ファイバー ブラッグ グレーティング インテロゲータ: 実際のテスト設定での FBG センシングの仕組み

6 時間のテスト後にひずみの測定値がドリフトするのを観察したことがある方、またはブリッジ ボックスを通じて電気ノイズを追いかけて午後を過ごしたことがある方なら、ファイバー ブラッグ グレーティング センシングがなぜ構造測定および産業測定に定着したのかをすでに理解しているでしょう。その世界の中心には、ファイバー ブラッグ グレーティング インタロゲータという 1 つの機器が座っています。格子から戻ってくる光を読み取り、それをレポートで擁護できる数値に変換します。

以下では、インタロゲータが実際に測定する内容、メーカーがその測定を実装する主な方法、ユニットがテストで動作するかどうかを決定する仕様、および光学フロントエンドがデータ収集、センシング、およびジョブを完了する校正装置とどのように適合するかを説明します。以下に述べる内容のほとんどは、長年にわたる振動、ひずみ、モーダル試験における測定チェーンの構築と、システムを指定する際にお客様から寄せられる質問から得られたものです。

ファイバーブラッググレーティングインタロゲータが実際に測定するもの

ファイバー ブラッグ グレーティングは、コアの屈折率が周期的なパターンで書き込まれた短い長さの光ファイバーです。このパターンは、1 つの狭い波長帯域を光源に向かって反射し、その帯域の中心であるブラッグ波長は、格子周期と導波モードの実効屈折率によって設定されます。繊維を伸ばしたり圧縮したりすると周期が変化します。温めたり冷やしたりすると実効指数が変化します。どちらの効果も反射ピークをシフトさせ、広い動作範囲にわたってそのシフトはほぼ線形になります。

尋問者の仕事は、その変化を追跡することです。光をファイバーに発射し、回折格子によって反射されたごく一部の光を収集し、各反射ピークの中心波長を継続的に決定します。その結果、ライン上のすべてのセンサーの波長と時間の記録が得られ、適切な感度係数が適用されると、歪み、温度、圧力、変位、または加速度になります。 1550 nm では、一般的な回折格子はマイクロストレインあたり約 1.2 ピコミ、摂氏 1 度あたり約 10 ピコメートル移動します。そのため、分解能の数値はピコメートル単位で、場合によってはピコメートルの分数で引用されます。

また、これらの楽器が何ではないのかを明確にすることも役立ちます。インテロゲータは返される光パワーではなく、波長を測定します。この 1 つの設計上の決定によって、この技術の実際的な利点のほとんどが説明されます。コネクタの損失、長いケーブル配線、光源の経年劣化、および曲げ損失はすべて、戻ってくる光の量を変化させますが、波長を変えるものはありません。 FBG チェーンが、高電圧機器の隣、変圧器内、パイプライン沿い、風力タービンのブレード上など、長い銅線がアンテナのように機能する場所でも快適に機能する理由もこれです。

5 つの一般的な尋問アプローチの比較

スペクトルのピークを見つける方法は複数あり、設計者が選択する方法によって、速度、チャンネル数、物理的なサイズ、コストなど、機器に関するほぼすべてのことが決まります。これらは、最も頻繁に遭遇するアプローチです。

実際には、通常、決定は 2 つの質問に絞り込まれます。同時に何個の格子を読み取る必要がありますか?また、それらはどれくらいの速度で移動しますか? 1 分ごとに温度を記録することと、ミリ秒の過渡現象を捕捉することはまったく異なる問題であり、一方に優れたインテロゲータがもう一方にも最適であることはほとんどありません。

ユニットがテストで動作するかどうかを決定する仕様

データシートには、同じ数のパラメーターがリストされる傾向があります。重要なのは、どれがアプリケーションをバインドするかです。システムが承認される前に、お客様と確認するポイントは次のとおりです。

• 波長範囲とチャネル数。 40 nm スパンと 100 nm スパンは、特にピークを分離するために一部のグレーティングに予歪みが与えられている場合に、非常に異なる数の格子をカバーします。
• 解像度と精度。 分解能は、機器が認識できる最小の変化です。精度は、絶対読み取り値が実際の波長にどれだけ近いかを表します。通常、長期安定性と再現性はどちらよりも重要です。
• 絶対測定または相対測定。 時間の経過とともに変更する必要がある作業もあります。温度補償や形状センシングなどの他の作業には、信頼できる絶対リファレンスが必要です。
• サンプルまたはスキャン速度。 静的モニタリング、疲労サイクル、衝撃イベントは 3 桁離れています。平均値ではなく、キャプチャする必要がある最速の現象に機器を合わせます。
• チャネルごとの多重化容量。 これにより、1 つのファイバーで伝送できるセンサーの数が決まり、したがって、設置に必要なケーブルの量とコネクタの数が決まります。
• ダイナミックレンジとクロストーク。 強い負荷がかかったグレーティングが同じファイバ上で軽負荷のグレーティングの隣にある場合、弱いピークが強い隣接するピークによって引っ張られないようにする必要があります。
• 光学予算とコネクタ。 シングルモード ファイバーの種類、コーティング、FC/APC 終端、および接続品質はすべて、信号が検出器に到達する前に予算を消費します。
• 環境評価。 ラック内の実験用ユニットと橋梁床版上のフィールド ユニットでは、温度範囲、耐振動性、および侵入保護に関して異なる要件があります。
• ソフトウェア、インターフェース、同期。 トリガー入力、共有クロック、ストリーミング API、およびエクスポート形式によって、インテロゲータが測定システムの残りの部分にどれだけ簡単に参加できるかが決まります。
• 校正とトレーサビリティ。 波長基準はドリフトします。機器がどのように検証されるか、どのくらいの頻度で検証されるか、どのような文書が付属するか尋ねてください。

あなたのアプリケーションは実際にどれくらいの速度を必要としていますか?

下のグラフは仕様ではなく相対的な需要を示したものですが、この分野でのあらゆる購入決定を形作るスプレッドを捉えています。

教訓は単純です。必要な場合はスピードを、その他の場合は安定性を購入してください。良好な波長基準を備えたより低速で静かな機器は、数週間にわたるドリフトが真の敵である長期間のモニタリングにおいては、より高速な機器よりも優れた性能を発揮することがよくあります。

ファイバーブラッググレーティングセンシングが活きる場所

この技術は、従来の電気センシングが壁にぶつかった場合に選択されます。私たちが何度も目にするいくつかのパターン:

• 構造的な健全性のモニタリング。 橋、ダム、トンネル、杭、パイプラインのサポートでは、数十の歪み点と温度点が 1 つのファイバーと 1 つのインテロゲータを共有します。
• エネルギーとパワー。 変圧器の巻線、発電機の固定子、高電圧環境、タービンブレードなどでは、電磁耐性によってあらゆる種類のノイズ問題が解消されます。
• 航空宇宙および複合材料。 格子は製造時に積層板に直接埋め込まれており、表面接着ゲージでは機能しない場所でも存続します。
• 鉄道と交通機関。 天候、振動、電気的干渉にさらされるレール、枕木、車両構造の長期監視。
• 産業機械およびプロセスプラント。 パッシブガラスセンサーがフォイルゲージとそのリード線よりも長持ちする、高温、湿潤、または化学的に攻撃的な場所。

実際的な注意点の 1 つを明確に述べておく価値があります。それは、裸の格子は歪みと温度に同時に反応するということです。アプリケーションがこの 2 つを分離しない限り、ひずみのない基準格子を各測定格子と組み合わせるか、熱応答を特徴付けることによって、インテロゲータは両方の効果を混合した数値を忠実に報告します。

チェーンの残りの部分: 波長データから測定完了まで

取調官が一人で仕事をすることはほとんどありません。その波長記録は、加速度、力、圧力、変位、回転速度など、テスト内の他のすべてのものと同期してから分析する必要があります。これは、揚州真中試験技術で私たちが日々の勤務時間を費やしているチェーンの一部です。

電気的な面では、ダイナミック シグナル アナライザーが、さまざまなセンサーに必要な入力調整を行い、多くのチャネルにわたる同時サンプリングを処理します。当社の USB、100 Mbps ネットワーク、およびギガビット ネットワーク機器は、大規模な構造物や多点モーダル調査で通常必要とされる、単一チャネルのポータブル作業から最大 32 チャネルの同期収集までをカバーします。このようなボックスが従来の機器と比較してどこに配置されているかをより明確に知りたい場合は、次の注記を参照してください。 ダイナミックシグナルアナライザは従来の計測器とどう違うのか は良い出発点です。

ZT-U8204C 4チャンネルダイナミックシグナルアナライザ 4 つのチャネル、24 ビット変換、電圧/IEPE/電荷入力は、直接センサー接続によるモーダル、機械故障、ノイズ、過渡測定に適しています。 製品を見る→

ノイズの多い加速度計ときれいな光学読み取り値を組み合わせても、依然として疑わしい結果が生じるため、センシング層も同様に重要です。電荷および IEPE 加速度計、マイクロ 3 軸ユニット、力および圧力トランスデューサ、および音響マイクは、テスト対象の現象の周波数範囲と振幅に一致するように選択されます。その逆ではありません。

揚州真中試験による IEPE 加速度計カテゴリー このカテゴリでは、Zhenzhong Testing の IEPE 加速度計シリーズと、充電およびマイクロ三軸加速度計のリストを紹介しますが、現時点では個別のモデルは表示されていません。 製品を見る→

最後にキャリブレーションがあります。測定チェーンの品質は、その終端にある基準によって決まります。これは、光チャネルと電気チャネルの両方に当てはまります。現場で検証可能なセンサーとチャネルのチェックにより、キャンペーン間、研究所間、および年間で数値を比較できるようになります。

Zhenzhong Testing のポータブル振動校正器カテゴリ このカテゴリでは、Zhenzhong Testing のポータブル振動校正器製品に焦点を当てており、測定チェーンのリファレンスをチェックするユーザー向けに 5 つの製品がリストされていますが、個々のモデルや仕様は示されていません。 製品を見る→

これらの部品を一度に購入して組み立てるのではなく、一緒に設計すると、統合作業が大幅に減少します。それが私たちの背後にある理由です 振動および動的試験ソリューション 、励起、センシング、取得、分析ソフトウェアとサービスを単一の責任あるシステムに統合します。

実用的な選択チェックリスト

1. 測定する必要がある物理量、その予想される範囲、および解決する必要がある最速の変化を書き留めます。
2. センシング ポイントを数え、ファイバーとチャネル全体にセンシング ポイントをどのように分散するかを決定します。
3. カウントと速度に適した問い合わせ方法を選択し、ケーブル長に対する光バジェットを確認します。
4. トリガー、共有クロック、タイムスタンプ付きストリーミングなど、機器が他のチャンネルとどのように同期されるかを確認します。
5. ある瞬間の解像度の数値だけでなく、数時間または数日にわたる安定性の仕様を求めてください。
6. 誰が実行するのか、どのような証明書を受け取るのかなど、校正と検証のパスを確認します。
7. コミットする前に、独自のデータを使用してソフトウェア、特にチームが使用するエクスポートと分析のワークフローをテストします。

よく聞かれる質問

1 つの質問器で歪みと温度を同時に処理できますか?

はい、インストールが計画されている場合に限ります。一般的なアプローチは、温度のみのピークを差し引くことができるように、各測定格子の近くに歪みのない格子を配置することです。どちらのタイプのグレーティングも同じファイバー上にあり、同じ機器によって読み取られます。

1 つのチャネルを共有できるセンサーの数は何ですか?

それは、機器の波長範囲と、分離可能な状態を保つためにピークがどのくらい離れていなければならないかによって異なります。異なる中心波長を持つ回折格子が利用可能なスペクトル全体に分散されているため、通信範囲と多重化容量が密接に結びついています。

すでに FBG センサーを持っている場合でも、従来の加速度センサーは必要ですか?

通常、モーダルおよび振動作業の場合はそうです。光学ひずみセンシングは構造がどのように変形するかを説明し、加速度計は構造がどのように動くかを説明します。ほとんどの本格的なテスト プログラムでは、両方を記録して一緒に分析します。だからこそ、チェーンの光側と電気側の間の同期には早期に注目する価値があります。

ファイバー ブラッグ グレーティング インタロゲータは洗練された機器ですが、センサーの設置の決定から始まり、誰かが署名する必要がある分析結果で終わるチェーン内の 1 つのリンクです。スムーズに進むプロジェクトとは、範囲、速度、チャンネル数、ケーブル配線、校正が注文前にすべて解決されているプロジェクトです。

現在そのチェーンを構築中で、電気的な側面についてセカンドオピニオンが必要な場合は、当社のチームがチャンネル数、入力タイプ、サンプリングレート、校正の実践について喜んで相談に応じます。測定計画をお送りください。どこに光学ソリューションが適しているか、またどこに従来のソリューションが適しているかを正直にお知らせします。