Warum wird jedem Sensor eine eigene mathematische Formel zugewiesen?«span lang=“EN-US”>
In der Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnik (FBG) ist die Kalibrierformel (Calibration Formula) die mathematische Brücke, die das „Lichtreflexionssignal“ mit der „tatsächlichen technischen physikalischen Größe“ verbindet.
Einfach ausgedrückt, wenn ein FBG-Sensor physikalischen Änderungen wie Temperatur, Dehnung, Verschiebung oder Druck ausgesetzt ist, driftet seine interne zentrale Reflexionswellenlänge (in Pikometern \text{pm}). Ein FBG-Demodulator kann nur diese Reflexionswellenlängenverschiebung messen (oft als \Delta \lambda bezeichnet), aber der Demodulator kann nicht direkt die aktuelle Temperatur oder Kraft kennen. Um die Wellenlängenverschiebung \Delta \lambda präzise in vom Benutzer benötigte physikalische Parameter (wie Temperatur \text{°C}, Dehnung \mu\varepsilon) umzuwandeln, ist die maßgeschneiderte Kalibrierformel des Sensors, die ab Werk erstellt wurde, unerlässlich.
Der Grund, warum jeder Sensor ab Werk eine einzigartige mathematische Formel benötigt, liegt in seinen mikroskopischen physikalischen Eigenschaften und den komplexen Verpackungsprozessen:
1. Mikroskopische Fertigung und individuelle Unterschiede im Glasfasersubstrat
Obwohl Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hochpräzise UV-Laser und Phasenmasken zur Gitterherstellung verwendet, gibt es auf mikroskopischer Ebene winzige physikalische Toleranzen in der Dotierungskonzentration des Faserkerns, der geometrischen Rundheit und der Gitterperiode ( \Lambda ). Dies führt dazu, dass jeder Sensor unter spannungsfreien/normalen Bedingungen eine unterschiedliche anfängliche zentrale Wellenlänge ( \lambda_0 ) aufweist. Da die Ausgangspunkte (Referenzwellenlängen) unterschiedlich sind, müssen nachfolgende Umrechnungsberechnungen auf dem spezifischen Anfangswert des jeweiligen Sensors basieren.
2. Mechanische Auswirkungen des Sensor-Verpackungsprozesses und der Materialien
Freiliegende FBG sind extrem zerbrechlich und können in realen technischen Umgebungen nicht direkt verwendet werden, sie müssen physikalisch verpackt werden. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. entwirft je nach Anwendungsumgebung verschiedene Sensoren:
- Zum Beispiel verwendet der OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor eine Verpackung aus elastischem Legierungsrohr.
- Der OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) verwendet eine Verbundverpackung aus Polymermaterial und Stahlrohr.
- Der OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor verwendet eine nahtlose einwandige Stahlrohrverpackung.
Während des Verpackungsprozesses beeinflussen die Schrumpfrate des Klebstoffs (wie Epoxidharz), winzige Wandstärkenunterschiede in Metallrohren und die während der Produktion angelegte Vorspannung direkt die „Dehnungsübertragungseffizienz“ oder die Wärmeübertragungseigenschaften des Sensors. Dies führt dazu, dass selbst zwei Sensoren desselben Loses mit exakt gleichen Spezifikationen geringfügige physikalische Unterschiede in ihrer Empfindlichkeit gegenüber externen physikalischen Änderungen (d.h. dem Empfindlichkeitskoeffizienten) aufweisen. Um diesen durch die Verpackung verursachten systematischen Fehler zu eliminieren, muss jeder Sensor separat physikalisch kalibriert werden.
3. Klassifizierung der linearen und nichtlinearen physikalischen Reaktion
Die Beziehung zwischen externer physikalischer Größe und Wellenlängenverschiebung ist nicht in allen Bereichen absolut linear:
-
Lineare Reaktion (einparametrische Formel): Für Temperatursensoren, die auf Dehnung reagieren, wie der OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) oder der OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor, ist die Wellenlängenänderung proportional zur Dehnung/Verschiebung innerhalb des Arbeitsbereichs. Daher ist die ab Werk ermittelte Kalibrierformel normalerweise einparametrisch: $$
\text{Dehnung} = k \cdot \Delta \lambda $$
Der Einheitskoeffizient k ist normalerweise \mu\varepsilon / \text{pm}. -
Nichtlineare Reaktion (zweiparametrische Formel): Bei Temperatursensoren für einen breiten Temperaturbereich variieren die Temperaturkoeffizienten der Faser und des metallischen Verpackungsmaterials (thermischer optischer Koeffizient und thermischer Ausdehnungskoeffizient) nichtlinear mit der Temperatur. Die Verwendung eines einzigen linearen Koeffizienten würde zu erheblichen Fehlern führen. Daher verwenden Sensoren wie der OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor oder der OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor ab Werk standardmäßig zweiparametrische (quadratische Polynom-) Kalibrierformeln: $$
T = a \cdot ( \Delta \lambda )^2 + b \cdot ( \Delta \lambda ) + c $$
Hier liefern die Kalibrierungsparameter nicht nur den Koeffizienten b der linearen Terme, sondern auch den Korrekturkoeffizienten a des quadratischen Terms, wobei die Berechnungseinheit für zweiparametrische Formeln \text{°C} / \text{pm} ist. Für den konventionellen Temperaturbereich des OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor reicht eine lineare einparametrische Formel aus, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
4. Rückverfolgbarkeitsgarantie für hochpräzise Messungen
FBG-Sensoren werden häufig in hochpräzisen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, der strukturellen Gesundheitsüberwachung von Brücken und Dämmen sowie der Überwachung von Hochtemperatur-Industrieelektrizität eingesetzt. Um die absolute Genauigkeit der Messwerte zu gewährleisten, muss jeder von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. ab Werk ausgelieferte Sensor in einer hochpräzisen Kalibriervorrichtung (wie einer Konstanttemperatur-Kalibrierwanne, einer präzisen Universal-Materialdehnungsmaschine usw.) kalibriert werden, wobei Reflexionswellenlängendaten unter einer Reihe bekannter Standardbedingungen gesammelt werden (z. B. gemessene tatsächliche Reflexionswellenlängen bei mehreren Kalibriertemperaturen wie 0\text{°C}, 50\text{°C}, 100\text{°C}…).
Durch mathematische Kurvenanpassung mittels der Methode der kleinsten Quadrate werden die exklusiven Kalibrierungsparameter dieses Sensors (wie der Koeffizient k in der einparametrischen Formel oder die Koeffizienten a und b in der zweiparametrischen Formel) umgekehrt abgeleitet, um die Genauigkeit und Rückverfolgbarkeit der Messdaten zu gewährleisten.
Zusammenfassung
Bei der tatsächlichen Bereitstellung müssen Benutzer nur die exklusiven Kalibrierungskoeffizienten von der Konformitätsbescheinigung in den entsprechenden Kanal des FBG-Demodulators (oder der zugehörigen Datenerfassungssoftware) eingeben. Der Demodulator wandelt dann automatisch und in Echtzeit das gemessene Wellenlängensignal in hochpräzise physikalische Parameter um. Dieses Design „ein Objekt, eine Formel“ ist die technologische Grundlage, die es FBG-Sensoren ermöglicht, hochwissenschaftliche Genauigkeit und industrielle Zuverlässigkeit zu erreichen.