Wenn die gekapselte Röhre verdreht wird, springt dann das Lichtgitter-Signal unregelmäßig?
Ob das optische Signal von Faser-Bragg-Gittern (FBG) bei Verdrehung (Torsion) der Einkapselungsrohre „springt“ oder driftet, hängt hauptsächlich vom Auslegungsdesign der Sensor-Einkapselung (eng anliegend vs. locker spannungsfrei) und den physikalischen Effekten der Torsionskraft auf den Faser-Kern ab.
I. Physikalische Mechanismen und Wellenlängen-Drift-Prinzip
Die Formel für die zentrale Bragg-Reflexionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters lautet:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
wobei:
- n_{\text{eff}} der effektive Brechungsindex des Kerns ist;
- \Lambda die Gitterperiode ist.
Wenn das äußere Einkapselungsrohr einer Torsionskraft ausgesetzt ist, hängt die Wellenlängenfluktuation des Signals von mehreren mechanischen und optischen Mechanismen ab:
1. Photoelastischer Effekt und Doppelbrechung
Die Torsion führt zu nicht-achsialsymmetrischen Scherspannungen im Querschnitt der Faser, die durch den photoelastischen Effekt die isotrope Brechungsindexverteilung im Kern stören und optische Doppelbrechung erzeugen. Dies führt zur Aufspaltung des ursprünglich überlappenden Reflexionspeaks für die beiden Polarisationszustände. Wenn der Spitzen-Suchalgorithmus des Demodulators zwischen den aufgespaltenen Peaks springt, wird dies als Datenanzeige mit „Sprüngen“ wahrgenommen.
2. Axiale Dehnungs-Komponente
Bei eng anliegenden oder verklebten Einkapselungsstrukturen gehen die Torsionsverformungen des Rohrs oft mit geringfügigen axialen Längenänderungen oder Dehnungen einher. Diese axiale Dehnung überträgt sich direkt auf den Kern und verändert die Periode \Lambda, was zu einer deutlichen Drift der zentralen Wellenlänge \lambda_B führt.
3. Lichtleistungsdämpfung und Biegeverlust (Mikrobending Loss)
Wenn die Torsion zu Mikrobiegungen oder übermäßiger Pressung der Faser innerhalb des Einkapselungsrohrs führt, nimmt der Lichtübertragungsverlust drastisch zu und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Reflexionsspektrums verschlechtert sich. Wenn die Intensität des Reflexionspeaks unter den Schwellenwert des Demodulators fällt, treten bei den Demodulationsdaten starke Sprünge oder Datenverluste auf.
II. Tatsächliche Leistung bei verschiedenen Einkapselungsstrukturen
1. Dehnungssensor (eng anliegende, verklebte Struktur) – Signal springt oder driftet kontinuierlich
Bei Dehnungssensoren sind das Gitter und das Einkapselungsrohr (z. B. aus einer elastischen Legierung oder Polymer) fest miteinander verklebt und voll gekoppelt.
- Einfluss der Torsion:
Das Verdrehen des Einkapselungsrohrs überträgt Scherspannungen und Torsionsdehnungen direkt auf den Kern. Wenn die Torsion mit ungleichmäßiger Kraftbeaufschlagung oder geringfügigen plastischen Verformungen des Rohrs einhergeht, fluktuiert das Lichtwellensignal stark, springt oder kehrt nach Entlastung der Torsion nicht in den ursprünglichen Zustand zurück.
Zum Beispiel der OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor, der ein Gitter mit einem elastischen Legierungsrohr fest verkapselt, um winzige Dehnungen präzise zu übertragen:
2. Temperatursensor (spannungsfreie, lockere Struktur) – Signal im Wesentlichen stabil, aber übermäßige Torsion hat immer noch Auswirkungen
Bei Temperatursensoren ist das Gitter normalerweise einseitig befestigt und hängt spannungsfrei im Rohr.
- Einfluss der Torsion:
Ein leichtes Verdrehen des äußeren nahtlosen Stahlrohrs führt dazu, dass die Spannungen in der Rohrwand nicht direkt auf die innere, freischwebende Faser übertragen werden, sodass die Gitterwellenlänge normalerweise stabil bleibt. - Anomalien:
Wenn der Verdrehungswinkel zu groß ist und das Einkapselungsrohr lokal verbiegt oder die Faser im Rohr verquetscht, sodass der Kern beansprucht wird oder Polarisationsänderungen auftreten, können die Reflexionswellenform und das Signal dennoch verzerrt und fluktuierend sein.
Zum Beispiel der OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, der zur spannungsfreien Einkapselung ein einlagiges, nahtloses Edelstahlrohr verwendet:
III. Empfehlungen für die Installation
- Vermeiden Sie die Anwendung reiner Torsionsmomente:
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren werden hauptsächlich zur Messung axialer Zug-/Druckdehnungen oder Temperaturen verwendet. Torsion stellt eine komplexe, außerdimensionale Beanspruchung dar. Bei der Installation sollten spezielle Spannwerkzeuge verwendet werden, um eine Verdrehung des Sensors zu vermeiden. - Diagnose von Signal-Sprüngen:
Wenn das Signal nach der Verdrehung springt, beobachten Sie das Reflexionsspektrum mit dem Demodulator. Wenn der Reflexionspeak eine Aufspaltung oder eine starke Abschwächung der Spitzenintensität zeigt, bestätigt dies, dass die Einkapselungsstruktur Torsionsspannungen ausgesetzt war oder die Faser durch Quetschung beschädigt wurde.