Sensor Berbasis Kisi Bragg Serat

Unduh PDF

Perkenalan

Dalam industri kelistrikan dan elektronik, keberadaan tegangan tinggi dan interferensi elektromagnetik yang tinggi dapat menyebabkan kegagalan sensor elektronik. Hampir tidak mungkin bagi sensor konvensional untuk melakukan pengukuran dalam kondisi seperti itu. Solusi yang baik untuk masalah ini adalah pengukuran parameter menggunakan sensor FBG berbasis serat optik. Kisi-kisi Fiber Bragg Sensor (FBG) ringan, mudah dipasang, dan memiliki kemampuan multiplexing untuk mendeteksi berbagai parameter seperti suhu, regangan, beban, tekanan, dll. pada titik-titik berbeda di kabel sensor yang sama. Sensor konvensional membutuhkan daya listrik untuk beroperasi. Sensor serat optik bersifat pasif dan dapat diletakkan beberapa ratus kilometer di sepanjang jalur transmisi, pipa gas, dll. tanpa memerlukan pasokan listrik.

FBG bekerja sebagai reflektor Bragg terdistribusi yang dibangun pada serat optik dengan bantuan variasi periodik indeks bias inti serat mode tunggal. Ketika cahaya melewati FBG, cahaya akan memantulkan panjang gelombang cahaya tertentu dan mentransmisikan semua cahaya lainnya. Ketika suhu atau regangan di sekitar kisi berubah, pergeseran panjang gelombang pantulan diamati.

Konstruksi dan Prinsip Kerja

FBG adalah sensor optik yang dibuat dengan mengekspos inti serat mode tunggal secara lateral ke pola periodik cahaya laser UV yang intens. Paparan tersebut membentuk peningkatan permanen pada indeks bias (η) inti serat yang menciptakan modulasi indeks tetap yang dikenal sebagai kisi (Λ). Kisi di dalam inti serat optik akan memantulkan panjang gelombang tertentu dari cahaya masukan, yang dikenal sebagai panjang gelombang Bragg λ_Bragg berkorelasi dengan periode kisi dan mentransmisikan semua yang lain seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Panjang gelombang Bragg diberikan oleh persamaan,

Ketika periode kisi mengembang atau menyusut karena perubahan suhu/regangan, perubahan panjang gelombang yang dipantulkan diukur seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Desain sistem sensor FBG

Konfigurasi sistem sensor FBG untuk Penginderaan Beban/Suhu/Tegangan   

Pergeseran dalam panjang gelombang Bragg yang dipantulkan dideteksi dengan bantuan unit interogasi seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas ketika terjadi perubahan sifat fisik dan diberikan oleh persamaan.

dimana p_{Bahasa Inggris:} adalah koefisien regangan-optik, ֐ adalah regangan yang disebabkan, α adalah koefisien ekspansi termal, ζ adalah koefisien termo-optik dan ΔT adalah perubahan suhu. Persamaan di atas menyatakan bahwa pergeseran Bragg merupakan fungsi dari suhu dan regangan. Untuk serat silika, nilai p_{Bahasa Inggris:} = 0,22 dan koefisien lainnya diketahui.

Aplikasi FBG dalam Pengukuran Suhu

FBG banyak digunakan dalam aplikasi suhu untuk jaringan pipa gas, eksplorasi minyak-gas, penelitian dan pengembangan, dll. Dari persamaan 2, dapat dikatakan bahwa pergeseran panjang gelombang Bragg merupakan fungsi dari suhu dan regangan. Untuk mengukur suhu saja, sensor FBG ditanamkan di dalam casing pelindung dengan kedua ujung longgar untuk mengabaikan efek regangan. Penanaman FBG dilakukan untuk melindunginya dari lingkungan eksternal dalam pengukuran suhu.

Pengaturan eksperimen pengukuran suhu dengan FBG  

FBG titik tunggal dioperasikan pada kisaran suhu 600 °C pada pengaturan uji eksperimental. FBG tetap berhubungan dengan pemanas dan RTD sebagai sensor referensi untuk memantau dan mengatur panas ke FBG. Pasokan 12 V DC digunakan. Dasar penginderaan suhu FBG adalah mendeteksi pergeseran puncak panjang gelombang Bragg yang sesuai dengan suhu tersebut.

Pergeseran puncak panjang gelombang Bragg diberikan oleh persamaan di bawah ini,

Sensitivitas suhu sensor FBG sekitar 11,5 pm/°C.

Aplikasi FBG dalam pengukuran regangan

Regangan adalah ukuran perubahan panjang berdasarkan panjang asli L sensor saat menerapkan tegangan. Di atas tegangan yang diterapkan pada serat, regangan yang sesuai akan menjadi ΔL/L. Kompensasi suhu diperlukan karena suhu memengaruhi dimensi fisik akibat ekspansi termal. Dengan menggunakan sensor FBG, pengukuran regangan saja memerlukan penghapusan efek suhu dalam menentukan pergeseran panjang gelombang. Ini dapat dilakukan dengan memasang sensor suhu FBG di sepanjang sensor untuk mengompensasi efek suhu lokal pada FBG. Oleh karena itu, kami telah mengurangi persamaan (3) dari persamaan (2) untuk mendapatkan persamaan (5) di bawah ini untuk mengukur regangan.

Sensitivitas regangan sensor FBG keluar sekitar 1,02 pm / µε.

Aplikasi Lain dari Sensor FBG

1. Sensor FBG dapat digunakan sebagai akselerometer optik dalam pengukuran getaran struktur, mesin berat, jembatan dan rel kereta api.

Pada gambar di bawah ini ditunjukkan pola getar FBG yang terjadi karena regangan dinamis pada balok kantilever,

2. Beberapa parameter dapat diukur pada saat yang sama seperti suhu, beban, regangan, tekanan, getaran, kemiringan

3. Aplikasi penginderaan titik tunggal dan multi titik di mana parameter lokasi yang ditentukan pengguna harus

4. Memiliki sensitivitas tinggi dan keandalan jangka panjang dibandingkan sensor konvensional. Untuk aplikasi yang membutuhkan sensitivitas tinggi, FBG merupakan solusi yang baik.