Wstęp
W przemyśle elektrycznym i elektronicznym obecność wysokiego napięcia i silnych zakłóceń elektromagnetycznych może spowodować awarię czujnika elektronicznego. Pomiar za pomocą konwencjonalnego czujnika w takich warunkach jest praktycznie niemożliwy. Dobrym rozwiązaniem tego problemu jest pomiar parametrów za pomocą światłowodowego czujnika FBG. Siatka Bragga z włókien Czujnik (FBG) jest lekki, łatwy w montażu i posiada funkcję multipleksowania, umożliwiającą pomiar różnych parametrów, takich jak temperatura, naprężenie, obciążenie, ciśnienie itp. w różnych punktach tego samego kabla czujnikowego. Konwencjonalne czujniki wymagają zasilania elektrycznego do działania. Czujniki światłowodowe są pasywne i można je układać na liniach przesyłowych, gazociągach itp. na odległościach kilkuset kilometrów, bez konieczności dostarczania energii elektrycznej.
FBG działa jako rozproszony reflektor Bragga zbudowany na włóknie optycznym za pomocą okresowej zmiany współczynnika załamania światła rdzenia włókna jednomodowego. Gdy światło przechodzi przez FBG, odbija pewną długość fali światła i przepuszcza wszystkie inne. Gdy temperatura lub naprężenie wokół kratki ulegają zmianie, obserwuje się przesunięcie odbitej długości fali.
Budowa i zasada działania
FBG to czujnik optyczny wykonany przez boczne wystawienie rdzenia światłowodu jednomodowego na okresowy wzór intensywnego światła laserowego UV. Wystawienie powoduje stały wzrost współczynnika załamania (η) rdzenia światłowodu, tworząc stałą modulację współczynnika znaną jako kratka (Λ). Kratka wewnątrz rdzenia światłowodu musi odbijać określoną długość fali światła wejściowego, znaną jako długość fali Bragga λBragg koreluje z okresem kratki i przesyła wszystkie inne, jak pokazano na poniższym rysunku. Długość fali Bragga jest podana przez równanie,
Gdy okres kratki rozszerza się lub kurczy na skutek zmiany temperatury/odkształcenia, mierzona jest zmiana odbitej długości fali, jak pokazano na poniższym rysunku.
Projekt systemu czujników FBG
Konfiguracja systemu czujników FBG do pomiaru obciążenia/temperatury/odkształcenia
Zmiana odbitej długości fali Bragga jest wykrywana za pomocą jednostki analizującej, jak pokazano na powyższym rysunku, gdy następuje zmiana właściwości fizycznych i jest podana równaniem.
gdzie pmi jest współczynnikiem odkształcenia optycznego, Ԑ jest odkształceniem indukowanym, α jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, ζ jest współczynnikiem termooptycznym, a ΔT jest zmianą temperatury. Powyższe równanie mówi, że przesunięcie Bragga jest funkcją zarówno temperatury, jak i odkształcenia. W przypadku włókna krzemionkowego wartość pmi = 0,22, a inne współczynniki są znane.
Zastosowanie FBG w pomiarze temperatury
FBG są szeroko stosowane w zastosowaniach temperaturowych w gazociągach, poszukiwaniach ropy naftowej i gazu, badaniach i rozwoju itp. Z równania 2 można wywnioskować, że przesunięcie długości fali Bragga jest funkcją zarówno temperatury, jak i odkształcenia. Aby zmierzyć tylko temperaturę, czujnik FBG jest osadzony w obudowie ochronnej z obydwoma końcami luźnymi, aby pominąć wpływ odkształcenia. Osadzanie FBG ma na celu ochronę przed środowiskiem zewnętrznym podczas pomiaru temperatury.
Eksperymentalne stanowisko do pomiaru temperatury za pomocą FBG
Pojedynczy punkt gołego FBG był obsługiwany w zakresie temperatur 600 °C w eksperymentalnej konfiguracji testowej. FBG pozostawał w kontakcie z grzejnikiem i RTD jako czujnikiem odniesienia do monitorowania i regulacji ciepła do FBG. Zastosowano zasilanie 12 V DC. Podstawą pomiaru temperatury FBG jest wykrywanie przesunięcia szczytowego długości fali Bragga odpowiadającego tej temperaturze.
Przesunięcie szczytu długości fali Bragga jest podane w poniższym równaniu:
Czułość temperaturowa czujnika FBG wynosi około 11,5 pm/°C.
Zastosowanie FBG w pomiarach odkształceń
Odkształcenie jest miarą zmiany długości o oryginalną długość L czujnika po przyłożeniu naprężenia. Ponad przyłożonym naprężeniem na włókno odpowiadające odkształcenie będzie wynosić ΔL/L. Kompensacja temperatury jest wymagana ze względu na fakt, że temperatura wpływa na wymiary fizyczne z powodu rozszerzalności cieplnej. Używając czujnika FBG, pomiar odkształcenia wymaga wyeliminowania wpływu temperatury na określenie przesunięcia długości fali. Można to zrobić, instalując wzdłuż niego czujnik temperatury FBG, aby skompensować lokalny wpływ temperatury na FBG. Dlatego odjęliśmy równanie (3) od równania (2), aby uzyskać równanie (5) poniżej, aby zmierzyć odkształcenie.
Czułość na odkształcenia czujnika FBG wynosi około 1,02 pm/µε.
Inne zastosowania czujników FBG
- Czujniki FBG mogą być stosowane jako akcelerometry optyczne w pomiarach drgań konstrukcji, ciężkich maszyn, mostów i urządzeń kolejowych.
Na poniższym rysunku pokazano drgania FBG powstające w wyniku naprężeń dynamicznych belki wspornikowej.
2. Można mierzyć wiele parametrów jednocześnie, np. temperaturę, obciążenie, odkształcenie, ciśnienie, drgania i pochylenie.
3. Aplikacje do pomiaru pojedynczego i wielopunktowego, w których wymagane są parametry lokalizacji zdefiniowane przez użytkownika.
4. Ma wysoką czułość i długoterminową niezawodność w porównaniu z konwencjonalnymi czujnikami. W przypadku zastosowań wymagających wysokiej czułości, FBG jest dobrym rozwiązaniem.
