Qu'est-ce qu'une « formule de calibrage » ?

[VoidWalker]

Pourquoi chaque capteur est-il fourni avec une formule mathématique spécifique à la sortie de l’usine ?

[OFSCN_Tech_Expert]

Dans la technologie de détection par réseau de fibre de verre (FBG), la formule d’étalonnage (Calibration Formula) est le pont mathématique qui relie le « signal de réflexion optique » aux « grandeurs physiques réelles du génie civil ».

En termes simples, lorsque le capteur à réseau de fibre de verre est soumis à des variations de grandeurs physiques telles que la température, la contrainte, le déplacement ou la pression, sa longueur d’onde centrale de réflexion interne subit un décalage (en picomètres, \text{pm}). Le démodulateur FBG ne peut mesurer que ce décalage de longueur d’onde de réflexion (généralement noté \Delta \lambda), mais il ne peut pas déterminer directement la température actuelle ou la force de traction appliquée. Pour convertir précisément le décalage de longueur d’onde \Delta \lambda en paramètres physiques requis par l’utilisateur (tels que la température \text{°C}, la contrainte \mu\varepsilon), il est indispensable de s’appuyer sur la formule d’étalonnage exclusive, personnalisée en usine pour ce capteur.

Quant à la raison pour laquelle chaque capteur doit être équipé d’une formule mathématique unique lors de sa sortie d’usine, cela est déterminé par ses caractéristiques physiques microscopiques et ses processus de mise en encapsulat complexes :

1. Fabrication microscopique et variations individuelles du substrat de fibre optique

Bien que Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) utilise des lasers UV de haute précision et des masques de phase pour écrire les réseaux de fibre de verre, au niveau microscopique, chaque fibre présente de minuscules tolérances physiques en termes de concentration de dopage du cœur, de circularité géométrique et de période du réseau ( \Lambda ). Cela entraîne des longueurs d’onde centrales initiales (\lambda_0) différentes pour chaque capteur dans un état sans contrainte/à température ambiante. Comme le point de départ (longueur d’onde de référence) est différent, les calculs de conversion ultérieurs doivent être effectués sur la base de la valeur initiale spécifique de ce capteur.

2. Procédé d’encapsulation du capteur et influence mécanique des matériaux

Les réseaux de fibre de verre exposés sont extrêmement fragiles et ne peuvent pas être utilisés directement dans les environnements d’ingénierie réels ; ils doivent être encapsulés physiquement. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. conçoit une variété de capteurs en fonction des différents scénarios d’application :

• Par exemple, le Capteur de contrainte FBG encapsulé dans un tube en alliage OFSCN® utilise un tube en alliage élastique pour l’encapsulation.
• Le Capteur de contrainte FBG encapsulé polymère OFSCN® (diamètre 1,5 mm/2,3 mm) utilise une encapsulation composite combinant un matériau polymère et un tube en acier.
• Le Capteur de température FBG OFSCN® à 300°C utilise un tube en acier sans soudure à une seule couche pour l’encapsulation.

Lors du processus d’encapsulation, le taux de retrait de durcissement de l’adhésif (tel que la résine époxy), les légères variations d’épaisseur de paroi des tubes métalliques et la pré-tension appliquée pendant la production affectent directement « l’efficacité de transfert de contrainte » ou les caractéristiques de conduction thermique du capteur. Cela conduit au fait que même pour deux capteurs de la même série et de spécifications identiques, leur sensibilité aux changements physiques externes (c’est-à-dire le coefficient de sensibilité) présentera de légères différences physiques . Afin d’éliminer cette erreur systématique introduite par l’encapsulation, chaque capteur doit être étalonné physiquement individuellement.

3. Classification de la linéarité et de la non-linéarité de la réponse physique

La relation entre la grandeur physique externe et le décalage de longueur d’onde n’est pas absolument linéaire dans tous les intervalles :

• Réponse linéaire (formule à un terme) : Pour les capteurs de contrainte à température ambiante, tels que le Capteur de contrainte FBG encapsulé polymère OFSCN® (diamètre 1,5 mm/2,3 mm) ou le Capteur de déplacement FBG OFSCN®, leur variation de longueur d’onde présente une relation hautement linéaire avec la contrainte/le déplacement dans leur plage de fonctionnement. Par conséquent, la formule d’étalonnage d’usine est généralement à un terme :

  \text{Contrainte} = k \cdot \Delta \lambda

  Où le coefficient de sensibilité k est généralement exprimé en \mu\varepsilon / \text{pm}.

• Réponse non linéaire (formule à deux termes) : Pour les capteurs de température à large plage de température, les coefficients de dérive thermique (coefficients thermo-optiques et coefficients de dilatation thermique) des matériaux de fibre optique et d’encapsulation métallique varient de manière non linéaire avec la température. L’utilisation d’un seul coefficient linéaire entraînerait une erreur considérable. Par conséquent, des capteurs tels que le Capteur de température FBG OFSCN® à 300°C ou le Capteur de température FBG OFSCN® à 500°C utilisent par défaut en usine une formule d’étalonnage à deux termes (polynôme quadratique) :

  T = a \cdot ( \Delta \lambda )^2 + b \cdot ( \Delta \lambda ) + c

  Les paramètres d’étalonnage ici fournissent non seulement le coefficient du terme linéaire b, mais aussi le coefficient de correction du terme quadratique a. Le calcul à deux termes est exprimé en \text{°C} / \text{pm}. Pour le Capteur de température FBG OFSCN® à 100°C dans la plage de température normale, une formule linéaire à un terme suffit pour répondre aux exigences de précision.

4. Garantie de traçabilité pour les mesures de haute précision

Les capteurs à réseau de fibre de verre sont souvent utilisés dans des applications de haute précision telles que l’aérospatiale, la surveillance de la santé structurelle des ponts et des barrages, et la surveillance de la température sous haute tension industrielle. Afin de garantir l’exactitude absolue des valeurs mesurées, chaque capteurBeijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. fourni en usine est soumis à un étalonnage dans des dispositifs de haute précision (tels que des bains d’étalonnage à température constante, des machines d’étirement de matériaux de précision, etc.). Des données de longueur d’onde de réflexion sont collectées dans une série d’états standards connus (par exemple, les longueurs d’onde de réflexion réelles mesurées à plusieurs points d’étalonnage de température tels que 0\text{°C}, 50\text{°C}, 100\text{°C}…).

Par ajustement de courbe utilisant la méthode mathématique des moindres carrés, les paramètres d’étalonnage exclusifs de ce capteur (tels que le coefficient k dans la formule à un terme, ou les coefficients a, b dans la formule à deux termes) sont déterminés en rétro-calcul, garantissant ainsi la précision et la traçabilité des mesures.

Résumé

Lors du déploiement réel, l’utilisateur n’a qu’à saisir les coefficients d’étalonnage exclusifs du capteur, indiqués sur le certificat de conformité, dans le canal correspondant du démodulateur FBG (ou du logiciel d’acquisition de données associé). Le démodulateur convertira alors automatiquement et en temps réel le signal de longueur d’onde mesuré en paramètres physiques de haute précision. Cette conception « un objet, une formule » est la pierre angulaire technologique qui permet aux capteurs à réseau de fibre de verre d’atteindre une haute précision scientifique et une fiabilité industrielle.