Snímač vláknovej Braggovej mriežky: Ako funguje snímanie FBG v skutočných testovacích nastaveniach

Ak ste niekedy sledovali posun čítania napätia po šiestich hodinách testovania alebo ste strávili popoludnie prenasledovaním elektrického šumu cez premosťovaciu skrinku, už chápete, prečo si snímanie vláknovej Braggovej mriežky našlo domov v štrukturálnych a priemyselných meraniach. V strede tohto sveta sedí jeden nástroj: vláknový Braggov mriežkový vyšetrovač. Číta svetlo prichádzajúce z mriežok a mení ho na čísla, ktoré môžete obhájiť v správe.

Nižšie sa pozrieme na to, čo snímač skutočne meria, hlavné spôsoby, akými výrobcovia implementujú toto meranie, špecifikácie, ktoré rozhodujú o tom, či jednotka bude fungovať vo vašom teste, a ako sa predná časť optiky zhoduje so zariadením na získavanie údajov, snímanie a kalibráciu, ktoré dokončí prácu. Väčšina z toho, čo nasleduje, pochádza z rokov budovania meracích reťazcov pri testovaní vibrácií, namáhania a modálnych testov az otázok, ktoré nám zákazníci kladú pri špecifikácii systému.

Čo vlastne meria vláknový Braggov mriežkový snímač

Vláknová Braggova mriežka je krátke optické vlákno, ktorého index lomu jadra je zapísaný v periodickom vzore. Tento vzor odráža jeden úzky pás vlnových dĺžok späť k zdroju a stred tohto pásma, Braggova vlnová dĺžka, je nastavený periódou mriežky a efektívnym indexom lomu riadeného vidu. Natiahnite alebo stláčajte vlákno a menštruácia sa mení. Zahrejte alebo ochlaďte a efektívny index sa zmení. Oba efekty posúvajú odrazený vrchol a v širokom pracovnom rozsahu je tento posun takmer lineárny.

Úlohou vyšetrovateľa je sledovať túto zmenu. Vypúšťa svetlo do vlákna, zbiera malú časť odrazenú mriežkami a nepretržite určuje stredovú vlnovú dĺžku každého odrazového vrcholu. Výsledkom je záznam vlnovej dĺžky v závislosti od času pre každý senzor na linke, ktorý sa po aplikovaní vhodného koeficientu citlivosti zmení na napätie, teplotu, tlak, posun alebo zrýchlenie. Pri 1550 nm sa typická mriežka pohybuje približne o 1,2 pm na mikroprepätie a približne 10 pm na stupeň Celzia, preto sú hodnoty rozlíšenia uvádzané v pikometroch a niekedy v zlomkoch pikometra.

Pomáha tiež ujasniť si, čo tieto nástroje nie sú. Snímač meria vlnovú dĺžku, nie vrátený optický výkon. Toto jediné rozhodnutie o dizajne vysvetľuje väčšinu praktických výhod technológie: strata konektora, dlhé káble, starnutie zdroja a straty ohybom – to všetko mení množstvo svetla, ktoré sa vracia, a žiadna z nich nemení vlnovú dĺžku. To je tiež dôvod, prečo reťaze FBG fungujú šťastne vedľa vysokonapäťových zariadení, vo vnútri transformátorov, pozdĺž potrubí a na lopatkách veterných turbín, kde by sa dlhý medený okruh správal ako anténa.

Päť bežných vypočúvacích prístupov v porovnaní

Existuje viac ako jeden spôsob, ako nájsť vrchol v spektre, a metóda, ktorú si dizajnér vyberie, formuje takmer všetko ostatné o nástroji: jeho rýchlosť, počet kanálov, jeho fyzickú veľkosť a jeho cenu. Toto sú prístupy, s ktorými sa stretnete najčastejšie.

V praxi sa rozhodnutie zvyčajne zužuje na dve otázky. Koľko mriežok je potrebné prečítať súčasne a ako rýchlo sa pohybujú? Zaznamenanie teploty raz za minútu a zachytenie milisekundového prechodu sú veľmi odlišné problémy a snímač, ktorý vyniká v jednom, je zriedka optimálny pre druhý.

Špecifikácie, ktoré rozhodujú o tom, či jednotka funguje vo vašom teste

Údajové listy majú tendenciu uvádzať rovnaký tucet parametrov. Dôležité je, ktoré z nich viažu vašu žiadosť. Toto sú body, ktorými prechádzame so zákazníkmi pred odhlásením systému:

• Rozsah vlnovej dĺžky a počet kanálov. Rozpätie 40 nm a rozpätie 100 nm pokrývajú veľmi odlišné počty mriežok, najmä ak sú niektoré vopred napnuté, aby sa oddelili ich vrcholy.
• Rozlíšenie verzus presnosť. Rozlíšenie je najmenšia zmena, ktorú môže prístroj vidieť. Presnosť je to, ako blízko je absolútna hodnota k skutočnej vlnovej dĺžke. Na dlhodobej stabilite a opakovateľnosti zvyčajne záleží viac.
• Absolútne alebo relatívne meranie. Niektoré práce potrebujú zmenu len v priebehu času; iná práca, ako je teplotná kompenzácia alebo snímanie tvaru, potrebuje dôveryhodnú absolútnu referenciu.
• Vzorkovacia alebo skenovacia frekvencia. Statické monitorovanie, cyklovanie únavy a nárazové udalosti sú od seba vzdialené tri rády. Priraďte prístroj k najrýchlejšiemu javu, ktorý musíte zachytiť, nie k priemeru.
• Kapacita multiplexovania na kanál. To určuje, koľko senzorov môže niesť jedno vlákno, a teda koľko kabeláže a koľko konektorov potrebuje vaša inštalácia.
• Dynamický rozsah a presluchy. Keď silne zaťažená mriežka sedí vedľa mierne zaťaženej mriežky na rovnakom vlákne, slabé vrcholy by nemali byť ťahané silnými susedmi.
• Optický rozpočet a konektory. Jednovidový typ vlákna, povrchová úprava, FC/APC zakončenia a kvalita spoja, to všetko spotrebúva rozpočet ešte predtým, ako signál vôbec dosiahne detektor.
• Environmentálne hodnotenie. Laboratórna jednotka v stojane a poľná jednotka na mostovke majú odlišné požiadavky na teplotný rozsah, toleranciu vibrácií a ochranu proti vniknutiu.
• Softvér, rozhrania a synchronizácia. Spúšťacie vstupy, zdieľané hodiny, streamingové API a exportné formáty rozhodujú o tom, ako ľahko sa dotazovač pripojí k zvyšku vášho meracieho systému.
• Kalibrácia a sledovateľnosť. Posun referencií vlnovej dĺžky. Opýtajte sa, ako sa nástroj overuje, ako často a aká dokumentácia je s ním dodávaná.

Akú rýchlosť skutočne potrebuje vaša aplikácia?

Nižšie uvedená tabuľka je skôr ilustráciou relatívneho dopytu než špecifikáciou, ale zachytáva rozptyl, ktorý formuje každé nákupné rozhodnutie v tejto oblasti.

Poučenie je jednoduché: kúpte si rýchlosť tam, kde ju potrebujete, a stabilitu všade inde. Pomalší, tichší nástroj s dobrou referenciou vlnovej dĺžky často prekoná rýchlejší nástroj pri dlhodobom monitorovaní, kde je posun v priebehu týždňov skutočným nepriateľom.

Kde si vláknová Braggova mriežka získava svoje miesto

Technológia sa volí vtedy, keď konvenčné elektrické snímanie zasahuje do steny. Niektoré vzory vidíme znova a znova:

• Monitorovanie štrukturálneho zdravia. Mosty, priehrady, tunely, pilóty a podpery potrubí, kde desiatky bodov napätia a teploty zdieľajú jedno vlákno a jeden snímač.
• Energia a sila. Vinutia transformátorov, statory generátorov, vysokonapäťové prostredia a lopatky turbín, kde elektromagnetická odolnosť odstraňuje celú triedu problémov so šumom.
• Letectvo a kompozity. Rošty zabudované priamo do laminátov počas výroby, prežijú tam, kde by to meradlá s povrchovou väzbou nedokázali.
• Železnica a doprava. Dlhodobé monitorovanie koľajníc, podvalov a konštrukcií vozidiel vystavených poveternostným vplyvom, vibráciám a elektrickému rušeniu.
• Priemyselné stroje a spracovateľský závod. Horúce, mokré alebo chemicky agresívne miesta, kde pasívny sklenený senzor prekoná životnosť fóliového merača a jeho vodičov.

Jedno praktické upozornenie stojí za to povedať na rovinu: holý rošt reaguje na napätie a teplotu súčasne. Pokiaľ aplikácia tieto dva neoddelí, spárovaním referenčnej mriežky bez napätia s každou meracou mriežkou alebo charakterizáciou tepelnej odozvy, snímač verne oznámi číslo, ktoré spája oba efekty.

Zvyšok reťazca: Od údajov o vlnovej dĺžke po hotové meranie

Vyšetrovateľ zriedka pracuje sám. Jeho záznam vlnovej dĺžky musí byť stále synchronizovaný so všetkým ostatným v teste, zrýchlením, silou, tlakom, posunom a rýchlosťou otáčania, a potom analyzovaný. To je časť reťazca, v ktorej trávime naše pracovné dni v testovacej technológii Yangzhou Zhenzhong.

Po elektrickej stránke dynamický analyzátor signálu zvláda simultánne vzorkovanie naprieč mnohými kanálmi s úpravou vstupu, ktorú potrebujú rôzne senzory. Naše USB, 100 Mb/s sieťové a gigabitové sieťové nástroje pokrývajú jednokanálovú prenosnú prácu až po 32-kanálovú synchrónnu akvizíciu, čo si zvyčajne vyžaduje veľká štruktúra alebo viacbodový modálny prieskum. Ak by ste chceli mať jasnejšiu predstavu o tom, kde je takáto skrinka umiestnená v porovnaní s konvenčným nástrojom, naša poznámka ďalej ako sa dynamický analyzátor signálu líši od tradičného prístroja je dobrým východiskovým bodom.

ZT-U8204C Štvorkanálový dynamický analyzátor signálu Jeho štyri kanály, 24-bitová konverzia a napäťové/IEPE/nabíjacie vstupy vyhovujú modálnym, strojovým poruchám, šumu a prechodovým meraniam s priamym pripojením snímača. Zobraziť produkt →

Na snímacej vrstve záleží rovnako, pretože čisté optické čítanie spárované s hlučným akcelerometrom stále prináša pochybný výsledok. Akcelerometre náboja a IEPE, mikro triaxiálne jednotky, prevodníky sily a tlaku a akustické mikrofóny sa vyberajú tak, aby zodpovedali frekvenčnému rozsahu a amplitúde testovaného javu, nie naopak.

Kategória akcelerometra IEPE z testovania Yangzhou Zhenzhong Táto kategória predstavuje rad akcelerometrov IEPE spoločnosti Zhenzhong Testing spolu so zoznamom nabíjacích a mikro triaxiálnych akcelerometrov, aj keď momentálne nie sú zobrazené žiadne jednotlivé modely. Zobraziť produkt →

Nakoniec je tu kalibrácia. Merací reťazec je len taký dobrý ako referencia na jeho konci, a to platí rovnako pre optické aj elektrické kanály. Kontroly senzorov a kanálov overiteľné v teréne udržujú čísla porovnateľné medzi kampaňami, medzi laboratóriami a medzi rokmi.

Kategória prenosného vibračného kalibrátora z testovania Zhenzhong Táto kategória zvýrazňuje ponuku prenosných vibračných kalibrátorov spoločnosti Zhenzhong Testing a uvádza päť produktov pre používateľov, ktorí kontrolujú referencie meracieho reťazca, aj keď jednotlivé modely a špecifikácie nie sú zobrazené. Zobraziť produkt →

Keď sú tieto časti navrhnuté spolu, a nie zostavené po jednom nákupe, integračná práca prudko klesá. To je naše zdôvodnenie vibračné a dynamické testovacie riešenia , ktoré kombinujú excitačný, snímací, akvizičný, analytický softvér a službu do jedného zodpovedného systému.

Praktický kontrolný zoznam výberu

1. Zapíšte si fyzikálne veličiny, ktoré musíte merať, ich očakávané rozsahy a najrýchlejšiu zmenu, ktorú musíte vyriešiť.
2. Spočítajte snímacie body a rozhodnite sa, ako budú rozdelené medzi vlákna a kanály.
3. Vyberte metódu interogácie, ktorá vyhovuje tomuto počtu a danej rýchlosti, a potom potvrďte optický rozpočet pre vaše dĺžky káblov.
4. Skontrolujte, ako bude nástroj synchronizovaný s vašimi ostatnými kanálmi, či už pomocou spúšťania, zdieľaných hodín alebo streamovania s časovou pečiatkou.
5. Požiadajte o špecifikáciu stability v priebehu hodín alebo dní, nielen o údaj o rozlíšení v jednom okamihu.
6. Potvrďte cestu kalibrácie a overenia vrátane toho, kto ju vykonáva a aký certifikát dostanete.
7. Pred potvrdením otestujte softvér pomocou vlastných údajov, najmä pracovného postupu exportu a analýzy, v ktorom bude váš tím žiť.

Otázky, ktoré počujeme najčastejšie

Dokáže jeden vyšetrovač zvládnuť napätie a teplotu súčasne?

Áno, za predpokladu, že je na to plánovaná inštalácia. Bežným prístupom je umiestniť mriežku bez napätia v blízkosti každej meracej mriežky, takže je možné odpočítať iba vrchol teploty. Oba typy mriežok sú umiestnené na rovnakom vlákne a sú snímané rovnakým prístrojom.

Koľko senzorov môže zdieľať jeden kanál?

Závisí to od rozsahu vlnových dĺžok prístroja a od toho, ako ďaleko od seba musia byť vrcholy, aby zostali oddeliteľné. Mriežky s rôznymi stredovými vlnovými dĺžkami sú distribuované v dostupnom spektre, a preto sú rozsah a kapacita multiplexovania tak úzko spojené.

Potrebujem stále bežné akcelerometre, ak už mám FBG senzory?

Zvyčajne áno, pre modálnu a vibračnú prácu. Optické snímanie napätia popisuje, ako sa štruktúra deformuje, zatiaľ čo akcelerometre opisujú, ako sa pohybuje. Väčšina serióznych testovacích programov zaznamenáva oboje a analyzuje ich spoločne, čo je presne dôvod, prečo si synchronizácia medzi optickou a elektrickou stranou reťazca zaslúži včasnú pozornosť.

Vláknový snímač Braggovej mriežky je elegantný nástroj, ale je to jeden článok v reťazci, ktorý začína rozhodnutím o inštalácii snímača a končí analyzovaným výsledkom, ktorý niekto musí podpísať. Projekty, ktoré idú hladko, sú tie, kde rozsah, rýchlosť, počet kanálov, kabeláž a kalibrácia boli vypracované pred nákupnou objednávkou.

Ak teraz budujete tento reťazec a chcete druhý názor na elektrickú stránku, náš tím sa rád porozpráva o počtoch kanálov, typoch vstupov, vzorkovacích frekvenciách a postupoch kalibrácie. Pošlite nám svoj plán merania a my vám úprimne povieme, kam sa hodí optické riešenie a kde vám konvenčné poslúži lepšie.