Was ist eine „absolute Messung“?

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Warum müssen Raster nicht wie elektrische Sensoren jedes Mal nullen?„

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In der optoelektronischen Sensorik ist der Kern grund, warum Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren nicht wie elektrische Sensoren jedes Mal auf Null gesetzt werden müssen, ihr zugrunde liegender physikalischer Mechanismus der „absoluten Messung“, nämlich die Wellenlängenmodulation (Wavelength Modulation).

Um dieses universelle technische Prinzip eingehend zu verstehen, können wir FBG-Sensoren mit herkömmlichen elektrischen Sensoren hinsichtlich der Übertragung physikalischer Signale und der Materialeigenschaften vergleichen:

I. Grundlegender Unterschied in der Signalcodierungsdimension: Wellenlänge vs. Amplitude

  1. „Amplitudenkodierung“ und „Nullpunktdrift“ elektrischer Sensoren
    Herkömmliche elektrische Sensoren (wie Widerstandsdehnmessstreifen, Thermistoren usw.) wandeln physikalische Außenmessgrößen (Temperatur, Dehnung) typischerweise in elektrische Parameter (Widerstand R , Spannung V oder Strom I ) um.

    • Elektrische Signale sind Amplitudensignale und anfällig für Störungen durch äußere Faktoren. Beispiele hierfür sind: Widerstandsänderungen durch erhöhte Länge der Übertragungsleitungen, geringfügige Änderungen des Kontaktwiderstands an Verbindungsstellen, induzierte elektromotorische Kräfte durch externe elektromagnetische Kopplung und Nullpunkt-Drift interner Operationsverstärker.
    • Da die „absolute Amplitude“ des elektrischen Signals aufgrund von Umgebungs- und Übertragungspfadänderungen langsam driftet (Zero Drift), ist es zur Gewährleistung der Messgenauigkeit unerlässlich, dass das elektrische System vor dem Einschalten oder einer einzelnen Messung eine Brückenabgleichkalibrierung durchführt, d. h. „Nullstellung (Zeroing)“.

  2. „Wellenlängencodierung“ und „absolute Messung“ von FBG-Sensoren
    FBG-Sensoren gehören zu den wellenlängenmodulierten (Wavelength Modulation) Sensoren. Sie reflektieren ein schmales Band Licht einer bestimmten Wellenlänge, und ihre zentrale reflektierte Wellenlänge (d. h. die Bragg-Wellenlänge) erfüllt die folgende grundlegende physikalische Formel:

    \lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda

    wobei n_{eff} der effektive Brechungsindex des Glasfaserkerns und \Lambda die räumliche Periode des Gitters ist.

    • Änderungen der externen Temperatur oder Dehnung verändern direkt den Brechungsindex n_{eff} der Glasfaser und die Gitterperiode \Lambda nach thermischer Ausdehnung/Verformung, was zu einer absoluten Verschiebung der zentralen reflektierten Wellenlänge \lambda_B führt.
    • Die Wellenlänge ist ein absoluter physikalischer Parameter, der unabhängig von der Lichtleistung ist. Während der Lichtübertragung, selbst wenn die Faser durch Biegung gedämpft wird oder Verbindungsstellen durch Abnutzung Einfügedämpfungen (Insertion Loss) verursachen, bleibt die Wellenlänge (z. B. 1550.123\ \text{nm} ), die vom Spitzenwert des reflektierten Spektrums abgeleitet wird, absolut präzise und driftet überhaupt nicht mit der Stärke des Lichtsignals. Daher ist keine wiederholte Nullstellung erforderlich.

II. Extrem hohe Stabilität von Siliziumdioxid (Quarz)-Materialien

Metall-Dehnmessstreifen oder Halbleitermaterialien in elektrischen Sensoren können aufgrund von Oxidation, Feuchtigkeitsempfindlichkeit oder Kriechen zu irreversiblen Änderungen ihres Anfangswiderstands führen.

Der Träger von FBG ist eine hochreine Siliziumdioxid (Quarzglas)-Glasfaser. Siliziumdioxid weist eine extrem hohe chemische und mechanische Stabilität auf. Innerhalb des Auslegungstemperaturbereichs ändern sich seine Gitterstruktur und physikalischen Eigenschaften über seine lange Lebensdauer praktisch nicht zufällig oder irreversibel. Daher behalten seine spektralen Reflexionseigenschaften nach der Auslieferung über lange Zeit eine hohe Konsistenz.

III. Anwendung der absoluten Kalibrierungsformel (OFSCN® Sensor Design)

Aufgrund der oben genannten „absoluten Mess“-Vorteile von FBG-Sensoren werden sie bei der praktischen technischen Anwendung im Labor unter kontrollierten Bedingungen präzise absolut kalibriert. Das Demodulationsgerät muss lediglich den aktuellen absoluten Wellenlängenwert auslesen und ihn in die Kalibrierungskurve einsetzen, um direkt die absolute Temperatur- oder Dehnungsdaten auszugeben.

Zum Beispiel beseitigt in den Kernsensoren von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) die stabile Anwendung der Kalibrierungsformel den umständlichen Prozess der häufigen Nullstellung vor Ort:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren die Wellenlänge als Träger physikalischer Informationen nutzen, um Fehler zu vermeiden, die durch Signalabschwächung, Leitungsimpedanzdrift usw. bei Amplituden-basierten Sensoren verursacht werden. In Verbindung mit der ausgezeichneten physikalisch-chemischen Stabilität des Materials ermöglichen sie im Wesentlichen eine „absolute Messung ohne wiederholte Nullstellung“.