Como selecionar a faixa de medição de um sensor FBG?

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Eu testo a 300 graus e a 100 graus, a estrutura interna do sensor é a mesma? Escolher um tamanho maior afeta a precisão?

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Na tecnologia de sensoriamento por fibra de grade de Bragg (FBG), a estrutura interna e o processo de fabricação para sensores que medem 300 ℃ e 100 ℃ são intrinsecamente diferentes; quanto à questão de “escolher uma faixa de medição maior afeta a precisão”, o mecanismo é diferente do dos sensores eletrônicos tradicionais e requer uma análise objetiva sob as perspectivas do mecanismo de demodulação de comprimento de onda e do modelo de calibração de temperatura.

I. Diferenças na Estrutura Interna entre Sensores de 300 ℃ e 100 ℃

A faixa de medição física de um sensor de temperatura FBG não é simplesmente definida por software, mas sim determinada pelos limites de tolerância física do material e pela estrutura termodinâmica. As principais diferenças estruturais entre os dois se manifestam nos seguintes aspectos:

  1. Material de Revestimento da Fibra Óptica (Coating Material):

    • Especificação de 100 ℃:
      O revestimento da fibra óptica normalmente usa acrilato padrão (UV-curable Acrylate). Este material, quando exposto a ambientes acima de 85 ℃ ~ 100 ℃, amolece, degrada-se com o envelhecimento ou até mesmo carboniza, fazendo com que a fibra de sílica perca sua proteção mecânica e se torne quebradiça e rompa.
    • Especificação de 300 ℃:
      Deve-se usar fibra revestida com poliimida de alta temperatura, ou até mesmo remover o revestimento e aplicar proteção especial metalizada/suspensa. O material de poliimida pode suportar altas temperaturas de -200 ℃ a 300 ℃ (com picos momentâneos mais altos), garantindo a estabilidade da resistência mecânica da base da fibra.

  2. Processo de Recozimento de Alta Temperatura da Grade (Thermal Annealing):

    • As grades padrão (grades Tipo I) escritas pelo método de fotolitografia sofrem decaimento térmico (Thermal Decay) na modulação de índice de refração em altas temperaturas.
    • As grades de fibra para a especificação de 300 ℃ devem passar por um rigoroso pré-recozimento em alta temperatura antes do encapsulamento. Isso libera antecipadamente os defeitos instáveis de centros de cor, garantindo que o comprimento de onda central não apresente desvios permanentes irreversíveis durante o trabalho contínuo a 300 ℃. Em contraste, os requisitos de temperatura e tempo de recozimento para grades de 100 ℃ são relativamente mais baixos.

  3. Estrutura de Encapsulamento sem Tensão e Materiais Auxiliares de Fixação:

    • Para que os sensores de temperatura FBGSensing apenas a temperatura e não sejam perturbados por deformação estrutural ou estresse externo, a área da grade interna deve usar “encapsulamento sem tensão”.
    • À medida que a temperatura sobe para 300 ℃, o deslocamento por expansão térmica do microtubo de proteção externa (como tubo sem costura de aço inoxidável 316L) aumenta significativamente. Sensores de 300 ℃ devem ter espaço suficiente para deslizamento livre de compensação térmica, e a cola de fixação da extremidade ou a solda de vedação devem suportar o estresse do ciclo térmico de 300 ℃. Os requisitos de processo estrutural são muito maiores do que para sensores de 100 ℃.

II. Escolher uma Faixa de Medição Maior Afeta a Precisão da Medição?

A conclusão é: não há deterioração na resolução física, mas há diferenças na precisão do ajuste de calibração e na capacidade de reutilização de pontos de medição.

1. Dimensão da Resolução Física (Diferença Intrínseca em Relação a Sensores Elétricos)

Para sensores elétricos de corrente analógica tradicionais (como termopares, termorresistências com módulos de aquisição ADC), se a faixa de medição for ampliada de 100 ℃ para 300 ℃, devido ao número fixo de bits do ADC, a extensão de temperatura para cada LSB aumenta, e a resolução efetiva e a precisão são diretamente degradadas.

No entanto, FBG é um sensor modulado por comprimento de onda, e o comprimento de onda de reflexão de Bragg satisfaz a equação física:

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

Sua sensibilidade à temperatura S_T = \frac{\Delta \lambda_B}{\Delta T} é determinada principalmente pelo coeficiente termo-óptico e pelo coeficiente de expansão térmica do material de sílica, sendo de aproximadamente 10\ \text{pm/}^\circ\text{C} na faixa de temperatura ambiente a centenas de micrômetros. O demodulador FBG identifica a posição absoluta do comprimento de onda do pico de reflexão (a resolução de comprimento de onda do instrumento é geralmente fixa em 1\ \text{pm} ou 0.1\ \text{pm}). A resolução de medição do demodulador não diminui com a variação da faixa de medição do sensor.

2. Dimensão do Modelo de Calibração e Erro de Ajuste (Leve Influência)

  • Ordem da Fórmula de Calibração:
    Na faixa de temperatura ambiente a 100 ℃, a resposta de temperatura-comprimento de onda do FBG é altamente linear. A calibração de fábrica geralmente usa uma equação linear de primeira ordem (termos em ^\circ\text{C/pm}).
  • Quando a faixa de temperatura se expande para 300 ℃, o efeito não linear do coeficiente termo-óptico da sílica aumenta, exigindo o ajuste com um polinômio de segunda ordem (fórmula de calibração binomial):
T = A \cdot (\Delta \lambda)^2 + B \cdot \Delta \lambda + C
  • Se parâmetros binomiais calibrados em uma faixa de 300 ℃ forem usados para calcular pequenas diferenças de temperatura na faixa de 0 ℃ a 100 ℃, devido aos resíduos de ajuste do polinômio não linear de grande alcance em regiões locais, a precisão da medição de temperatura (especialmente o erro absoluto local em seções de temperatura ambiente) é geralmente ligeiramente inferior à de sensores lineares calibrados finamente especificamente na faixa estreita de 0 ℃ a 100 ℃.

3. Recursos Espectrais e Ocupação de Pontos de Medição de Reutilização

Para cada aumento de 100 ℃ na temperatura, o comprimento de onda central do FBG se desloca para o vermelho em aproximadamente 1\ \text{nm}:

  • Ao medir 100 ℃, a faixa de variação do comprimento de onda de um único ponto é de cerca de 1\ \text{nm};
  • Ao medir 300 ℃, a faixa de variação do comprimento de onda de um único ponto se expande para mais de 3\ \text{nm}.
    Para evitar a sobreposição de comprimentos de onda, os sensores de 300 ℃ precisam alocar um intervalo de canal de segurança maior no espectro, o que reduz diretamente o número de pontos de medição que podem ser conectados em série em uma única fibra dentro de uma largura de banda espectral limitada (como demoduladores comuns de 40 nm).

III. Especificações de Referência do Produto Oficial

A Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) adota designs estruturais e processos de calibração correspondentes para diferentes faixas de medição:

Recomendação de Seleção:
Se a condição de operação real não exceder absolutamente 100 ℃, recomenda-se priorizar a especificação de 100 ℃ para obter um ajuste linear mais preciso e uma maior taxa de reutilização de canais; se a condição de operação tiver potencial de superaquecimento ou a temperatura alvo estiver entre 100 ℃ e 300 ℃, a especificação de 300 ℃ deve ser selecionada para garantir que o elemento sensor e o revestimento não sofram degradação térmica.