Kann die Faser messen, wie oft eine Maschine pro Sekunde vibriert, wenn sie stark vibriert?
Ja, faseroptische Sensortechnologie kann mechanische Schwingungen messen und die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (d. h. die Schwingungsfrequenz, gemessen in Hz) genau bestimmen.
In Ingenieurwesen und Physik sind die Prinzipien und technischen Grenzen der Schwingungsfrequenzdetektion mittels faseroptischer Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating, FBG) wie folgt:
1. Physikalisches Messprinzip
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Dynamische Dehnungsreaktion
Wenn eine Maschine heftig vibriert oder zittert, entstehen an ihrer Oberfläche periodisch wechselnde dynamische Dehnungen (Dynamic Strain). Wenn der Faser- oder FBG-Sensor starr an der Oberfläche des Messpunkts der Maschine befestigt ist, wird diese wechselnde Dehnung direkt auf den Faserkern übertragen. -
Wellenlängen-Modulationsmechanismus
Gemäß dem Reflexionsprinzip eines faseroptischen Bragg-Gitters gilt für seine zentrale Reflexionswellenlänge \lambda_B:\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \LambdaHierbei sind n_{\text{eff}} der effektive Brechungsindex des Faserkerns und \Lambda die Gitterperiode. Die wechselnde mechanische Schwingung führt dazu, dass das Gitter sich dehnt und komprimiert, was zu einer dynamischen periodischen Verschiebung von \Lambda und n_{\text{eff}} mit der gleichen Frequenz führt.
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Frequenzextraktion (FFT-Transformation)
Wenn das Demodulationsgerät die zeitliche Verschiebung der reflektierten Wellenlänge (Wellenlänge vs. Zeit) mit hoher Geschwindigkeit erfasst, kann durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) des diskreten Zeitsignals direkt das Spektrum der Maschinenbewegung gewonnen werden. So können die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (Grund- und Oberschwingungsfrequenzen) und die entsprechende Amplitude präzise abgelesen werden.
2. Der Schlüssel zur Bestimmung der maximalen Messfrequenz: Abtastrate und Nyquist-Theorem
Ob das faseroptische System „Schwingungen pro Sekunde“ genau messen kann, hängt nicht vom Glasfaser selbst ab (die Lichtgeschwindigkeit im Glasmedium hat praktisch keine mechanische Hysterese), sondern von der Abtastfrequenz (Sampling Rate, f_s) des FBG-Demodulators.
Gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem (Nyquist-Shannon Sampling Theorem) muss die Abtastfrequenz f_s des Demodulators mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz f_{\text{max}} des zu messenden Signals:
f_s > 2 f_{\text{max}}
Bei der Rekonstruktion von realen technischen Signalen wird üblicherweise empfohlen, die Abtastfrequenz 5- bis 10-mal höher als die Schwingungsfrequenz anzusetzen, um Wellenverzerrungen und Aliasing-Effekte zu vermeiden:
- Wenn die Maschine 10 Mal pro Sekunde zittert (10 Hz), muss die Abtastrate des Demodulators 50 Hz bis 100 Hz erreichen.
- Wenn die Maschine Hunderte von Malen pro Sekunde zittert (z. B. bei schnell rotierenden Maschinen), sind dynamischere Demodulationsgeräte mit höherer Geschwindigkeit erforderlich.
3. Offizielle Demodulationssysteme und Spezifikationen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.
Die Standardausrüstung zur Demodulation von Schwingungssignalen ist der OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.
Wichtige Spezifikationen:
- Datenerfassungsrate (Sampling Rate): Unterstützt wahlweise 10 Hz, 50 Hz, 100 Hz (kann in der Systemsoftware selbst eingestellt werden, minimal 1 Hz).
- Messbereich: Bei einer Abtastrate von 100 Hz kann dieses System mechanische Vibrationen im Bereich von etwa 20 Hz bis 50 Hz (d. h. niederfrequente Vibrationen mit Dutzenden von Schwingungen pro Sekunde) genau analysieren.
- Wellenlängenauflösung: Standardmäßig 1 pm (kundenspezifisch 0,1 pm), Wellenlängenbereich standardmäßig 1525–1565 nm oder 1528–1568 nm.
- Kanal-Konfiguration: Wahlweise 4, 8, 16 oder 32 Kanäle.