Interrogatore con reticolo in fibra di Bragg: come funziona il rilevamento FBG in configurazioni di test reali

Se avete mai osservato la deriva di una lettura di deformazione dopo sei ore di test, o avete passato un pomeriggio a inseguire il rumore elettrico attraverso una scatola a ponte, avete già capito perché il rilevamento a reticolo di Bragg in fibra ha trovato casa nelle misurazioni strutturali e industriali. Al centro di quel mondo si trova uno strumento: l'interrogatore a reticolo di Bragg in fibra. Legge la luce che ritorna dalle inferriate e la trasforma in numeri da difendere in una relazione.

Di seguito esaminiamo ciò che effettivamente misura un interrogatore, i principali modi in cui i produttori implementano tale misurazione, le specifiche che decidono se un'unità funzionerà nel test e come il front-end ottico si adatta alle apparecchiature di acquisizione dati, rilevamento e calibrazione che completano il lavoro. La maggior parte di ciò che segue deriva da anni di costruzione di catene di misura nelle prove di vibrazione, deformazione e modali e dalle domande che i clienti ci pongono mentre specificano un sistema.

Cosa misura effettivamente un interrogatore con reticolo in fibra di Bragg

Un reticolo di Bragg in fibra è un breve tratto di fibra ottica il cui indice di rifrazione del nucleo è stato scritto secondo uno schema periodico. Questo modello riflette una stretta banda di lunghezze d'onda verso la sorgente e il centro di quella banda, la lunghezza d'onda di Bragg, è impostato dal periodo del reticolo e dall'indice di rifrazione effettivo della modalità guidata. Allunga o comprimi la fibra e il ciclo cambia. Riscaldalo o raffreddalo e l'indice effettivo cambia. Entrambi gli effetti spostano il picco riflesso e, in un ampio intervallo di lavoro, lo spostamento è quasi lineare.

Il compito dell'interrogatore è tenere traccia di questo cambiamento. Lancia la luce nella fibra, raccoglie la piccola frazione riflessa dai reticoli e determina continuamente la lunghezza d'onda centrale di ciascun picco di riflessione. Il risultato è una registrazione della lunghezza d'onda in funzione del tempo per ogni sensore sulla linea, che diventa deformazione, temperatura, pressione, spostamento o accelerazione una volta applicato il coefficiente di sensibilità appropriato. A 1550 nm un tipico reticolo si muove di circa 1,2 pm per microdeformazione e di circa 10 pm per grado Celsius, motivo per cui i valori di risoluzione sono espressi in picometri e talvolta in frazioni di picometro.

Aiuta anche a chiarire cosa non sono questi strumenti. Un interrogatore misura la lunghezza d'onda, non la potenza ottica restituita. Questa singola decisione progettuale spiega la maggior parte dei vantaggi pratici della tecnologia: la perdita del connettore, la lunghezza dei cavi, l'invecchiamento della sorgente e le perdite di piegatura cambiano tutti la quantità di luce che ritorna, e nessuno di questi cambia la lunghezza d'onda. È anche il motivo per cui le catene FBG funzionano felicemente accanto ad apparecchiature ad alta tensione, all'interno di trasformatori, lungo condutture e sulle pale delle turbine eoliche, dove un lungo percorso in rame si comporterebbe come un'antenna.

Cinque approcci comuni all'interrogatorio a confronto

Esiste più di un modo per trovare un picco in uno spettro e il metodo scelto da un progettista determina quasi tutto il resto dello strumento: la sua velocità, il numero di canali, le sue dimensioni fisiche e il suo costo. Questi sono gli approcci che incontrerai più spesso.

In pratica la decisione di solito si restringe a due domande. Quanti reticoli devono essere letti contemporaneamente e quanto velocemente si muovono? Registrare una temperatura una volta al minuto e catturare un transitorio di un millisecondo sono problemi molto diversi, e un interrogatore che eccelle in uno raramente è ottimale per l'altro.

Specifiche che decidono se un'unità funziona nel tuo test

Le schede tecniche tendono a elencare la stessa dozzina di parametri. Ciò che conta è quali vincolano la tua domanda. Questi sono i punti che esaminiamo con i clienti prima che un sistema venga approvato:

• Intervallo di lunghezze d'onda e numero di canali. Uno span di 40 nm e uno di 100 nm coprono un numero di reticoli molto diverso, specialmente quando alcuni sono pre-tensionati per separare i loro picchi.
• Risoluzione contro accuratezza. La risoluzione è il cambiamento più piccolo che lo strumento può vedere. La precisione indica quanto la lettura assoluta è vicina alla lunghezza d'onda reale. La stabilità e la ripetibilità a lungo termine di solito contano più di entrambe.
• Misura assoluta o relativa. Alcuni lavori necessitano solo di cambiamenti nel tempo; altri lavori, come la compensazione della temperatura o il rilevamento della forma, necessitano di un riferimento assoluto affidabile.
• Frequenza di campionamento o di scansione. Il monitoraggio statico, il ciclo di fatica e gli eventi di impatto si collocano a tre ordini di grandezza di distanza. Abbina lo strumento al fenomeno più veloce che devi catturare, non alla media.
• Capacità di multiplexing per canale. Ciò determina quanti sensori può trasportare una singola fibra e quindi la quantità di cavi e di connettori necessari per la tua installazione.
• Gamma dinamica e diafonia. Quando un reticolo fortemente caricato si trova accanto ad uno leggermente caricato sulla stessa fibra, i picchi deboli non dovrebbero essere trascinati dai vicini forti.
• Budget ottico e connettori. Il tipo di fibra monomodale, il rivestimento, le terminazioni FC/APC e la qualità della giunzione consumano budget prima che il segnale raggiunga il rilevatore.
• Valutazione ambientale. Un'unità da laboratorio in un rack e un'unità da campo su un ponte hanno requisiti diversi in termini di intervallo di temperatura, tolleranza alle vibrazioni e protezione dall'ingresso.
• Software, interfacce e sincronizzazione. Gli input di trigger, gli orologi condivisi, le API di streaming e i formati di esportazione determinano la facilità con cui l'interrogatore si unisce al resto del sistema di misurazione.
• Calibrazione e tracciabilità. Deriva dei riferimenti di lunghezza d'onda. Chiedi come viene verificato lo strumento, con quale frequenza e quale documentazione viene fornita con esso.

Di quanta velocità ha realmente bisogno la tua applicazione?

Il grafico seguente è un'illustrazione della domanda relativa piuttosto che una specifica, ma cattura lo spread che modella ogni decisione di acquisto in questo campo.

La lezione è semplice: acquista velocità dove serve e stabilità ovunque. Uno strumento più lento e silenzioso con un buon riferimento di lunghezza d'onda spesso supera uno più veloce nel monitoraggio di lunga durata, dove la deriva nel corso delle settimane è il vero nemico.

Dove il rilevamento del reticolo in fibra di Bragg guadagna terreno

La tecnologia viene scelta quando il rilevamento elettrico convenzionale si scontra con un muro. Alcuni modelli che vediamo ancora e ancora:

• Monitoraggio dello stato di salute strutturale. Ponti, dighe, tunnel, pali e supporti di condutture, dove decine di punti di deformazione e temperatura condividono una fibra e un interrogatore.
• Energia e potenza. Avvolgimenti di trasformatori, statori di generatori, ambienti ad alta tensione e pale di turbine, dove l'immunità elettromagnetica rimuove un'intera classe di problemi di rumore.
• Aerospaziale e compositi. Grigliati incorporati direttamente nei laminati durante la produzione, che sopravvivono dove i calibri incollati in superficie non lo farebbero.
• Ferrovie e trasporti. Monitoraggio a lungo termine di rotaie, traversine e strutture di veicoli esposti agli agenti atmosferici, alle vibrazioni e alle interferenze elettriche.
• Macchinari industriali e impianti di processo. Luoghi caldi, umidi o chimicamente aggressivi in ​​cui un sensore passivo in vetro dura più a lungo di un misuratore a lamina e dei relativi cavi.

Vale la pena di formulare chiaramente un avvertimento pratico: un reticolo nudo risponde allo sforzo e alla temperatura allo stesso tempo. A meno che l'applicazione non separi i due, accoppiando un reticolo di riferimento senza deformazione con ciascun reticolo di misurazione o caratterizzando la risposta termica, l'interrogatore riporterà fedelmente un numero che mescola entrambi gli effetti.

Il resto della catena: dai dati sulla lunghezza d'onda alla misurazione finita

Un interrogatore lavora raramente da solo. La registrazione della sua lunghezza d'onda deve ancora essere sincronizzata con tutto il resto del test, accelerazione, forza, pressione, spostamento e velocità di rotazione, e quindi analizzata. Questa è la parte della catena su cui trascorriamo le nostre giornate lavorative alla Yangzhou Zhenzhong Testing Technology.

Dal punto di vista elettrico, un analizzatore di segnale dinamico gestisce il campionamento simultaneo su molti canali, con il condizionamento dell'ingresso richiesto dai diversi sensori. I nostri strumenti USB, di rete a 100 Mbps e di rete Gigabit coprono il lavoro portatile a canale singolo fino all'acquisizione sincrona a 32 canali, che è ciò che solitamente richiede una grande struttura o un rilievo modale multipunto. Se desideri un'immagine più chiara di dove si trova una scatola del genere rispetto a uno strumento convenzionale, la nostra nota su in cosa differisce un analizzatore di segnali dinamici da uno strumento tradizionale è un buon punto di partenza.

Analizzatore di segnali dinamici a quattro canali ZT-U8204C I suoi quattro canali, la conversione a 24 bit e gli ingressi di tensione/IEPE/carica sono adatti per misurazioni modali, di guasti dei macchinari, di rumore e transitori con connessione diretta del sensore. Visualizza il prodotto →

Lo strato di rilevamento è altrettanto importante, perché una lettura ottica pulita abbinata a un accelerometro rumoroso produce ancora un risultato discutibile. Accelerometri di carica e IEPE, unità micro triassiali, trasduttori di forza e pressione e microfoni acustici vengono scelti per adattarsi alla gamma di frequenza e all'ampiezza del fenomeno in prova, e non viceversa.

Categoria accelerometro IEPE dal test Yangzhou Zhenzhong Questa categoria presenta la gamma di accelerometri IEPE di Zhenzhong Testing insieme agli elenchi di accelerometri micro triassiali e di carica, sebbene al momento non siano mostrati modelli individuali. Visualizza il prodotto →

Infine c'è la calibrazione. Una catena di misura è valida tanto quanto il riferimento alla sua fine, e questo vale sia per i canali ottici che per quelli elettrici. I controlli dei sensori e dei canali verificabili sul campo mantengono i numeri comparabili tra campagne, laboratori e anni.

Categoria Calibratore di vibrazioni portatile di Zhenzhong Testing Questa categoria evidenzia le offerte di calibratori di vibrazioni portatili di Zhenzhong Testing, elencando cinque prodotti per gli utenti che controllano i riferimenti della catena di misurazione, sebbene i singoli modelli e le specifiche non siano mostrati. Visualizza il prodotto →

Quando questi pezzi vengono progettati insieme anziché assemblati un acquisto alla volta, il lavoro di integrazione diminuisce drasticamente. Questo è il ragionamento alla base del nostro soluzioni per prove di vibrazione e dinamiche , che combinano software di eccitazione, rilevamento, acquisizione, analisi e servizio in un unico sistema responsabile.

Una pratica lista di controllo per la selezione

1. Annota le quantità fisiche che devi misurare, i loro intervalli previsti e il cambiamento più veloce che devi risolvere.
2. Contare i punti di rilevamento e decidere come saranno distribuiti tra fibre e canali.
3. Scegli il metodo di interrogazione adatto a quel conteggio e a quella velocità, quindi conferma il budget ottico per le lunghezze dei cavi.
4. Controlla come lo strumento verrà sincronizzato con gli altri canali, tramite trigger, orologio condiviso o streaming con timestamp.
5. Richiedi una specifica di stabilità nel corso di ore o giorni, non solo una cifra di risoluzione in un determinato momento.
6. Conferma il percorso di calibrazione e verifica, incluso chi lo esegue e quale certificato ricevi.
7. Testa il software con i tuoi dati prima di impegnarti, in particolare il flusso di lavoro di esportazione e analisi in cui vivrà il tuo team.

Domande che sentiamo più spesso

Un interrogatore può gestire la tensione e la temperatura allo stesso tempo?

Sì, purché sia ​​prevista l'installazione. Un approccio comune consiste nel posizionare un reticolo privo di deformazioni vicino a ciascun reticolo di misurazione, in modo da poter sottrarre il picco relativo alla sola temperatura. Entrambi i tipi di reticolo poggiano sulla stessa fibra e vengono letti dallo stesso strumento.

Quanti sensori possono condividere un canale?

Dipende dalla gamma di lunghezze d'onda dello strumento e da quanto devono essere distanti i picchi per rimanere separabili. Reticoli con diverse lunghezze d'onda centrali sono distribuiti nello spettro disponibile, motivo per cui la portata e la capacità di multiplexing sono così strettamente legate.

Ho ancora bisogno degli accelerometri convenzionali se dispongo già di sensori FBG?

Di solito sì, per lavori modali e vibrazionali. Il rilevamento della deformazione ottica descrive come una struttura si deforma, mentre gli accelerometri descrivono come si muove. I programmi di test più seri li registrano entrambi e li analizzano insieme, proprio per questo motivo la sincronizzazione tra il lato ottico ed quello elettrico della catena merita attenzione tempestiva.

Un interrogatore con reticolo di Bragg in fibra è uno strumento elegante, ma è un anello di una catena che inizia con la decisione di installare un sensore e termina con un risultato analizzato che qualcuno deve firmare. I progetti che vanno bene sono quelli in cui portata, velocità, numero di canali, cablaggio e calibrazione sono stati tutti elaborati prima dell'ordine di acquisto.

Se stai costruendo quella catena adesso e desideri una seconda opinione sul lato elettrico, il nostro team sarà lieto di parlare del numero di canali, dei tipi di input, delle frequenze di campionamento e delle pratiche di calibrazione. Inviaci il tuo piano di misurazione e ti diremo onestamente dove si adatta una soluzione ottica e dove una convenzionale ti servirà meglio.