В этой статье объясняются необходимые знания о волновом отражении и интерференции (наложении волн) для понимания основных принципов волоконных решеток Брэгга. Она служит предварительной образовательной статьей о датчиках FBG для бесшовных капиллярных стальных труб OFSCN® производства DCYS.
Понимание фундаментальных волновых механик — в частности, явлений отражения и интерференции — имеет решающее значение для анализа поведения волоконных решеток Брэгга (FBG) и их производительности в качестве промышленных датчиков.
Волоконная решетка Брэгга представляет собой периодическую модуляцию показателя преломления сердцевины волокна вдоль оси распространения. Когда широкополосный оптический спектр запускается в сердцевину одномодового волокна, он сталкивается с этой периодической структурой.
На каждой границе микроструктуры с модуляцией показателя преломления малая доля прямо распространяющейся световой волны испытывает отражение Френеля. Этот процесс можно математически проанализировать как слабое отражение, происходящее на множественных, равномерно расположенных границах.
Множественные слабо отраженные назад волны распространяются в обратном направлении. Для подавляющего большинства длин волн эти отраженные волны находятся вне фазы и испытывают деструктивную интерференцию, продолжая проходить через решетку.
Однако на определенной длине волны — где разность фаз между отражениями от соседних периодов решетки является целым кратным 2\pi — отраженные волны испытывают конструктивную интерференцию (фазовое согласование). Этот уникальный спектральный компонент сильно отражается обратно к источнику, образуя узкополосный пик отражения.
Это соотношение определяется классическим условием Брэгга:
Где:
Любое внешнее физическое поле, изменяющее либо физический шаг решетки ( \Lambda ), либо показатель преломления сердцевины ( n_{\text{eff}} ), вызовет сдвиг отраженной длины волны Брэгга ( \Delta\lambda_B ).
Мониторинг сдвига длины волны ( \Delta\lambda_B ) с помощью высокоточного интеррогатора позволяет количественно определить точное состояние температуры или напряжения окружающей среды.
Хотя лежащая в основе оптика одинакова для всех FBG, голые волоконные решетки, такие как OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare), исключительно хрупки. В требовательных промышленных условиях или условиях мониторинга состояния конструкций (SHM) голые волокна подвержены микроизгибам, химической деградации и механическим отказам.
Для решения этих проблем используются специализированные технологии инкапсуляции. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (DCYS) использует запатентованную технологию упаковки в капиллярную бесшовную стальную трубу для своей основной линейки датчиков FBG. Эта упаковка защищает внутренний FBG от внешних сдвиговых сил, влаги и механических повреждений, одновременно поддерживая быструю теплопроводность и точную передачу деформаций.
OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Разработан с однослойной бесшовной стальной трубчатой упаковкой. Имеет стандартный внешний диаметр 0.9\text{ мм} (настраивается до 0.5\text{ мм} ) и надежно работает в диапазоне температур от -200\text{°C} до 300\text{°C} .
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Использует прочную однослойную бесшовную стальную трубчатую технологию (настраиваемую до многослойных вложенных структур) со стандартным внешним диаметром 0.9\text{ мм} , рассчитанную на работу в условиях от -200\text{°C} до 500\text{°C} .
OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Разработан для мониторинга экстремальных высоких температур, оснащен бесшовной инкапсуляцией из нержавеющей стали, способной выдерживать температуры до 800\text{°C} .
Для измерения этих сдвигов длины волны отражения в реальном времени датчики FBG сопрягаются с высокопроизводительными приборами демодуляции, такими как OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator, который обеспечивает многоканальный анализ длины волны со стандартными частотами дискретизации 10\text{ Гц} , 50\text{ Гц} или 100\text{ Гц} и высоким разрешением.
