Sıcaklık ve Strain Sensing Uygulamalarında Optik Fiber Bragg Izgaralarının Kullanımı

Optik Fiber Bragg fikstürleri (FBG) tek bir elyaf boyunca bir temel teknoloji haline geldi ve onları havacılık yapısal sağlık izleme, sivil altyapı değerlendirme, petrol ve gaz boru hattı gözetimi ve hatta biyomedikal tanılarından dolayı zorlamak için gerekli olan temel avantajların altını çizerek, işletim prensiplerini, temel avantajlarının altını çizerek, çalışma prensiplerini ve bunları zorunlu kılarak biyomedikal teşhislerin aksine, biyomedikal teşhislerin değerlendirilmesi sağlar.

FBG sensörleri, mikrostrain ve alt derece aralığındaki çözünürlük noktalarına cevap veren belirli bir ışık dalgasını yansıtma prensibine göre çalışır - bu dalga geçişi tam olarak ölçerek, mühendisler mikrostrain ve alt derece aralığındaki çözünürlüklerle sıcaklık değişiklikleri ve mekaniksel gerginlikler azaltabilir. Teknolojinin tek bir optik fiber boyunca algılayıcı noktaları destekleme yeteneği - çok yönlü olarak bilinen bir teknik - geleneksel nokta sensörlerin kurulumunu ve maliyeti azaltır.

Optik Fiber Bragg Izgaraları Nedir?

Optik Fiber Bragg Izgara, bir faz maskesi ile dolu bir dizidür, ki bu ışık, arka segmentte kalıcı bir artıştır.[Dörtücükler, yüksek çözünürlükte 20 milimetreye kadar uzanır.)

Sıcaklık veya suskunmadaki herhangi bir değişiklik ya n[DÜDÜT:0)eff[Dönetici: 1) veya ⁇ (veya her ikisi), FBG'nin yüksek derecede hassas, lineer sensörler olarak işlev görmesini sağlayan bir değişimdir.

Operasyon Prensipleri: Bragg Durum ve Dalga Uzun Süreli

FBG sensörlerinin temel ilişkisi Bragg koşuludur. üniformalı bir grating için, yansıma dalgası yalnızca grating dönemi tarafından belirlenir ve etkili reraktif indeks tarafından belirlenir.Gereklemeler ( ⁇ ) veya bir sıcaklık değişikliğine maruz kalırken ({{T), dalga geçişi ⁇ ).

[FONT:0] ⁇ [DÜDÜT:1)[B][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT)[[[FONT) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

İşte p)e) etkili fotoelastic kat (tipik olarak ~0.22 for silik fiberler için), α termal genişleme katsayısıdır ve ⁇ , termo-optik kateltme sahiptir.Bu lineer ilişki geniş bir miktar fazla bir miktar fazla bir miktar fazla bir miktar gerginlik (birkaç bin mikrostrain) ve sıcaklık (birkaç yüz dereceye kadar) ve ısı (birkaç yüz dereceye kadar) ve kalibrasyonu sağlar.

Önemli bir nuance çapraz-sensitivitedir: Her iki sıcaklık ve aynı anda dalga geçmeyi etkiler. Uygulamada ölçüm sistemleri genellikle yüksek sıcaklıklar için FBG'yi içerir veya sıcaklıktan maruz kalır veya iki etkiyi ayırabilir. Gelişmiş teknikler, farklı fiber türlerde yazılmış gratings (örneğin, FBG'ler yüksek sıcaklıklar için) veya kuşluk değişikliğine maruz kalır, sıcaklık ve susabilir.

Aram Yöntemleri

Gürültüyü ölçümlere dönüştürmek için, sorgulayıcı bir birim FBG'yi aydınlatmalıdır ve yansıma spektrumunu tespit etmelidir. Common Interrogation approach include:

Modern ticari sorgulayıcılar, 10 kHz'yi aşan örnekleme oranlarında yüzlerce FBG sensörü izleyebilir ve bunları vibrasyon analizi ve gerçek zamanlı kontrol için uygun hale getirebilir.

Sıcaklık FBGs ile Cümle

FBG sıcaklık sensörleri iki birincil etkiyi kullanır: Fiber'in termal genişlemesi (bu değişiklikler ⁇ ) ve reraktif indeksin ısı bağımlılığı (projektif bir fiber için, sıcaklık duyarlılığı yaklaşık 10-12:00 / °C'dir. yüksek çözünürlüklü sorgulayıcılar 1'den daha iyi performans gösteren disk değişiklikleri 0.1 °C veya daha az olarak tespit edebilir.

FBG'lerin termo çiftleri veya direnç sıcaklık dedektörleri üzerinde kritik bir avantaj (RTDs) sert ortamlarda çalışabilme yeteneğidir - yüksek gerilim, güçlü manyetik alanlar, korrosive atmosferler veya yoğun radyasyon. Örneğin, FBGs, konvansiyonel elektronikler başarısız olacağının nükleer reaktörler içinde dağıtıldı.

Özelleştirilmiş FBG Sıcaklık Sensörleri

FBG sıcaklık sensörlerinin birkaç varyasyonu belirli zorluklarla ele almak için geliştirildi:

FBGs ile Strain Sensing with FBGs

Mekanik bir yük bir FBG içeren optik bir fibere uygulanırken, sertleştirici deformasyon nedeniyle dönem değişiklikleri, Bragg dalgalarında bir geçişe yol açıyor.Sürücük hassasiyet, fotoelastic bir kat ve fiber malzemeden bağlıdır. standart tek mod silik fiber için, suskanlığı hassaslığı yaklaşık 1.2 pm / nm (mikrostrain) ile 1550 nm. Doğru sinyal Klimalı, FBG su geçirmez sensörler mikrostrain birkaç onuncuya kadar çözülebilir.

FBG'nin en yaygın uygulamalarından biri yapısal sağlık izleme (SHM) FBG'ler köprüler, tüneller, barajlar, rüzgar türbinleri bıçakları, uçak kanatları ve tek bir optik fiber, çatlakları tespit etmek için, sürekli bir fiber oluşturmak için yeteneği - birkaç nanometrenin yanı sıra - yapıların kilometreler boyunca dağıtılabilir - yapıların haritalarını yukarı doğrultabilir. Örneğin, tek bir optik fiber 50 FBG uzaylı bir 2 metre uzakta taşıyabilir ve yorgunluk.

Dinamik vs. Statik Strain

FBG sorgulayıcıları hem statik (kusi-statik) hem de dinamik bir gerginlik ölçebilir. Dinamik ölçümler, birkaç kilohertz'a kadar vibrasyon izleme, modal analiz ve etki algılaması için kullanılır.Uzmanda FBG, esnek uçaklarda kuş grevlerini izlemek ve kuş grevlerini tespit etmek için monte edilmiştir.

Strain Ölçümü için Anahtar Tahminleri

FBG Sensörlerinin Avantajları Konvansiyonel Teknolojiler Üzerinde

FBG sensörleri, endüstriler arasında kabullerini yönlendiren değerli bir avantaj sunar:

FBG Sıcaklık ve Strain Sensörlerinin Büyük Uygulamaları

Havacılık ve Savunma

FBG sensörleri, hava çerçevelerinin, kanatların ve motor bileşenlerinin yapısal sağlığı izlemesi için havacılıkta yaygın olarak kullanılmaktadır.Yer testleri, uçuş testleri ve hizmet izlemesi sırasında gerçek zamanlı su kaynakları sağlar ve başlangıç sırasında yorgunluk ve hasar tespit eder. Sıcaklık algılaması, dönüşüm sırasındaki hasar için kritiktir. Sıcaklık algılama sistemi değerlendirme.In- FBGs krigen yakıt tank sıcaklıkları ve yapısal yükler sağlar.

Sivil Altyapı

Köprüler, tüneller, barajlar ve yüksek binalar, FBG ağlarını indirmek için yükseltilir, yer değiştirme ve sıcaklık. Örneğin, Kanada'daki Konfederasyon Köprüsü ve Hong Kong'daki Tsing Ma Bridge, uzun vadeli sağlık değerlendirmeleri için FBG serisini kullanır. FBG'ler de betonda gömülür.

Enerji ve Güç Nesil

Petrol ve gaz endüstrisinde FBG'ler boru hattının ısıtılması, ısı gradients ve sızıntılar. Yüksek basınç ve sıcaklık altında rezervuar izleme için alt ortamlarda dağıtılırlar. Rüzgar türbinleri FBG'nin sabit bakım ve geliştirilmiş verimlilik için sensörler kullanır.

Tıbbi ve Biyomedikal

FBG sensörleri, küçük boyutları, kimyasal inertness ve MRG uyumluluğu nedeniyle tıbbi cihazlarda giderek daha fazla kullanılıyor. Uygulamaların glaucoma, hiperthermia tedavileri sırasında sıcaklık izlemesi ve sismik implantlar sırasındaki algılaması. Catheter-tip FBG cihazları cerrahiler sırasında minimal olarak invazif basınç ve sıcaklık ölçümlerini sağlar.

Geoteknik ve Çevre İzleme

Araziler, depremler ve zemin sübvansiyonları, FBG sensör dizilerini eğimlerde veya deliklerde gömerek izlenebilir. Sensörler, eğimli dengesizliğe erken uyarı sağlar. glacier izleme, FBG rekor termal ve mekanik dinamikleri uzaktan, soğuk ortamlarda.

Meydanlar ve Sınırlar

Birçok avantajlarına rağmen, FBG sensörleri birkaç zorlukla karşı karşıya:

Future Trends and Research

Devam eden araştırmalar mevcut sınırlamaları aşmak ve FBG sensör yeteneklerini genişletmek amaçlamaktadır. Anahtar eğilimleri şunları içerir:

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Optik Fiber Bragg fikstürleri kendilerini doğru, güvenilir ve dağıtılmış bir sıcaklık ve su geçirmez algılama için bir birincil teknoloji olarak kurdular. Sert ortamlarda çalışabilmeleri, elektromanyetik müdahaleye bağışıklık ve tek bir optik fiber üzerinde çok yönlü olarak genişletildiler, eleştirel altyapı, havacılık, enerji ve biyomedikal uygulamalar için.Fıratıcılık ve fiber brittleness gibi zorluklar devam ederken, tasarımda devam eden ilerlemeler, sorgulayıcı yöntemler ve materyal bilimi, performans zarfına giderek daha verimli bir şekilde genişletiliyor.

Daha fazla okuma için, [[DÜSÜSÜ:0)OSA Publishing) fiber grating sensörler üzerinde arşiv, [[Üyetim:2)IEEE Xplore) Uygulama vaka çalışmaları için veritabanı ve [[Dönetici Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü)