La fibre optique peut-elle mesurer le nombre de secousses par seconde lors de tremblements importants de la machine ?
Oui, la technologie de détection par fibre optique peut tout à fait mesurer les vibrations mécaniques et déterminer précisément le nombre de vibrations par seconde (c’est-à-dire la fréquence de vibration, mesurée en \text{Hz} ).
En ingénierie et en physique, le principe et les limites de la détection de fréquence de vibration à l’aide de réseaux de fibre de Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG) sont les suivants :
I. Principe physique de mesure
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Réponse à la déformation dynamique
Lorsqu’une machine subit de fortes secousses ou vibrations mécaniques, une déformation mécanique dynamique périodique (Dynamic Strain) se produit à sa surface. Lorsque le capteur à fibre optique ou à réseau de Bragg est rigidement fixé à la surface du point de mesure de la machine, cette déformation alternée est transmise directement au cœur de la fibre optique. -
Mécanisme de modulation de longueur d’onde
Selon le principe de réflexion d’un réseau de fibre de Bragg, sa longueur d’onde centrale de réflexion \lambda_B satisfait l’équation suivante :\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambdaoù n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur et \Lambda est la période du réseau. Les vibrations mécaniques alternées provoquent une déformation d’étirement et de compression du réseau, entraînant une dérive dynamique périodique de \Lambda et n_{\text{eff}} à la même fréquence.
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Extraction de fréquence (transformation FFT)
Le dispositif de démodulation capture à haute vitesse le signal temporel de la dérive dynamique de la longueur d’onde de réflexion (Longueur d’onde vs. Temps). En appliquant une transformation de Fourier rapide (FFT) au signal discret dans le domaine temporel, on obtient directement le spectre de vibration de la machine, permettant ainsi de lire précisément le nombre de vibrations par seconde (fréquence fondamentale et harmoniques) ainsi que l’amplitude correspondante.
II. Clé pour déterminer la limite supérieure de fréquence : taux d’échantillonnage et théorème de Nyquist
La capacité d’un système à fibre optique à mesurer avec précision le « nombre de secousses par seconde » ne dépend pas intrinsèquement de la fibre optique elle-même (la vitesse de la lumière dans le milieu vitreux a une réponse quasi instantanée sans décalage mécanique), mais dépend du taux d’échantillonnage (Sampling Rate, f_s) de l’interrogateur de réseau de fibre de Bragg.
Selon le théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon :
Le taux d’échantillonnage des données f_s de l’interrogateur doit être au moins supérieur à 2 fois la fréquence la plus élevée du signal mesuré f_{\text{max}} :
f_s > 2 f_{\text{max}}
Dans la restitution réelle des signaux d’ingénierie, afin d’éviter la distorsion de forme d’onde et les phénomènes de repliement (aliasing), il est généralement recommandé d’utiliser un taux d’échantillonnage de 5 à 10 fois la fréquence de vibration, voire plus :
- Si la machine vibre 10 fois par seconde ( 10\ \text{Hz} ), le taux d’échantillonnage de l’interrogateur doit être de 50\ \text{Hz} \sim 100\ \text{Hz} ;
- Si la machine vibre plusieurs centaines de fois par seconde (par exemple, des machines rotatives à haute vitesse), un équipement de démodulation dynamique à plus haute vitesse est nécessaire.
III. Systèmes et spécifications de démodulation pertinents de l’entreprise
L’équipement standard de démodulation de signaux de vibration est l’Interrogateur de réseau de fibre de Bragg OFSCN®.
Spécifications clés :
- Taux d’échantillonnage des données : Supporte 10\ \text{Hz} , 50\ \text{Hz} , 100\ \text{Hz} en option (réglable indépendamment dans le logiciel système, minimum 1\ \text{Hz} ).
- Plage de mesure applicable : Lors de la configuration d’un taux d’échantillonnage de 100\ \text{Hz} , ce système peut analyser avec précision la période et la fréquence des vibrations mécaniques comprises dans les 20\ \text{Hz} \sim 50\ \text{Hz} (c’est-à-dire des vibrations de basse à moyenne fréquence, jusqu’à plusieurs dizaines de vibrations par seconde).
- Résolution de longueur d’onde : Par défaut 1\ \text{pm} (personnalisable à 0.1\ \text{pm} ), plage de longueurs d’onde par défaut 1525 \sim 1565\ \text{nm} ou 1528 \sim 1568\ \text{nm} .
- Configuration des canaux : 4 canaux, 8 canaux, 16 canaux, 32 canaux en option.