Как выбрать диапазон измерения для FBG-сенсора?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Совпадают ли внутренние структуры датчиков при измерении 300°C и 100°C? Повлияет ли выбор большего размера на точность?

2

В технологии датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (FBG) внутренняя структура и технология производства датчиков для измерения 300 °C и 100 °C принципиально различаются. Относительно вопроса “влияет ли выбор большего диапазона измерения на точность” механизм отличается от традиционных электронных датчиков и требует объективного анализа с точки зрения механизма демодуляции длины волны и модели температурной калибровки.

I. Различия во внутренней структуре датчиков на 300 °C и 100 °C

Физический диапазон датчика температуры FBG определяется не просто программно, а пределом термостойкости материала и термодинамической структурой. Основные структурные различия между ними проявляются в следующих аспектах:

  1. Материал покрытия волокна (Coating Material):

    • Спецификация на 100 °C：Покрытие волокна обычно изготавливается из стандартного акрилата (UV-отверждаемый акрилат). Этот материал при температуре выше 85 °C ~ 100 °C размягчается, стареет, деградирует или даже обугливается, что приводит к потере механической защиты кварцевого волокна и его хрупкому разрушению.
    • Спецификация на 300 °C：Для покрытия волокна необходимо использовать термостойкий полиимид, или даже удалять покрытие и применять специальную металлизацию/подвесную защиту. Полиимидный материал выдерживает температуры от -200 °C до 300 °C (кратковременно выше), обеспечивая стабильность физической прочности основного волокна.

  2. Технология термообработки решетки (Thermal Annealing):

    • Стандартные решетки, созданные методом фотолитографии (решетки типа I), имеют модуляцию показателя преломления, индуцированную УФ-излучением, которая подвержена термическому распаду (Thermal Decay) при высоких температурах.
    • Перед герметизацией волоконные решетки спецификации на 300 °C должны пройти строгую предварительную термообработку при высокой температуре для высвобождения нестабильных дефектных состояний цветовых центров, чтобы гарантировать отсутствие необратимого постоянного смещения центральной длины волны при длительной работе датчика при 300 °C. Требования к температуре и времени отжига для решеток на 100 °C относительно ниже.

  3. Конструкция бесконтактной герметизации и вспомогательные крепежные материалы:

    • Чтобы датчик температуры FBG чувствительно реагировал только на температуру, не подвергаясь влиянию деформации конструкции или внешних напряжений, область внутренней решетки должна быть герметизирована без напряжений (stress-free packaging).
    • При повышении температуры до 300 °C тепловое расширение наружной защитной микротрубки (например, бесшовной трубы из нержавеющей стали 316L) значительно увеличивается. Конструкция датчика на 300 °C должна иметь достаточный запас пространства для свободного скольжения с тепловой компенсацией, а фиксирующий клей или герметизирующий припой на торцевой упаковке должны выдерживать термические циклические нагрузки при 300 °C. Требования к технологическому процессу значительно выше, чем у датчика на 100 °C.

II. Влияет ли выбор большего диапазона измерения на точность?

Ответ: На физическом разрешении это не сказывается, но есть различия в точности калибровочной подгонки и емкости повторного использования.

1. Физическое разрешение (принципиальное отличие от электрических датчиков)

Если диапазон традиционных аналоговых электрических датчиков (например, термопары, термосопротивления с модулем сбора данных АЦП) увеличить с 100 °C до 300 °C, то из-за фиксированного количества бит АЦП увеличивается температурный шаг для каждого младшего значащего бита (LSB), что напрямую снижает эффективное разрешение и точность.

Однако FBG является датчиком с модуляцией по длине волны, и длина волны отражения Брэгга удовлетворяет физическому уравнению:

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

Его температурная чувствительность S_T = \frac{\Delta \lambda_B}{\Delta T} в основном определяется термооптическим коэффициентом и коэффициентом теплового расширения материала диоксида кремния, составляя около 10\ \text{pm/}^\circ\text{C} в диапазоне от комнатной температуры до сотен микрон. Демодулятор волоконной решетки распознает абсолютное положение отраженного пика (обычно разрешение по длине волны прибора составляет 1\ \text{pm} или 0.1\ \text{pm} ), разрешение измерения демодулятора не снижается с изменением диапазона датчика.

2. Калибровочная модель и погрешность подгонки (незначительное влияние)

  • Порядок калибровочной формулы：В диапазоне от комнатной температуры до 100 °C температурно-волновой отклик FBG является высоколинейным, и заводская калибровка обычно использует линейное уравнение первого порядка (единицы члена ^\circ\text{C/pm}).
  • При расширении температурной зоны до 300 °C нелинейный эффект термооптического коэффициента диоксида кремния усиливается, и необходимо использовать квадратичную полиномиальную аппроксимацию (формула калибровки второго порядка):
T = A \cdot (\Delta \lambda)^2 + B \cdot \Delta \lambda + C
  • Если использовать параметры второго порядка, откалиброванные для диапазона 300 °C, для расчета малых температурных разностей в диапазоне 0 °C ~ 100 °C, то из-за остаточных погрешностей аппроксимации в локальных участках многочлена с большим диапазоном, точность измерения температуры (особенно локальная абсолютная погрешность в диапазоне нормальных температур) обычно немного уступает линейному датчику, точно откалиброванному в узком диапазоне 0 °C ~ 100 °C.

3. Спектральные ресурсы и занятие точек повторного измерения

При повышении температуры на каждые 100 °C центральная длина волны FBG смещается примерно на 1\ \text{nm}:

  • При измерении 100 °C диапазон изменения длины волны одной точки составляет около 1\ \text{nm};
  • При измерении 300 °C диапазон изменения длины волны одной точки расширяется до более чем 3\ \text{nm}.
    Чтобы предотвратить наложение длин волн, датчик на 300 °C должен выделять больший безопасный интервал канала в спектре, что напрямую снижает количество точек измерения, которые могут быть соединены последовательно в пределах ограниченной спектральной полосы (например, обычный демодулятор 40 нм).

III. Официальные справочные характеристики продукта

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) использует соответствующие конструктивные решения и калибровочные технологии для различных диапазонов измерения:

Рекомендации по выбору：Если фактические рабочие условия не превышают 100 °C, рекомендуется в первую очередь выбирать спецификацию на 100 °C для более точной линейной аппроксимации и более высокого коэффициента повторного использования каналов; если условия предусматривают потенциальный перегрев или целевая температура находится в диапазоне от 100 °C до 300 °C, то необходимо выбрать спецификацию на 300 °C, чтобы обеспечить отсутствие термической деградации чувствительного элемента и покрытия.