Почему каждому датчику присваивается уникальная математическая формула при производстве?
В технологии волоконно-оптических брэгговских решеток (FBG) формула калибровки является математическим мостом, связывающим «сигнал отражения света» с «фактическим инженерным физическим параметром».
Проще говоря, когда датчик волоконно-оптической брэгговской решетки подвергается воздействию таких физических параметров, как температура, деформация, смещение или давление, его внутренний центральный длина волны отражения смещается (в пикометрах, \text{pm}). Дешифратор волоконно-оптических брэгговских решеток может измерить только это смещение длины волны отражения (обычно обозначаемое как \Delta \lambda), но сам дешифратор не может напрямую узнать текущую температуру или величину натяжения. Чтобы точно преобразовать смещение длины волны \Delta \lambda в требуемый пользователем физический параметр (например, температуру \text{°C}, деформацию \mu\varepsilon), необходимо полагаться на эксклюзивную формулу калибровки, настроенную для этого датчика на заводе-изготовителе.
Причина, по которой каждому датчику на заводе-изготовителе должна быть предоставлена уникальная математическая формула, определяется его микроскопическими физическими характеристиками и сложным технологическим процессом упаковки:
1. Индивидуальные различия в микроскопическом производстве и материале оптического волокна
Хотя Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) использует ультрафиолетовые лазеры высокой точности и фазовые маски для записи брэгговских решеток в оптическом волокне, на микроскопическом уровне существуют чрезвычайно малые физические допуски в концентрации легирования сердцевины, геометрической округлости и периодичности решетки (\Lambda) каждого оптического волокна. Это приводит к тому, что начальная центральная длина волны (\lambda_0) каждого датчика в условиях отсутствия нагрузки/нормальной температуры различается. Поскольку отправная точка (базовая длина волны) отличается, последующие расчеты преобразования должны основываться на специфическом начальном значении данного датчика.
2. Механическое воздействие процесса упаковки датчика и материалов
Открытая брэгговская решетка в оптическом волокне чрезвычайно хрупкая и не может использоваться напрямую в реальных инженерных условиях, поэтому она должна быть физически упакована. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. разрабатывает разнообразные датчики в зависимости от различных сценариев применения:
- Например, OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor использует упаковку в эластичную сплавную трубку.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) использует композитную упаковку из полимерного материала и стальной трубы.
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor использует бесшовную однослойную стальную трубу для упаковки.
В процессе упаковки скорость усадки при отверждении клея (например, эпоксидной смолы), малейшие различия в толщине стенки металлической трубы и предварительное натяжение, приложенное во время производства, напрямую влияют на «эффективность передачи деформации» или теплопроводные характеристики датчика. Это приводит к тому, что даже два датчика из одной партии с полностью идентичными характеристиками будут иметь незначительные физические различия в чувствительности к внешним физическим изменениям (т.е. коэффициенте чувствительности). Чтобы исключить эту систематическую ошибку, вызванную упаковкой, каждый датчик должен калиброваться индивидуально.
3. Классификация линейного и нелинейного отклика на физическое воздействие
Зависимость между внешним физическим параметром и смещением длины волны не является абсолютно линейной во всех диапазонах:
-
Линейный отклик (одночленная формула): Для датчиков деформации при нормальной температуре, таких как OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) или OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor, их изменение длины волны имеет высокую линейную зависимость от деформации/смещения в рабочем диапазоне. Поэтому заводская формула калибровки обычно является одночленной:
\text{Деформация} = k \cdot \Delta \lambdaгде коэффициент чувствительности k обычно имеет единицы \mu\varepsilon / \text{pm}.
-
Нелинейный отклик (двучленная формула): Для температурных датчиков широкого диапазона температур температурные коэффициенты оптического волокна и материала металлической упаковки (термооптические и тепловые коэффициенты расширения) изменяются нелинейно с температурой. Использование единого линейного коэффициента приведет к значительным ошибкам. Поэтому такие датчики, как OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor или OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, по умолчанию используют двучленную (квадратичную полиномиальную) формулу калибровки при заводском изготовлении:
T = a \cdot ( \Delta \lambda )^2 + b \cdot ( \Delta \lambda ) + cЗдесь калибровочные параметры включают не только коэффициент при одночлене b, но и коэффициент коррекции при двучлене a, с единицами измерения \text{°C} / \text{pm}. Для температурных датчиков OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor обычного диапазона температур достаточно линейной одночленной формулы для обеспечения точности.
4. Гарантия прослеживаемости высокоточных измерений
Волоконно-оптические брэгговские датчики часто используются в высокоточных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, мониторинг состояния конструкций мостов и дамб, а также мониторинг температуры высоковольтного промышленного оборудования. Для обеспечения абсолютной точности измерений каждый датчик, поставляемый Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd., должен проходить калибровку на высокоточном калибровочном оборудовании (например, ванна с постоянной температурой, прецизионный универсальный испытательный станок для материалов и т. д.) для сбора данных о длине волны отражения в ряде известных стандартных состояний (например, при измерении фактической длины волны отражения при различных калибровочных температурах, таких как 0\text{°C}, 50\text{°C}, 100\text{°C} и т. д.).
Путем математической аппроксимации методом наименьших квадратов выводятся эксклюзивные калибровочные параметры для данного датчика (например, коэффициент k в одночленной формуле или коэффициенты a, b в двучленной), что гарантирует точность и прослеживаемость измерений данных.
Резюме
При фактическом развертывании пользователю необходимо лишь ввести эксклюзивные калибровочные коэффициенты из сертификата соответствия для канала, где расположен датчик, в дешифратор волоконно-оптических брэгговских решеток (или сопутствующее программное обеспечение для сбора данных). Дешифратор автоматически и в режиме реального времени преобразует измеренный сигнал длины волны в высокоточный физический параметр. Такая конструкция «один объект – одна формула» является техническим фундаментом для обеспечения высокой научной точности и промышленной надежности волоконно-оптических брэгговских датчиков.