Опросчик волоконной брэгговской решетки: как работает распознавание ВБР в реальных испытательных установках

Если вы когда-либо наблюдали дрейф показаний деформации после шести часов испытаний или проводили день, гоняясь за электрическим шумом через мостовую коробку, вы уже понимаете, почему датчики на волоконных брэгговских решетках нашли применение в структурных и промышленных измерениях. В центре этого мира находится один инструмент: запросчик на волоконной решетке Брэгга. Он считывает свет, исходящий от решеток, и преобразует его в числа, которые можно защитить в отчете.

Ниже мы рассмотрим, что на самом деле измеряет опросчик, основные способы, с помощью которых производители реализуют эти измерения, характеристики, которые определяют, будет ли устройство работать в вашем тесте, а также то, как оптический интерфейс сочетается с оборудованием для сбора данных, датчиков и калибровки, которое завершает работу. Большая часть изложенного ниже является результатом многих лет построения цепочек измерений при испытаниях на вибрацию, деформацию и модальные испытания, а также вопросов, которые клиенты задают нам при выборе системы.

Что на самом деле измеряет опросчик на волоконной брэгговской решетке

Волоконная брэгговская решетка представляет собой небольшой отрезок оптического волокна, показатель преломления сердцевины которого записан в виде периодической структуры. Эта картина отражает одну узкую полосу длин волн обратно к источнику, а центр этой полосы, длина волны Брэгга, задается периодом решетки и эффективным показателем преломления направленной моды. Растяните или сожмите волокно, и период изменится. Нагрейте или охладите его, и эффективный индекс изменится. Оба эффекта смещают отраженный пик, и в широком рабочем диапазоне этот сдвиг почти линейный.

Задача следователя — отследить этот сдвиг. Он пропускает свет в волокно, собирает небольшую часть, отраженную решетками, и непрерывно определяет центральную длину волны каждого пика отражения. Результатом является запись зависимости длины волны от времени для каждого датчика на линии, которая становится деформацией, температурой, давлением, смещением или ускорением после применения соответствующего коэффициента чувствительности. При длине волны 1550 нм типичная решетка перемещается примерно на 1,2 пм на микродеформацию и примерно на 10 пм на градус Цельсия, поэтому значения разрешения приводятся в пикометрах, а иногда и в долях пикометра.

Это также помогает понять, чем эти инструменты не являются. Следователь измеряет длину волны, а не возвращаемую оптическую мощность. Это единственное конструктивное решение объясняет большинство практических преимуществ технологии: потери в разъемах, длинные длины кабелей, старение источника и потери на изгибах — все это влияет на количество возвращаемого света, и ни одно из них не меняет длину волны. Именно поэтому цепи ВБР успешно работают рядом с высоковольтным оборудованием, внутри трансформаторов, вдоль трубопроводов и на лопастях ветряных турбин, где длинный медный провод ведет себя как антенна.

Сравнение пяти распространенных подходов к допросу

Существует несколько способов найти пик в спектре, и метод, который выбирает разработчик, определяет почти все остальное в приборе: его скорость, количество каналов, его физический размер и стоимость. Именно такие подходы вы встретите чаще всего.

На практике решение обычно сводится к двум вопросам. Сколько решеток необходимо читать одновременно и с какой скоростью они движутся? Регистрация температуры раз в минуту и ​​регистрация миллисекундных переходных процессов — это совершенно разные задачи, и опросник, который превосходно справляется с одной задачей, редко оказывается оптимальным для другой.

Спецификации, которые определяют, будет ли модуль работать в вашем тесте

В даташитах обычно указываются одни и те же параметры. Важно то, какие из них связывают ваше приложение. Вот этапы, которые мы прорабатываем с клиентами перед тем, как система будет подписана:

• Диапазон длин волн и количество каналов. Диапазон 40 нм и диапазон 100 нм охватывают очень разное количество решеток, особенно когда некоторые из них предварительно натянуты для разделения пиков.
• Разрешение против точности. Разрешение — это наименьшее изменение, которое может увидеть прибор. Точность – это то, насколько близко абсолютное показание к истинной длине волны. Долгосрочная стабильность и повторяемость обычно имеют большее значение.
• Абсолютное или относительное измерение. Некоторая работа требует изменений только со временем; другие работы, такие как температурная компенсация или измерение формы, нуждаются в надежном абсолютном эталоне.
• Sample or scan rate. Статический мониторинг, циклическая усталость и ударные явления различаются на три порядка. Подберите инструмент к самому быстрому явлению, которое вы должны зафиксировать, а не к среднему значению.
• Пропускная способность мультиплексирования на канал. Это определяет, сколько датчиков может нести одно волокно и, следовательно, сколько кабелей и разъемов потребуется вашей установке.
• Динамический диапазон и перекрестные помехи. Когда сильно нагруженная решетка находится рядом с слабо нагруженной на одном и том же волокне, слабые пики не должны перетягиваться сильными соседями.
• Оптический бюджет и разъемы. Тип одномодового волокна, покрытие, окончания FC/APC и качество сварки — все это потребляет бюджет еще до того, как сигнал достигнет детектора.
• Environmental rating. Лабораторная установка в стойке и полевая установка на настиле моста предъявляют разные требования к температурному диапазону, устойчивости к вибрации и защите от проникновения.
• Программное обеспечение, интерфейсы и синхронизация. Триггерные входы, общие часы, API потоковой передачи и форматы экспорта определяют, насколько легко опросчик присоединяется к остальной части вашей измерительной системы.
• Калибровка и прослеживаемость. Эталоны длины волны дрейфуют. Спросите, как проверяется прибор, как часто и какая документация к нему прилагается.

Какая скорость действительно нужна вашему приложению?

Диаграмма ниже представляет собой иллюстрацию относительного спроса, а не спецификации, но она отражает разброс, который определяет каждое решение о покупке в этой области.

Урок прост: покупайте скорость там, где она вам нужна, и стабильность везде. Более медленный и тихий прибор с хорошим эталоном длины волны часто превосходит более быстрый при длительном мониторинге, где дрейф в течение нескольких недель является настоящим врагом.

Где зондирование волоконной брэгговской решетки зарабатывает свое существование

Технология выбирается, когда обычный электрический датчик упирается в стену. Некоторые закономерности мы видим снова и снова:

• Структурный мониторинг здоровья. Мосты, плотины, туннели, сваи и опоры трубопроводов, где десятки точек напряжения и температуры используют одно волокно и один запросчик.
• Energy and power. Обмотки трансформаторов, статоры генераторов, высоковольтные среды и лопатки турбин, где электромагнитная невосприимчивость устраняет целый класс шумовых проблем.
• Аэрокосмическая промышленность и композиты. Решетки, встроенные непосредственно в ламинат во время производства, выживают там, где не могут быть приклеены к поверхности датчики.
• Rail and transportation. Долгосрочный мониторинг рельсов, шпал и конструкций транспортных средств, подвергающихся воздействию погодных условий, вибрации и электрических помех.
• Промышленное оборудование и технологический завод. Горячие, влажные или химически агрессивные места, где пассивный стеклянный датчик служит дольше, чем фольговый датчик и его подводящие провода.

Стоит сформулировать одно практическое предостережение: голая решетка реагирует одновременно на нагрузку и температуру. Если приложение не разделяет их, соединяя свободную от деформаций эталонную решетку с каждой измерительной решеткой или характеризуя тепловой отклик, опросчик точно сообщит число, которое объединяет оба эффекта.

Остальная часть цепочки: от данных о длине волны до законченного измерения

Дознаватель редко работает в одиночку. Его запись длины волны все еще необходимо синхронизировать со всем остальным в тесте: ускорением, силой, давлением, перемещением и скоростью вращения, а затем проанализировать. Это часть цепочки, над которой мы проводим свои рабочие дни в Yangzhou Zhenzhong Testing Technology.

Что касается электрической части, динамический анализатор сигналов обрабатывает одновременную выборку по многим каналам с согласованием входного сигнала, необходимым для разных датчиков. Наши USB-, 100-мегабитные и гигабитные сетевые инструменты охватывают как одноканальную портативную работу, так и 32-канальную синхронную съемку, что обычно требуется для большой структуры или многоточечной модальной съемки. Если вы хотите получить более четкое представление о том, где находится такая коробка по отношению к обычному инструменту, прочтите нашу заметку о чем динамический анализатор сигналов отличается от традиционного прибора это хорошая отправная точка.

ZT-U8204C Четырехканальный динамический анализатор сигналов Его четыре канала, 24-битное преобразование и входы напряжения/IEPE/заряда подходят для измерений мод, неисправностей оборудования, шума и переходных процессов с прямым подключением датчика. Посмотреть продукт →

Чувствительный слой имеет не меньшее значение, поскольку чистые оптические показания в сочетании с шумным акселерометром по-прежнему дают сомнительный результат. Акселерометры заряда и IEPE, микротриаксиальные устройства, датчики силы и давления, а также акустические микрофоны выбираются в соответствии с частотным диапазоном и амплитудой тестируемого явления, а не наоборот.

Категория акселерометра IEPE от Yangzhou Zhenzhong Testing В этой категории представлена линейка акселерометров IEPE от Zhenzhong Testing, а также списки зарядных и микротрехосных акселерометров, хотя отдельные модели в настоящее время не показаны. Посмотреть продукт →

Наконец, есть калибровка. Измерительная цепочка хороша настолько, насколько хорош опорный сигнал на ее конце, и это справедливо как для оптических, так и для электрических каналов. Проверяемые на местах датчики и проверки каналов позволяют сравнивать цифры между кампаниями, лабораториями и годами.

Категория портативных вибрационных калибраторов от Zhenzhong Testing В этой категории представлены портативные калибраторы вибрации от Zhenzhong Testing, в которых перечислены пять продуктов для пользователей, проверяющих эталоны измерительной цепочки, хотя отдельные модели и характеристики не показаны. Посмотреть продукт →

Когда эти части разрабатываются вместе, а не собираются по отдельности, объем работы по интеграции резко снижается. Это причина нашего решения для вибрационных и динамических испытаний , которые объединяют программное обеспечение для возбуждения, измерения, сбора данных, анализа и обслуживание в единую подотчетную систему.

Практический контрольный список выбора

1. Запишите физические величины, которые вы должны измерить, их ожидаемые диапазоны и самое быстрое изменение, которое вы должны разрешить.
2. Подсчитайте точки измерения и решите, как они будут распределены по волокнам и каналам.
3. Выберите метод опроса, соответствующий этому количеству и скорости, затем подтвердите оптический бюджет для вашей длины кабеля.
4. Проверьте, как инструмент будет синхронизирован с другими вашими каналами: по триггеру, общим часам или потоковой передаче с меткой времени.
5. Запрашивайте характеристики стабильности в течение нескольких часов или дней, а не только показатель разрешения в определенный момент времени.
6. Подтвердите путь калибровки и проверки, включая информацию о том, кто ее выполняет и какой сертификат вы получаете.
7. Прежде чем приступить к работе, протестируйте программное обеспечение на собственных данных, особенно на рабочем процессе экспорта и анализа, в котором будет работать ваша команда.

Вопросы, которые мы слышим чаще всего

Может ли один исследователь одновременно выдерживать напряжение и температуру?

Да, если его установка запланирована. Распространенный подход заключается в размещении свободной от напряжений решетки рядом с каждой измерительной решеткой, чтобы можно было вычесть температурный пик. Оба типа решеток расположены на одном и том же волокне и считываются одним и тем же прибором.

Сколько датчиков могут использовать один канал?

Это зависит от диапазона длин волн прибора и от того, насколько далеко друг от друга должны находиться пики, чтобы они оставались разделенными. Решетки с разными центральными длинами волн распределены по всему доступному спектру, поэтому дальность действия и способность мультиплексирования так тесно связаны друг с другом.

Нужны ли мне еще обычные акселерометры, если у меня уже есть датчики ВБР?

Обычно да, для модальной и вибрационной работы. Оптическое измерение деформации описывает, как деформируется конструкция, а акселерометры описывают, как она движется. Большинство серьезных тестовых программ записывают оба и анализируют их вместе, именно поэтому синхронизация между оптической и электрической сторонами цепи заслуживает внимания на раннем этапе.

Опрашиватель на волоконной решетке Брэгга — элегантный инструмент, но это одно звено в цепи, которая начинается с принятия решения об установке датчика и заканчивается анализируемым результатом, который кто-то должен подписать. Проекты, которые проходят гладко, — это те, в которых диапазон, скорость, количество каналов, кабели и калибровка были проработаны до заказа на поставку.

Если вы строите эту цепочку сейчас и хотите получить второе мнение по электрической части, наша команда будет рада обсудить количество каналов, типы входов, частоты дискретизации и практику калибровки. Отправьте нам свой план измерений, и мы честно скажем вам, где подойдет оптическое решение, а где обычное подойдет лучше.