Wie kann dieses Gitter gleichzeitig Druck und Temperatur messen?
Faser-Bragg-Gitter (PM-FBG) auf Basis von Polarisation erhaltenden Fasern (PMF) können gleichzeitig Temperatur und Druck (oder Dehnung) messen und entkoppeln, was hauptsächlich auf die einzigartigen physikalischen Eigenschaften der hohen Doppelbrechung (Birefringence) der PMF zurückzuführen ist. Das spezifische Funktionsprinzip kann aus den folgenden akademischen Perspektiven analysiert werden:
1. Physikalische Entstehungsmechanismen für doppelte Reflexionspeaks
Normale Singlemode-Fasern sind im Idealfall isotrop. Polarisationserhaltende Fasern (wie PANDA-Typ, Bow-Tie-Typ usw.) führen jedoch eine asymmetrische Spannungszone ein, die zu unterschiedlichen effektiven Brechungsindizes entlang der beiden orthogonalen Polarisationsachsen (langsame Achse slow axis und schnelle Achse fast axis) führt (bezeichnet als n_{\text{slow}} und n_{\text{fast}} ).
Wenn ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) in eine solche Faser geschrieben wird, sind die Bragg-Resonanzreflexionsbedingungen für die beiden orthogonalen Polarisationsmodi gegeben durch:
\lambda_{\text{slow}} = 2 n_{\text{slow}} \Lambda
\lambda_{\text{fast}} = 2 n_{\text{fast}} \Lambda
Hierbei ist \Lambda die physikalische Gitterperiode. Daher zeigt ein PM-FBG im Spektrum der optischen Kommunikationsdemodulation zwei unabhängige Wellenlängenpeaks der Reflexion, deren Abstand direkt durch den Doppelbrechungswert der Faser B = n_{\text{slow}} - n_{\text{fast}} bestimmt wird:
\Delta \lambda_{0} = \lambda_{\text{slow}} - \lambda_{\text{fast}} = 2 B \Lambda
2. Differenzielle Empfindlichkeit und Aufstellung von Gleichungssystemen
Wenn das PM-FBG externen Temperaturänderungen ( \Delta T ) und axialen Dehnungs-/Seitendruckfeldern ( \Delta \varepsilon ) ausgesetzt ist, verschieben sich sowohl die effektiven Brechungsindizes der beiden Polarisationsachsen als auch die physikalische Gitterperiode.
Aufgrund der Richtungsunterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten und elastischen Koeffizienten des Mantelmaterials der Spannungszone im Vergleich zum Siliziumdioxid-Kern ist die Empfindlichkeit der Polarisationsmodi entlang der langsamen und schnellen Achse gegenüber Temperatur und Druck nicht identisch (d. h. asymmetrische Empfindlichkeitskoeffizienten). In diesem Fall können die Wellenlängenverschiebungen der beiden Reflexionspeaks ( \Delta \lambda_{\text{slow}} und \Delta \lambda_{\text{fast}} ) als folgendes gekoppeltes lineares Gleichungssystem ausgedrückt werden:
\Delta \lambda_{\text{slow}} = K_{T, \text{slow}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{slow}} \Delta \varepsilon
\Delta \lambda_{\text{fast}} = K_{T, \text{fast}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{fast}} \Delta \varepsilon
Dies kann in Matrixform geschrieben werden:
$$ \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
& K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
& K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} $$
Wo:
- K_{T, \text{slow}} und K_{T, \text{fast}} sind die Temperaturkoeffizienten der langsamen bzw. schnellen Achse.
- K_{\varepsilon, \text{slow}} und K_{\varepsilon, \text{fast}} sind die Dehnungs-/Druckkoeffizienten der langsamen bzw. schnellen Achse.
3. Entkopplung und Berechnung von Mehrparametern
Aufgrund der Anisotropie der physikalischen Struktur der langsamen und schnellen Achse ist die Determinante der Empfindlichkeitskoeffizientenmatrix ungleich Null:
K_{T, \text{slow}} K_{\varepsilon, \text{fast}} - K_{\varepsilon, \text{slow}} K_{T, \text{fast}} \neq 0
Dies bedeutet, dass die obige Empfindlichkeitsmatrix invertierbar ist. In der Praxis, sobald der Sensor durch Kalibrierung auf Temperatur und Druck vordefiniert wurde und diese vier Empfindlichkeitskoeffizienten bestimmt sind, kann die externe Temperaturänderung \Delta T und die Druck-/Dehnungsänderung \Delta \varepsilon eindeutig und unabhängig berechnet werden, indem die inverse Matrix gelöst wird, nachdem das Demodulationsgerät die beiden unabhängigen Wellenlängenverschiebungen \Delta \lambda_{\text{slow}} und \Delta \lambda_{\text{fast}} gemessen hat:
$$ \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
& K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
& K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} $$
Dies löst auf physikalischer Ebene das Problem der „Temperaturkreuzempfindlichkeit“, das normale Monomode-Gitter bei der Messung von Dehnung oder Druck nur schwer vermeiden können.
OFSCN® Offizielle Produkt- und Lösungsbeschreibung
Es ist anzumerken, dass PM-FBGs aufgrund von Prozessbeschränkungen und Anwendungsbegrenzungen von PMF selbst normalerweise als hochgradig angepasste Kernkomponenten für wissenschaftliche Forschung oder spezifische mehrdimensionale mechanische Sensoren betrachtet werden und nicht zur aktuellen Standardreihe von Kern-passiven Blank-Gittern von Dacheng Yongsheng (OFSCN®) gehören.
Die Standard-Passivgitter von Dacheng Yongsheng (OFSCN®) konzentrieren sich hauptsächlich auf die Bereitstellung von Singlemode-Faser-Bragg-Gittern mit hoher mechanischer Festigkeit und breitem Betriebstemperaturbereich (z. B. mit Polyimid- oder Metallbeschichtung).
Wenn Sie hochzuverlässige Messungen in der industriellen Technik oder der allgemeinen Struktursicherheit benötigen, können Sie die folgenden OFSCN® Standard-Passivgitterprodukte berücksichtigen:
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Hochfeste Singlemode-Blank-Gitter:
Verwendet Femtosekunden-Laser-Punkt-Schreibtechnologie, die die Glasfaserhülle nicht beschädigt und eine ausgezeichnete Zugfestigkeit aufweist:
Produktname: OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
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Hochtemperatur-Blank-Gitter aus Polyimid:
Geeignet für Präzisionsmessungen von Temperatur oder Dehnung in Umgebungen von -200\text{℃} bis 300\text{℃} :
Produktname: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Für weitere Blank-Gitter besuchen Sie bitte: OFSCN® Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Products Aggregation Link
In der Ingenieurpraxis von nicht-polarisationserhaltenden Fasern empfiehlt Dacheng Yongsheng normalerweise die Verwendung einer Kaskadenlösung mit zwei Singlemode-Gittern, um dasselbe Ziel der entkoppelten Messung von Druck und Temperatur zu erreichen. Das heißt, neben dem Gitter zur Druckmessung wird ein temperaturkompensierendes Gitter (das keiner mechanischen Belastung ausgesetzt ist und nur die Temperatur erfasst), z. B. ein externes Produktname: OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, angebracht. Durch eine Differenzalgorithmus am Demodulator wird der Temperatureffekt direkt eliminiert. Dieser Ansatz bietet oft eine höhere Langzeitstabilität und ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis im Feldeinsatz.