Dieser Artikel erklärt das notwendige Wissen über Wellenreflexion und Interferenz (Überlagerung), um die Grundprinzipien von Faser-Bragg-Gittern zu verstehen. Er dient als einführendes Schulungsartikel über die FBG-Sensoren für nahtlose OFSCN®-Kapillarröhren aus Stahl, die von DCYS hergestellt werden.
Das Verständnis der grundlegenden Wellenmechanik – insbesondere der Phänomene Reflexion und Interferenz – ist entscheidend für die Analyse des Verhaltens von Fiber Bragg Gratings (FBGs) und ihrer Leistung als industrielle Sensoren.
Ein Fiber Bragg Grating ist eine periodische Modulation des Brechungsindex des Faserkerns entlang der Ausbreitungsachse. Wenn ein Breitband-Optikspektrum in den Singlemode-Faserkern eingekoppelt wird, trifft es auf diese periodische Struktur.
An jeder Grenze der indexmodulierten Mikrostruktur erfährt ein kleiner Bruchteil der vorwärts laufenden Lichtwelle eine Fresnel-Reflexion. Dieser Prozess kann mathematisch als schwache Reflexion an mehreren, gleichmäßig verteilten Grenzen analysiert werden.
Die multiplen rückreflektierten schwachen Wellen breiten sich in umgekehrter Richtung aus. Für die überwiegende Mehrheit der Wellenlängen sind diese reflektierten Wellen phasenverschoben und erfahren eine destruktive Interferenz, wobei sie durch das Gitter transmittiert werden.
Bei einer bestimmten Wellenlänge – bei der die Phasendifferenz zwischen Reflexionen von benachbarten Gitterperioden ein ganzzahliges Vielfaches von 2\pi beträgt – erfahren die reflektierten Wellen jedoch eine konstruktive Interferenz (Phasenanpassung). Diese einzigartige Spektralkomponente wird stark zur Quelle zurückreflektiert und bildet einen schmalbandigen Reflexionspeak.
Diese Beziehung wird durch die klassische Bragg-Bedingung bestimmt:
Dabei gilt:
Jedes externe physikalische Feld, das entweder die physikalische Teilung des Gitters ( \Lambda ) oder den Brechungsindex des Kerns ( n_{\text{eff}} ) verändert, verursacht eine Verschiebung der reflektierten Bragg-Wellenlänge ( \Delta\lambda_B ).
Durch die Überwachung der Wellenlängenverschiebung ( \Delta\lambda_B ) mit einem hochpräzisen Interrogator kann der genaue Temperatur- oder Dehnungszustand der Umgebung quantitativ bestimmt werden.
Obwohl die zugrunde liegende optische Physik bei allen FBGs konsistent ist, sind nackte optische Fasergratings, wie z. B. OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare), außerordentlich empfindlich. In anspruchsvollen industriellen Umgebungen oder Umgebungen zur Überwachung der strukturellen Integrität (SHM) sind nackte Fasern anfällig für Mikrobogungen, chemische Degradation und mechanisches Versagen.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden spezielle Verkapselungstechnologien eingesetzt. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (DCYS) verwendet eine proprietäre kapillare nahtlose Stahlrohr-Verpackungstechnologie für seine Kern-FBG-Sensorreihe. Diese Verpackung schützt die interne FBG vor externen Scherkräften, Feuchtigkeit und mechanischen Beschädigungen, während sie gleichzeitig eine schnelle Wärmeleitfähigkeit und eine genaue Dehnungsübertragung gewährleistet.
OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperatursensor
Entwickelt mit einlagiger nahtloser Stahlrohrverpackung. Er verfügt über einen Standardaußendurchmesser von 0.9\text{ mm} (anpassbar bis zu 0.5\text{ mm} ) und funktioniert zuverlässig in einem Temperaturbereich von -200\text{°C} bis 300\text{°C} .
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperatursensor
Verwendet eine robuste einlagige nahtlose Stahlrohrtechnologie (anpassbar an mehrlagige verschachtelte Strukturen) mit einem Standardaußendurchmesser von 0.9\text{ mm} und ist für Umgebungen von -200\text{°C} bis 500\text{°C} ausgelegt.
OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperatursensor
Entwickelt für die Überwachung extremer Hochtemperaturen, mit einer nahtlosen Edelstahlrohrverkapselung, die Temperaturen bis zu 800\text{°C} standhält.
Um diese reflektierten Wellenlängenverschiebungen in Echtzeit zu messen, werden die FBG-Sensoren mit Hochleistungs-Demodulationsinstrumenten gekoppelt, wie z. B. dem OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator, der eine Mehrkanal-Wellenlängenanalyse mit Standard-Abtastraten von 10\text{ Hz} , 50\text{ Hz} oder 100\text{ Hz} und hoher Auflösung bietet.
