Interrogator z siatką Bragga: jak działa wykrywanie FBG w rzeczywistych konfiguracjach testowych

Jeśli kiedykolwiek obserwowałeś zmianę odczytu odkształcenia po sześciu godzinach testów lub spędziłeś popołudnie goniąc za szumem elektrycznym przez skrzynkę mostkową, już wiesz, dlaczego światłowodowe wykrywanie siatki Bragga znalazło zastosowanie w pomiarach strukturalnych i przemysłowych. W centrum tego świata znajduje się jeden instrument: interrogator z siatką Bragga. Odczytuje światło wracające z krat i zamienia je na liczby, których możesz obronić w raporcie.

Poniżej omawiamy, co faktycznie mierzy urządzenie przesłuchujące, główne sposoby, w jakie producenci realizują ten pomiar, specyfikacje decydujące o tym, czy jednostka będzie działać w Twoim teście, oraz to, w jaki sposób interfejs optyczny współpracuje ze sprzętem do gromadzenia danych, wykrywaniem i kalibracją, który kończy zadanie. Większość poniższych informacji pochodzi z lat budowania łańcuchów pomiarowych w ramach testów wibracyjnych, odkształceń i modalnych, a także z pytań zadawanych nam przez klientów podczas określania specyfikacji systemu.

Co właściwie mierzy interrogator z siatką Bragga

Siatka Bragga to krótki odcinek światłowodu, którego współczynnik załamania światła w rdzeniu został zapisany w sposób okresowy. Wzór ten odzwierciedla jedno wąskie pasmo długości fal z powrotem w kierunku źródła, a środek tego pasma, długość fali Bragga, jest wyznaczany przez okres siatki i efektywny współczynnik załamania światła trybu prowadzonego. Rozciągnij lub ściśnij włókno, a okres się zmieni. Rozgrzej lub ochłodź, a efektywny indeks się zmieni. Obydwa efekty przesuwają odbity szczyt, a w szerokim zakresie roboczym przesunięcie to jest prawie liniowe.

Zadaniem przesłuchującego jest śledzenie tej zmiany. Wprowadza światło do światłowodu, zbiera niewielką część odbitą przez siatki i w sposób ciągły określa środkową długość fali każdego piku odbicia. Wynikiem jest zapis zależności długości fali od czasu dla każdego czujnika na linii, który po zastosowaniu odpowiedniego współczynnika czułości staje się odkształceniem, temperaturą, ciśnieniem, przemieszczeniem lub przyspieszeniem. Przy 1550 nm typowa siatka porusza się o około 1,2 pm na mikroodkształcenie i około 10 pm na stopień Celsjusza, dlatego rozdzielczości podaje się w pikometrach, a czasami w ułamkach pikometru.

Pomocne jest także jasne określenie, czym te instrumenty nie są. Interrogator mierzy długość fali, a nie zwracaną moc optyczną. Ta jedna decyzja projektowa wyjaśnia większość praktycznych zalet tej technologii: straty na złączu, długie przebiegi kabli, starzenie się źródła i straty na zgięciach – wszystko to zmienia ilość powracającego światła i żaden z nich nie wpływa na długość fali. Z tego też powodu łańcuchy FBG z powodzeniem sprawdzają się obok urządzeń wysokiego napięcia, wewnątrz transformatorów, wzdłuż rurociągów i na łopatach turbin wiatrowych, gdzie długi miedziany przewód zachowywałby się jak antena.

Porównanie pięciu powszechnych podejść do przesłuchań

Istnieje więcej niż jeden sposób na znalezienie piku w widmie, a metoda wybrana przez projektanta kształtuje prawie wszystko inne w instrumencie: jego prędkość, liczbę kanałów, jego rozmiar fizyczny i koszt. Z takimi podejściami spotkasz się najczęściej.

W praktyce decyzja zwykle zawęża się do dwóch pytań. Ile siatek należy jednocześnie odczytać i z jaką szybkością się one poruszają? Rejestrowanie temperatury raz na minutę i przechwytywanie milisekundowego stanu przejściowego to bardzo różne problemy, a interrogator, który wyróżnia się w jednym, rzadko jest optymalny w przypadku drugiego.

Specyfikacje decydujące o tym, czy jednostka działa w Twoim teście

Arkusze danych zwykle zawierają listę tych samych kilkunastu parametrów. Ważne jest, które z nich wiążą Twoją aplikację. Oto punkty, przez które przechodzimy z klientami przed zatwierdzeniem systemu:

• Zakres długości fali i liczba kanałów. Rozpiętość 40 nm i rozpiętość 100 nm obejmują bardzo różną liczbę siatek, zwłaszcza gdy niektóre są wstępnie naprężone w celu oddzielenia pików.
• Rozdzielczość kontra dokładność. Rozdzielczość to najmniejsza zmiana, jaką może zobaczyć przyrząd. Dokładność określa stopień bliskości odczytu bezwzględnego do rzeczywistej długości fali. Długoterminowa stabilność i powtarzalność zwykle mają większe znaczenie niż jedno i drugie.
• Pomiar bezwzględny lub względny. Niektóre prace wymagają jedynie zmian w miarę upływu czasu; inne prace, takie jak kompensacja temperatury lub wykrywanie kształtu, wymagają godnego zaufania, absolutnego odniesienia.
• Częstotliwość próbkowania lub skanowania. Monitorowanie statyczne, cykliczne zmęczenie i zdarzenia udarowe różnią się trzema rzędami wielkości. Dopasuj instrument do najszybszego zjawiska, które chcesz uchwycić, a nie do średniej.
• Wydajność multipleksowania na kanał. Określa to, ile czujników może obsłużyć pojedyncze włókno, a co za tym idzie, ile okablowania i ile złączy potrzebuje Twoja instalacja.
• Zakres dynamiki i przesłuch. Kiedy silnie obciążona siatka znajduje się obok lekko obciążonej siatki na tym samym włóknie, słabe szczyty nie powinny być przyciągane przez silnych sąsiadów.
• Budżet optyczny i złącza. Typ światłowodu jednomodowego, powłoka, zakończenia FC/APC i jakość spawu – wszystko to pochłania budżet, zanim sygnał dotrze do detektora.
• Ocena środowiskowa. Jednostka laboratoryjna na stojaku i jednostka terenowa na pomoście mają różne wymagania dotyczące zakresu temperatur, tolerancji drgań i stopnia ochrony.
• Oprogramowanie, interfejsy i synchronizacja. Wejścia wyzwalające, współdzielone zegary, interfejsy API przesyłania strumieniowego i formaty eksportu decydują o tym, jak łatwo interrogator łączy się z resztą systemu pomiarowego.
• Kalibracja i identyfikowalność. Dryf odniesienia długości fali. Zapytaj, w jaki sposób urządzenie jest weryfikowane, jak często i jaka dokumentacja jest do niego dołączona.

Jakiej prędkości naprawdę potrzebuje Twoja aplikacja?

Poniższy wykres ilustruje względny popyt, a nie specyfikację, ale ukazuje rozpiętość, która kształtuje każdą decyzję zakupową w tym obszarze.

Lekcja jest prosta: kupuj prędkość tam, gdzie jej potrzebujesz i stabilność wszędzie indziej. Wolniejszy, cichszy instrument z dobrym odniesieniem do długości fali często radzi sobie lepiej z szybszym w długotrwałym monitorowaniu, gdzie prawdziwym wrogiem jest dryft trwający tygodnie.

Gdzie czujnik siatki Bragga Fibre zarabia na swoje utrzymanie

Technologia jest wybierana, gdy konwencjonalny czujnik elektryczny natrafia na ścianę. Niektóre wzorce, które widzimy wielokrotnie:

• Monitorowanie stanu konstrukcji. Mosty, tamy, tunele, pale i podpory rurociągów, w których dziesiątki punktów naprężeń i temperatur dzielą jedno włókno i jeden interrogator.
• Energia i moc. Uzwojenia transformatorów, stojany generatorów, środowiska wysokiego napięcia i łopatki turbin, w których odporność elektromagnetyczna eliminuje całą klasę problemów związanych z hałasem.
• Lotnictwo i kompozyty. Kraty osadzone bezpośrednio w laminatach podczas produkcji, przetrwały tam, gdzie nie sprawdziłyby się mierniki klejone powierzchniowo.
• Kolej i transport. Długoterminowy monitoring szyn, podkładów i konstrukcji pojazdów narażonych na działanie czynników atmosferycznych, wibracji i zakłóceń elektrycznych.
• Maszyny przemysłowe i zakład przetwórczy. Miejsca gorące, mokre lub agresywne chemicznie, w których czujnik ze szkła pasywnego ma większą trwałość niż miernik foliowy i jego przewody doprowadzające.

Warto jasno podkreślić jedno praktyczne zastrzeżenie: goła krata reaguje jednocześnie na naprężenia i temperaturę. O ile aplikacja nie rozdzieli tych dwóch elementów, łącząc pozbawioną naprężeń siatkę odniesienia z każdą siatką pomiarową lub charakteryzując reakcję termiczną, pytający będzie wiernie raportował liczbę, która łączy oba efekty.

Reszta łańcucha: od danych o długości fali do zakończonego pomiaru

Przesłuchujący rzadko pracuje sam. Zapis długości fali nadal musi zostać zsynchronizowany ze wszystkim innym w teście, czyli przyspieszeniem, siłą, ciśnieniem, przemieszczeniem i prędkością obrotową, a następnie przeanalizowany. Jest to część łańcucha, nad którą spędzamy całe dnie pracy w Yangzhou Zhenzhong Testing Technology.

Po stronie elektrycznej dynamiczny analizator sygnału obsługuje jednoczesne próbkowanie na wielu kanałach, z kondycjonowaniem sygnału wejściowego wymaganym przez różne czujniki. Nasze instrumenty USB, sieci 100 Mb/s i gigabitowe urządzenia sieciowe obsługują jednokanałową pracę przenośną aż do 32-kanałowej akwizycji synchronicznej, czego zwykle wymaga duża struktura lub wielopunktowe badanie modalne. Jeśli chcesz uzyskać wyraźniejszy obraz tego, gdzie takie pudełko znajduje się w porównaniu z konwencjonalnym instrumentem, nasza uwaga na czym dynamiczny analizator sygnału różni się od tradycyjnego instrumentu jest dobrym punktem wyjścia.

ZT-U8204C Czterokanałowy analizator sygnału dynamicznego Cztery kanały, 24-bitowa konwersja i wejścia napięcia/IEPE/ładowania umożliwiają pomiary modalne, usterek maszyn, szumów i stanów przejściowych przy bezpośrednim podłączeniu czujnika. Zobacz produkt →

Warstwa czujnikowa ma równie duże znaczenie, ponieważ czysty odczyt optyczny w połączeniu z zaszumionym akcelerometrem nadal daje wątpliwy wynik. Akcelerometry ładunku i IEPE, jednostki mikrotrójosiowe, przetworniki siły i ciśnienia oraz mikrofony akustyczne dobiera się tak, aby pasowały do ​​zakresu częstotliwości i amplitudy badanego zjawiska, a nie odwrotnie.

Kategoria akcelerometru IEPE z testów Yangzhou Zhenzhong W tej kategorii przedstawiono gamę akcelerometrów IEPE firmy Zhenzhong Testing wraz z listą akcelerometrów ładowanych i mikrotrójosiowych, chociaż obecnie nie są pokazywane żadne pojedyncze modele. Zobacz produkt →

Na koniec następuje kalibracja. Łańcuch pomiarowy jest tak dobry, jak odniesienie na jego końcu i dotyczy to zarówno kanałów optycznych, jak i elektrycznych. Kontrole czujników i kanałów, które można weryfikować w terenie, zapewniają porównywalność liczb między kampaniami, laboratoriami i latami.

Kategoria przenośnego kalibratora wibracji firmy Zhenzhong Testing W tej kategorii wyróżniono ofertę przenośnych kalibratorów wibracji firmy Zhenzhong Testing, zawierającą pięć produktów dla użytkowników sprawdzających referencje łańcuchów pomiarowych, chociaż nie pokazano poszczególnych modeli i specyfikacji. Zobacz produkt →

Kiedy te elementy są projektowane razem, a nie montowane pojedynczo, praca nad integracją gwałtownie spada. Oto uzasadnienie naszego rozwiązania do testów wibracyjnych i dynamicznych , które łączą oprogramowanie do wzbudzania, wykrywania, akwizycji, analizy i usługi w jeden odpowiedzialny system.

Praktyczna lista kontrolna wyboru

1. Zapisz wielkości fizyczne, które musisz zmierzyć, ich oczekiwane zakresy i najszybszą zmianę, którą musisz rozwiązać.
2. Policz punkty detekcyjne i zdecyduj, w jaki sposób będą one rozmieszczone w światłowodach i kanałach.
3. Wybierz metodę przesłuchania, która pasuje do tej liczby i tej prędkości, a następnie potwierdź budżet optyczny dla długości kabla.
4. Sprawdź, jak instrument będzie zsynchronizowany z innymi kanałami, czy to za pomocą wyzwalacza, wspólnego zegara, czy przesyłania strumieniowego ze znacznikiem czasu.
5. Poproś o specyfikację stabilności w ciągu godzin lub dni, a nie tylko rozdzielczość w danym momencie.
6. Potwierdź ścieżkę kalibracji i weryfikacji, m.in. kto ją wykonuje i jaki certyfikat otrzymujesz.
7. Przed zatwierdzeniem przetestuj oprogramowanie na własnych danych, zwłaszcza na przepływie pracy związanym z eksportem i analizą, w jakim będzie pracował Twój zespół.

Pytania, które słyszymy najczęściej

Czy jeden przesłuchujący może jednocześnie wytrzymać obciążenie i temperaturę?

Tak, pod warunkiem, że jest do tego przewidziana instalacja. Powszechnym podejściem jest umieszczenie siatki pozbawionej naprężeń w pobliżu każdej siatki pomiarowej, aby można było odjąć pik temperaturowy. Obydwa typy siatek znajdują się na tym samym włóknie i są odczytywane przez ten sam instrument.

Ile czujników może współdzielić jeden kanał?

Zależy to od zakresu długości fali instrumentu i odległości od siebie pików, aby można było je rozdzielić. Siatki o różnych środkowych długościach fal są rozmieszczone w całym dostępnym widmie, dlatego zasięg i wydajność multipleksowania są ze sobą tak ściśle powiązane.

Czy nadal potrzebuję konwencjonalnych akcelerometrów, jeśli mam już czujniki FBG?

Zwykle tak, do pracy modalnej i wibracyjnej. Optyczne wykrywanie naprężeń opisuje, w jaki sposób konstrukcja odkształca się, natomiast akcelerometry opisują sposób jej ruchu. Większość poważnych programów testowych rejestruje oba i analizuje je razem, dlatego właśnie synchronizacja pomiędzy optyczną i elektryczną stroną łańcucha zasługuje na wczesną uwagę.

Interrogator z siatką Bragga to elegancki przyrząd, ale stanowi jedno ogniwo w łańcuchu, który rozpoczyna się decyzją o instalacji czujnika, a kończy analizowanym wynikiem, który ktoś musi podpisać. Projekty, które przebiegają sprawnie, to te, w których zasięg, prędkość, liczba kanałów, okablowanie i kalibracja zostały opracowane przed złożeniem zamówienia.

Jeśli budujesz teraz taki łańcuch i potrzebujesz drugiej opinii na temat strony elektrycznej, nasz zespół chętnie omówi liczbę kanałów, typy wejść, częstotliwości próbkowania i praktyki kalibracji. Prześlij nam swój plan pomiarów, a my szczerze powiemy Ci, gdzie pasuje rozwiązanie optyczne, a gdzie konwencjonalne będzie Ci lepiej służyć.