Влияние гистерезиса на точность измерений

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Как можно уменьшить непостоянство длины волны во время циклов нагрева и охлаждения за счет выбора материалов?

2

Несогласованность длины волны во время циклов нагрева и охлаждения, обычно известная как тепловой гистерезис, в датчиках Fiber Bragg Grating (FBG) в основном возникает из-за вязкоупругих свойств материалов, используемых в конструкции и упаковке датчика. Уменьшение этого эффекта за счет выбора материалов включает выбор компонентов с высокостабильными тепловыми и механическими характеристиками.

Вот ключевые стратегии выбора материалов для минимизации теплового гистерезиса:

  1. Выбор материала покрытия волокна:

    • Покрытия из полиимида: Для применений, требующих работы до 300 °C, важно выбрать FBG, нанесенный на оптическое волокно с полиимидным покрытием. Полиимид обладает превосходной термической стабильностью и меньшей ползучестью по сравнению со стандартными полиакрилатными покрытиями, что приводит к значительному уменьшению гистерезиса.
    • Голое волокно / фемтосекундные решетки: Для еще более высоких температур (до 800 °C и выше) предпочтительны решетки на голом волокне (часто изготавливаемые с использованием технологии фемтосекундного лазера). Отсутствие полимерного покрытия исключает потенциальный вклад в гистерезис со стороны самого материала покрытия при экстремальных температурах.

  2. Выбор материала упаковки датчика:

    • Полностью металлическая инкапсуляция: Наиболее эффективным способом уменьшения гистерезиса в упакованных датчиках FBG, особенно для измерения деформации и температуры, является использование полностью металлической бесшовной трубчатой инкапсуляции. Эта конструкция устраняет необходимость в клеях или компаундах, которые могут вносить вязкоупругие эффекты и ползучесть, особенно при повышенных температурах. Металлы со стабильными коэффициентами теплового расширения обеспечивают постоянное механическое сцепление с FBG, предотвращая дифференциальное расширение или сжатие, которое может привести к сдвигам длины волны во время термического цикла.

Тщательно выбирая покрытия волокон с высокой термической стабильностью и используя надежные, полностью металлические упаковочные решения, можно существенно смягчить влияние гистерезиса на точные измерения.

Для высокотемпературных применений, требующих низкого гистерезиса, вы можете рассмотреть такие продукты, как

																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																																				1.  **Material selection for fiber coating:**
*   **Polyimide Coatings:** For applications requiring operation up to 300°C, selecting an FBG inscribed in an optical fiber with a polyimide coating is crucial. Polyimide exhibits superior thermal stability and lower creep compared to standard polyacrylate coatings, leading to significantly reduced hysteresis.
*   **Bare Fiber / Femtosecond Gratings:** For even higher temperatures (up to 800°C or more), bare fiber gratings (often fabricated using femtosecond laser technology) are preferred. The absence of a polymeric coating eliminates potential hysteresis contributions from the coating material itself at extreme temperatures.
  1. Sensor Packaging Material Selection:
    • All-Metal Encapsulation: The most effective way to reduce hysteresis in packaged FBG sensors, particularly for strain and temperature measurements, is to utilize all-metal, seamless tube encapsulation. This design eliminates the need for adhesives or potting compounds that can introduce viscoelastic effects and creep, especially at elevated temperatures. Metals with stable coefficients of thermal expansion ensure a consistent mechanical coupling to the FBG, preventing differential expansion or contraction that could lead to wavelength shifts during thermal cycling.

By carefully selecting fiber coatings with high thermal stability and employing robust, all-metal packaging solutions, the impact of hysteresis on precision measurements can be substantially mitigated.

For high-temperature applications requiring low hysteresis, you might consider products like the OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor or OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, which leverage seamless metal tube encapsulation.

Here are some examples of such products: