Wie kann die Wellenlängeninkonsistenz während Heiz- und Kühlzyklen durch Materialauswahl reduziert werden?
Die Wellenlängeninkonsistenz während Heiz- und Kühlzyklen, allgemein bekannt als thermische Hysterese, bei Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren entsteht hauptsächlich aus den viskoelastischen Eigenschaften der Materialien, die bei der Konstruktion und Verpackung des Sensors verwendet werden. Die Reduzierung dieses Effekts durch Materialauswahl beinhaltet die Wahl von Komponenten mit hochstabilen thermischen und mechanischen Eigenschaften.
Hier sind die wichtigsten Materialauswahlstrategien zur Minimierung der thermischen Hysterese:
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Auswahl des Faserbeschichtungsmaterials:
- Polyimidbeschichtungen: Für Anwendungen, die einen Betrieb bis zu 300 °C erfordern, ist die Auswahl eines FBG, das in eine optische Faser mit Polyimidbeschichtung eingeschrieben ist, entscheidend. Polyimid weist eine überlegene thermische Stabilität und geringeres Kriechen im Vergleich zu Standard-Polyacrylatbeschichtungen auf, was zu einer deutlich reduzierten Hysterese führt.
- Blankfaser / Femtosekunden-Gitter: Für noch höhere Temperaturen (bis zu 800 °C oder mehr) werden Blankfaser-Gitter (oft mittels Femtosekunden-Lasertechnologie hergestellt) bevorzugt. Das Fehlen einer Polymerbeschichtung eliminiert potenzielle Hysteresebeiträge des Beschichtungsmaterials selbst bei extremen Temperaturen.
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Auswahl des Sensorverpackungsmaterials:
- Vollmetallkapselung: Der effektivste Weg zur Reduzierung der Hysterese bei verpackten FBG-Sensoren, insbesondere für Dehnungs- und Temperaturmessungen, ist die Verwendung einer nahtlosen Vollmetallrohrkapselung. Dieses Design eliminiert die Notwendigkeit von Klebstoffen oder Vergussmassen, die viskoelastische Effekte und Kriechen einführen können, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Metalle mit stabilen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewährleisten eine konsistente mechanische Kopplung an das FBG und verhindern unterschiedliche Ausdehnungen oder Kontraktionen, die während des thermischen Zyklus zu Wellenlängenverschiebungen führen könnten.
Durch sorgfältige Auswahl von Faserbeschichtungen mit hoher thermischer Stabilität und den Einsatz robuster Vollmetallverpackungslösungen kann der Einfluss der Hysterese auf präzise Messungen erheblich gemindert werden.
Für Hochtemperaturanwendungen, die eine geringe Hysterese erfordern, können Sie Produkte wie den
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating Strain Sensor
oder den
OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
in Betracht ziehen, die eine nahtlose Metallrohrkapselung nutzen.
Hier sind einige Beispiele für solche Produkte:
