Sıcaklık değiştiğinde ışığın rengi (dalga boyu) neden değişir?
Fiber Bragg Grating (FBG) algılama teknolojisinde, “ışık renginin değişimi” esasen fiber gratings tarafından yansıtılan spektrumun merkezi dalga boyunda kayma (Dalga Boyu Kayması) anlamına gelir.
Bu fiziksel olgunun altında yatan mekanizma, fiber Bragg yansıtma koşullarıyla açıklanabilir.
Bir: Temel Fiziksel Prensip: Bragg Yansıtma Koşulu
Fiber gratings, fiberin çekirdeği içinde oluşturulan periyodik kırılma indisi modülasyonlu yapılardır. Sürekli geniş bantlı ışık fibere enjekte edildiğinde, yalnızca belirli Bragg koşulunu karşılayan ışık dalgaları tutarlı bir şekilde geri yansıtılır. Bu yansıtılan dalga boyu (Bragg dalga boyu \lambda_B) aşağıdaki formülle verilir:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Burada:
- \lambda_B, fiber gratings’in merkezi yansıtma dalga boyudur
- n_{\text{eff}}, fiber çekirdeğinin etkin kırılma indisidir (Effective Refractive Index)
- \Lambda, gratings’in uzaysal modülasyon periyodudur (Grating Period)
İki: Sıcaklık Değişikliğinin Dalga Boyu Kaymasına Neden Olan İki Anahtar Etki
Sıcaklık değiştiğinde (\Delta T), \lambda_B’nin kaymasına neden olan temel olarak aşağıdaki iki fiziksel etkinin ortak etkisi söz konusudur:
1. Termo-Optik Etki (Thermo-optic Effect, Baskın Faktör)
Silika (\text{SiO}_2) fiber malzemenin kırılma indisi, sıcaklıkla birlikte değişir.
- Bu özelliği tanımlayan fiziksel nicelik termo-optik katsayıdır (\zeta = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{\partial n_{\text{eff}}}{\partial T}).
- Kuvars fiberin termo-optik katsayısı yaklaşık olarak \zeta \approx 8.6 \times 10^{-6}\text{ / }^\circ\text{C}'dir.
- Sıcaklık değişiminin neden olduğu toplam dalga boyu kaymasının %90’ından fazlası termo-optik etkiye aittir.
2. Termal Genleşme Etkisi (Thermal Expansion Effect)
Fiber malzemesi ısındığında veya soğuduğunda küçük termal genleşme veya büzülme meydana gelir, bu da doğrudan gratings’in fiziksel periyodu \Lambda’yı değiştirir.
- Bu özelliği tanımlayan fiziksel nicelik termal genleşme katsayısıdır (\alpha = \frac{1}{\Lambda} \frac{\partial \Lambda}{\partial T}).
- Kuvars camın termal genleşme katsayısı nispeten küçüktür, yaklaşık olarak \alpha \approx 0.55 \times 10^{-6}\text{ / }^\circ\text{C}'dir.
Üç: Kapsamlı Sıcaklık Tepki Hassasiyeti
Bragg formülünün sıcaklığa T göre tam diferansiyeli alındığında, dalga boyunun göreli değişim miktarı ile sıcaklık değişimi arasındaki ilişki türetilir:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (\alpha + \zeta) \Delta T
Buna göre dalga boyu kayması formülü elde edilir:
\Delta \lambda_B = \lambda_B (\alpha + \zeta) \Delta T
İletişim dalga bandında (örneğin \lambda_B \approx 1550\text{ nm} için), çıplak fiber gratings’in sıcaklık hassasiyeti yaklaşık olarak 10\sim 11\text{ pm/}^\circ\text{C}'dir (yani, sıcaklık her 1^\circ\text{C} arttığında, yansıtılan dalga boyu yaklaşık 0.01\text{ nm} kadar uzun dalga yönüne kayar). Yüksek hassasiyetli fiber gratings demodülatörü ile bu dalga boyu kayması miktarı yakalanarak, ölçülen ortamın sıcaklık değişimi hassas bir şekilde tersine çevrilebilir.
Dört: İlgili OFSCN® Ürün Referansları
OFSCN®, bu mekanizmaya dayanarak, oda sıcaklığı, orta sıcaklık, yüksek sıcaklık ve ultra düşük sıcaklık ortamları için paslanmaz çelik tüp kapsüllü fiber gratings sıcaklık sensörleri serisi geliştirmiştir:
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Sıcaklık Sensörü
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Sıcaklık Sensörü
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Sıcaklık Sensörü
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Sıcaklık Sensörü
- Ürün Özeti: OFSCN® FBG Sıcaklık Sensörü Ürünleri Toplu Bağlantısı
