיישני FBG מתמודדים עם מספר אתגרים:

  • (FLT:0Cross-רגישות:FLT:1) טמפרטורה ואפקטי זנים דורש תכנון מערכת זהיר, במיוחד בסביבות שבו שניהם משתנים במקביל.
  • (FLT:0)ביליטר של סיבים אופטיים:FreaLT:1 למרות ציפויים מגן ואריזות עזרה, סיבי הסיליקה נותרים שבריריים מתחת לכבלים גבוהים או השפעה.
  • עלות הבין-לאומית: 1FLT 1 (החומרים בעלי ביצועים גבוהים) יכולה להיות יקרה, אם כי עלויות מופחתות ככל שהטכנולוגיה מתבגרת.
  • (FLT:0) טווח דינמי לעיוותים גדולים: אנדרט 1:1 טווח הזן של FBG הוא בדרך כלל עד 5000 ⁇ . עבור זנים גדולים (למשל, בכשלים גיאוטכניים), תחריטים מיוחדים או FBGs דחוסים נדרשים.
  • (FLT:0) מגבלות פיתוי: 1.FLT:1 סטנדרטי מתפתל מעל -300 מעלות צלזיוס, רגנרated ו- sapphire FBGs מרחיבים את הטווח אך יש להם עצירות מסחר ברגישות או עלות.
  • (FLT:0) ויציבות באורך מלא: FLT:1 אורך הגל Bragg יכול להיסחף בשל ההזדקנות של הסיבים או החבילה, הדורשת החלמה תקופתית בפריסה ארוכת טווח.

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

מחקרים מתקדמים נועדו להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולהרחיב את יכולות חיישן FBG. מגמות מפתח כוללות:

  • (FLT:0) עיצובים מתקדמים:FLT:1rea שלב-השינוי FBGs, FBGs מאולתר, ו-FBGs נוטה לאפשר רגישות מוגברת, תכונות ספקטרליות צרות, ופרמטרים חדשים של רגישות כגון אינדקס השבירה או התכופות.
  • (FLT:0)Distributed אקוסטית חישה (DAS) עם מערך FBG:FLT:1 בעוד DAS בדרך כלל משתמשת Rayleighפיזור, FBG מערך מציעים יחס גבוה יותר לגוון עבור מדידות זנים כמותיים. Advances במערך FBG גבוה (למשל, באמצעות שימוש בכתובות לייזר של העובר) מאפשר יחס אמיתי עם רזולוציה תת-קרקעית מבוזרת.
  • (FLT:0) גידול בחומרים מורכבים:FreaLT:1) Embedding FBGs לתוך סיבים פחמן או סיבים זכוכית מרוכבים במהלך הייצור מאפשר "מבנים חכמים" כי מתח חיובי עצמי וטמפרטורה לאורך כל חייהם.
  • עיבוד אותות מופעל על ידי FLT:0 (AI-Power Detation:0) אלגוריתמי למידת מכונה מפותחים כדי לפרש באופן אוטומטי משמרות מורכבות גל מ- FBGs מרובים, המאפשר זיהוי דפוס עבור זיהוי נזק ותחזוקה חיזוי.
  • החוקרים (FLT:0)Low-costurogators: IntegratedFLT:1 קומפקטי, חוקרי כוח נמוך (כולל פוטוניקה בקנה מידה שבב) מופצים, פותחים את טכנולוגיית FBG ליישומים בשוק המוני במכוניות, אלקטרוניקה צרכנית ובניינים חכמים.
  • (FLT:0) מערכות רגישות של חישה: ibph:1 משלב FBGs עם טכנולוגיות סיבים אופטיים אחרים (למשל, Brillouin, Raman, interferometricחיישנים) מספק חישה רב-פרמטר (אימון, טמפרטורה, רטט, לחץ) מרשת אופטית אחת.

מסקנה

אופטית סיבים Bragg Gratings ביססה את עצמם כטכנולוגיה מובילה עבור סיבים אופטיים מדויקים, מבוזרים טמפרטורה וזן חישה מתפשטת.היכולת הייחודית שלהם לפעול בסביבות קשות, חיסונית להפרעות אלקטרומגנטיות, ולהיות מרבים על סיבים אופטיים אחד גורם להם להיות יקר ערך עבור תשתיות קריטיות, אוויר, אנרגיה, ויישומים ביו-רפואיים יותר, בעוד אתגרים כגון מעברים וסמפוטנטיבות, מתמשך, כמו שיטות מחקר מדעיות יותר ויותר יעילות יותר, ממשיכים להיות יותר, כמו גם יותר ויותר.

(ב) לקריאה נוספת, לחקור את מסד הנתונים של ההרחבה של מהדורת 1 (OSA Publishingcioph:1 , ארכיון על חיישני סיבים, FLT:2IEEE Xploreph3 עבור מחקרים בתיקי יישומים, ו-FLT:4 המכון הלאומי של התקנים וטכנולוגיהFLT:5 הנחיות עבור סיבים חיישן אופטי.