Was ist ein Faser-Bragg-Gitter (FBG)?
FBG steht für Faser-Bragg-Gitter, ein Brechungsindexmodulationsgitter (Beugungsgitter), das aus kurzen Segmenten besteht, die im Kern einer optischen Faser installiert sind.
In einem Faser-Bragg-Gitter werden von dem Licht verschiedener Wellenlängen, das sich in der Glasfaser bewegt, nur die Wellenlängen reflektiert, die mit der Periode (dem Brechungsindex) der Faser-Bragg-Streifen übereinstimmen.
Die Periode dieser Streifen ändert sich mit der Dehnung aufgrund des ausgeübten Drucks und mit der Ausdehnung und Kontraktion aufgrund der Temperatur und die Wellenlänge des reflektierten Lichts ändert sich entsprechend, so dass FBG in Verbindung mit einem Abfragegerät als Sensoren zur Messung von Druck, Dehnung und Temperatur verwendet werden können.
Anwendungen von Faser-Bragg-Gittern (FBG)
Faser-Bragg-Gitter sind eine effektive Alternative in Messumgebungen, in denen herkömmliche Sensortechnologie nicht eingesetzt werden kann, wie z. B. bei hohen und niedrigen Temperaturen, starker Strahlung, Hochvakuum und anderen rauen Messumgebungen.
Faser-Bragg-Gitter können in rauen Umgebungen präzise eingesetzt werden, z. B. zur Schwingungs- und Temperaturkontrolle in Hochspannungsgeneratoren, zur Überwachung hoher Temperaturen in Transformatoren, zur Blattüberwachung in Windturbinen, zur Belastungsüberwachung in Flugzeugtreibstofftanks, zur Überwachung von Dehnung, Temperatur und Verschiebung in Kernreaktoren und zur Überwachung von Raumfahrzeugen. Das FBG kann auch für genaue Messungen in rauen Umgebungen wie der Überwachung von Raumfahrzeugen eingesetzt werden.
Die Faser-Bragg-Gitter-Messung ist auch ein effektives Instrument, wenn die Anzahl der benötigten Sensoren sehr hoch ist oder wenn Installationen über sehr große Entfernungen vorgenommen werden müssen.
Funktionsweise von Faser-Bragg-Gittern
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren messen und quantifizieren temperatur- und druckbedingte Dehnungsänderungen durch die Messung von Licht, das durch die Neuberechnung der Lichtinformationen als Temperatur, Dehnung und Druck detektiert wird, indem die Intensität jeder Wellenlänge erfasst wird, um Änderungen im reflektierten Licht zu erkennen.
Faser-Bragg-Gitter können daher als direkte Elemente für die direkte Erfassung von Dehnung und Temperatur bezeichnet werden.
Der Erfassungsablauf mit Faser-Bragg-Gittern ist wie folgt:
Zunächst wird ein einfallender Lichtstrahl vom Abfragegerät in die optische Faser eingeleitet.
Das einfallende Licht durchläuft den Kern, wiederholt die Totalreflexion und erreicht schließlich den Faser-Bragg-Gitter.
Ein Teil des einfallenden Lichts, das das Faser-Bragg-Gitter erreicht, wird vom Faser-Bragg-Gitter als reflektiertes Licht zurückgeworfen, während das restliche Licht durchgelassenes Licht ist, das direkt hindurchgeht.
Dieses reflektierte Licht wandert im Kern in die entgegengesetzte Richtung und kehrt schließlich zum Interrogator zurück.
Das Abfragesystem misst und quantifiziert die Wellenlängenintensität des zurückgeworfenen Lichts.
Aus den erhaltenen Wellenlängeninformationen werden die Temperatur, die Dehnung und der Druck entsprechend den vorgegebenen Koeffizienten berechnet.
Auf diese Weise lassen sich letztlich Temperatur, Dehnung und Druck ableiten, aber die direkt vom Faser-Bragg-Gitter als Sensorelement gewonnene Information ist nur die Wellenlänge des reflektierten Lichts.
Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ändert sich jedoch, wenn sich der Abstand zwischen den Faser-Bragg-Gittern mit der Temperatur, der Dehnung und dem Druck ändert.
Die Wellenlänge des vom Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts wird als Bragg-Wellenlänge bezeichnet, und die Änderung der Wellenlänge wird als Wellenlängenverschiebung bezeichnet.
Der Interrogator misst die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge durch Messung der Intensität dieser Wellenlängen.
Da die Bragg-Wellenlänge empfindlich auf Druck, Dehnung und Temperatur reagiert, kann man die Dehnungs- und Temperaturabhängigkeit des reflektierten Lichts nutzen und aus den erhaltenen Wellenlängeninformationen Druck, Dehnung und Temperatur berechnen, so dass Faser-Bragg-Gitter als Erfassungselemente in Sensoren eingesetzt werden können.