¿Cómo seleccionar el rango de medición de un sensor FBG?

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¿La estructura interna del sensor es la misma para medir 300 grados y 100 grados? ¿Elegir un tamaño mayor afecta la precisión?

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En la tecnología de detección de redes de Bragg en fibra (FBG), la estructura interna y el proceso de fabricación de los sensores que miden 300 ℃ y 100 ℃ presentan diferencias fundamentales; en cuanto a si “seleccionar un rango de medición más amplio afecta la precisión”, el mecanismo difiere de los sensores electrónicos tradicionales y requiere un análisis objetivo desde las dimensiones del mecanismo de demodulación de longitud de onda y el modelo de calibración de temperatura.

I. Diferencias en la Estructura Interna de los Sensores de 300 ℃ y 100 ℃

El rango físico de los sensores de temperatura FBG no se establece simplemente por software, sino que está determinado por los límites de resistencia física del material y la estructura termodinámica. Las diferencias estructurales clave entre ambos se manifiestan principalmente en los siguientes aspectos:

  1. Material del Recubrimiento de la Fibra Óptica (Material de Recubrimiento):

    • Especificación de 100 ℃: El recubrimiento de la fibra óptica suele ser de acrilato estándar (curable por UV). Este material, cuando se expone a temperaturas superiores a 85 ℃ ~ 100 ℃, se ablanda, degrada por envejecimiento o incluso se carboniza, lo que provoca que la fibra de cuarzo pierda su protección mecánica, se vuelva quebradiza y se rompa.
    • Especificación de 300 ℃: Se debe utilizar poliimida de alta temperatura para recubrir la fibra, o incluso pelar el recubrimiento para realizar una protección especial metalizada/en suspensión. El material de poliimida puede soportar altas temperaturas desde -200 ℃ hasta 300 ℃ (momentáneamente más altas), asegurando la estabilidad de la resistencia mecánica de la base de fibra.

  2. Proceso de Recocido Resistente a Altas Temperaturas de la Red (Recocido Térmico):

    • Las redes estándar (redes tipo I) grabadas mediante el método de fotolitografía con luz ultravioleta experimentan decaimiento térmico (Thermal Decay) del modulación de índice de refracción inducido fotoquímicamente en entornos de alta temperatura.
    • Las redes de fibra de la especificación de 300 ℃ deben someterse a un riguroso tratamiento de pre-recocido a alta temperatura antes del encapsulado para liberar de antemano los defectos inestables del centro de color y garantizar que la longitud de onda central no sufra una deriva permanente irreversible durante el funcionamiento continuo a 300 ℃. En contraste, los requisitos de temperatura y tiempo de recocido para las redes de 100 ℃ son relativamente más bajos.

  3. Estructura de Encapsulado sin Tensión y Materiales de Fijación Auxiliares:

    • Para que los sensores de temperatura FBG detecten solo la temperatura sin interferencias de deformación estructural o tensiones externas, la región de la red interna debe utilizar un “encapsulado sin tensión”.
    • A medida que la temperatura aumenta a 300 ℃, el desplazamiento por expansión térmica del microtubo de protección exterior (como un tubo sin costura de acero inoxidable 316L) aumenta significativamente. Los sensores de 300 ℃ deben incorporar un espacio de deslizamiento libre de compensación térmica suficiente, y el adhesivo de fijación del extremo o la soldadura de sellado deben ser capaces de soportar la tensión del ciclo térmico de 300 ℃. Los requisitos de la tecnología de la estructura son mucho más altos que los de los sensores de 100 ℃.

II. ¿Seleccionar un rango de medición más amplio afecta la precisión?

La respuesta es: No degrada la resolución física, pero existen diferencias en la precisión del ajuste de calibración y la capacidad de reutilización de puntos de medición.

1. Dimensión de la Resolución Física (Diferencia Fundamental con los Sensores Eléctricos)

Para los sensores eléctricos de cantidad analógica tradicionales (como termopares, termorresistencias con módulos de adquisición ADC), si el rango se amplía de 100 ℃ a 300 ℃, debido a que el número de bits del ADC es fijo, la extensión de temperatura correspondiente a cada LSB aumenta, lo que degrada directamente la resolución efectiva y la precisión.

Sin embargo, los FBG son sensores de modulación de longitud de onda, y la longitud de onda de reflexión de Bragg satisface la ecuación física:

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

Su sensibilidad a la temperatura S_T = \frac{\Delta \lambda_B}{\Delta T} está determinada principalmente por el coeficiente termoóptico y el coeficiente de expansión térmica del material de sílice, siendo aproximadamente 10\ \text{pm/}^\circ\text{C} en el rango de temperatura ambiente a microondas. El demodulador de red de fibra óptica reconoce la posición absoluta de la longitud de onda del pico de reflexión (generalmente la resolución de longitud de onda del instrumento es fija en 1\ \text{pm} o 0.1\ \text{pm}), y la resolución de medición del demodulador no se reduce con el cambio del rango del sensor.

2. Dimensión del Modelo de Calibración y Error de Ajuste (Ligera Influencia)

  • Orden de la Fórmula de Calibración: En el rango de temperatura ambiente a 100 ℃, la respuesta de temperatura-longitud de onda del FBG es altamente lineal, y la calibración de fábrica suele utilizar una ecuación lineal de primer orden (términos en ^\circ\text{C/pm}).
  • Cuando el rango de temperatura se amplía a 300 ℃, el efecto no lineal del coeficiente termoóptico de la sílice se intensifica, y es necesario utilizar un polinomio de segundo orden (fórmula de calibración binomial) para el ajuste:
T = A \cdot (\Delta \lambda)^2 + B \cdot \Delta \lambda + C
  • Si se utilizan los parámetros binomiales calibrados en un rango de 300 ℃ para calcular pequeñas diferencias de temperatura en el rango de 0 ℃ a 100 ℃, debido a los residuos de ajuste del polinomio no lineal de gran rango en el intervalo local, la precisión de la medición de temperatura (especialmente el error absoluto local en el rango de temperatura ambiente) suele ser ligeramente inferior a la de un sensor lineal calibrado específicamente y con alta precisión en el rango estrecho de 0 ℃ a 100 ℃.

3. Recursos Espectrales y Ocupación de Puntos de Medición Multiplexados

Por cada 100 ℃ de aumento de temperatura, la longitud de onda central del FBG se desplaza aproximadamente 1\ \text{nm} hacia el rojo:

  • Al medir 100 ℃, el rango de cambio de longitud de onda de un solo punto es de aproximadamente 1\ \text{nm}.
  • Al medir 300 ℃, el rango de cambio de longitud de onda de un solo punto se expande a más de 3\ \text{nm}.
    Para evitar el solapamiento de longitudes de onda, los sensores de 300 ℃ requieren la asignación de un intervalo de canal de seguridad mayor en el espectro, lo que reduce directamente el número de puntos de medición que se pueden conectar en serie en una sola fibra dentro de un ancho de banda espectral limitado (como un demodulador común de 40 nm).

III. Especificaciones de Referencia del Producto Oficial

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) adopta diseños estructurales y procesos de calibración correspondientes para diferentes rangos de medición:

Sugerencia de selección:
Si las condiciones de operación reales no exceden los 100 ℃, se recomienda priorizar la especificación de 100 ℃ para obtener un ajuste lineal más preciso y una mayor tasa de multiplexación de canales; si las condiciones de operación presentan un riesgo potencial de sobrecalentamiento o la temperatura objetivo se encuentra entre 100 ℃ y 300 ℃, se debe seleccionar la especificación de 300 ℃ para garantizar que el elemento sensor y el recubrimiento no sufran degradación térmica.