Что такое «спектральное искажение»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Почему пик отражения разделился на два? Означает ли это неравномерное распределение нагрузки на датчик?

2

В технологии волоконно-оптических брэгговских решёток (FBG) расщепление пика отражения на два (Peak Splitting) является одним из типичных проявлений спектральных искажений (Spectral Distortion).

В подавляющем большинстве инженерных сценариев это действительно чётко указывает на то, что область решётки подвергается неравномерной деформации или сложному асимметричному полю напряжений.

I. Физические механизмы: почему пик отражения расщепляется на два?

Идеальная одномодовая FBG в свободном состоянии или при равномерном осевом растяжении/сжатии следует стандартной формуле для длины волны брэгговского отражения:

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

где:

  • n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления основного моды сердцевины волокна;
  • \Lambda — период модуляции брэгговской решётки.

Когда пик отражения расщепляется из стандартного одиночного узкого пика на два отдельных пика, это в основном вызывается следующими двумя физическими механизмами:

1. Расщепление, вызванное двулучепреломлением из-за поперечного неравномерного воздействия (Birefringence Induced Splitting)

  • Физический механизм：Поперечное сечение сердцевины обычного одномодового оптического волокна обладает высокой круглой симметрией, поэтому два ортогональных поляризационных состояния (поляризация x и поляризация y) вырождены и имеют одинаковый эффективный показатель преломления (n_x = n_y = n_{\text{eff}}).
  • Проявление неравномерного воздействия：Когда область решётки подвергается неравномерному поперечному сдавливанию, сдвиговым силам или локальному зажиму, поперечное сечение волокна испытывает асимметричную упругую деформацию. Из-за фотоупругого эффекта (Photoelastic Effect) эффективные показатели преломления вдоль двух ортогональных осей становятся неравными (то есть возникает индуцированное двулучепреломление: n_x \neq n_y).
  • Спектральный результат：Одиночный пик отражения расщепляется на отдельные брэгговские пики, соответствующие двум главным осям поляризации:
    \lambda_{B, x} = 2 n_x \Lambda
    \lambda_{B, y} = 2 n_y \Lambda
    Когда разница длин волн, вызванная разницей эффективных показателей преломления \Delta n = |n_x - n_y|, превышает собственную 3\text{ dB} полосу пропускания решётки, на спектрометре или демодуляторе наблюдается чёткое «расщепление пика».

2. Неоднородный градиент деформации в осевой области решётки (Axial Strain Gradient)

  • Физический механизм：Волоконно-оптическая решётка — это не геометрическая точка, а непрерывная структура определённой физической длины (обычная длина области решётки составляет 5\text{ mm} , 8\text{ mm} или 10\text{ mm}).
  • Проявление неравномерного воздействия：Если деформация вдоль осевой длины решётки не распределена равномерно, а имеет явный скачок, изгиб или градиент деформации (например, часть решётки пересекает микротрещину измеряемой конструкции, сварной шов, или локальное отслоение/неравномерная толщина адгезивного слоя вызывают скачок передачи деформации).
  • Спектральный результат：Решётка пространственно эквивалентно делится на два (или более) подрешётки, испытывающие разные деформации. Подрешётка с большей деформацией имеет больший период, а подрешётка с меньшей деформацией — меньший период. Каждая формирует отражение на своей длине волны, что в макроскопическом виде проявляется как расщепление пика отражения или появление нескольких пиков.

II. Влияние на систему демодуляции

Расщепление спектра серьёзно нарушает работу алгоритмов волоконной демодуляции, основанных на отслеживании центральной длины волны:

  1. Скачки пика (Peak Hopping)：Распространённые алгоритмы демодуляторов (такие как метод пороговых значений, метод максимального значения) могут дрейфовать между двумя близкими по энергии пиками, что приводит к ложным скачкообразным изменениям выходных данных.
  2. Искажение центральной длины волны：При использовании метода центра масс (Centroid Method) выходные данные демодуляции будут представлять собой эквивалентную длину волны, взвешенную по энергии двух пиков. Это не отражает ни истинное главное напряжение, ни локальный экстремум деформации, утрачивая достоверность измерений.

III. Инженерные меры и рекомендации по устранению неполадок

Если при установке или тестировании датчика наблюдается расщепление пика отражения, диагностику и предотвращение можно проводить по следующим направлениям:

  1. Проверка состояния крепления и герметизации：

    • Избегайте прямого жёсткого зажима голой области волокна решётки с помощью зажимов;
    • Проверяйте клеевой состав на наличие пузырьков воздуха или частиц примесей, вызывающих локальную концентрацию точечного давления;
    • Используйте корпус с функцией выравнивания нагрузки, чтобы изолировать внешнее прямое поперечное сдавливание.

  2. Сокращение эффективной длины решётки (Grating Length)：

    • При измерениях в полях с высоким градиентом деформации (например, на кончике трещины, на краю мелких конструктивных элементов) обычная длинная область решётки (например, 10\text{ mm}) может легко пересечь неоднородное поле, вызывая искажения;
    • Можно изготовить решётки с более короткой физической длиной (например, 2\text{ mm} или 3\text{ mm} ), чтобы уменьшить осевой пространственный интегральный эффект. Это позволит сохранить симметричное однопиковое отражение даже при наличии градиента неоднородной деформации.