¿Por qué los rejillas no necesitan un reinicio cada vez como los sensores eléctricos?
En la tecnología de detección optoelectrónica, la razón principal por la que los sensores de red de fibra (FBG) no requieren la calibración a cero cada vez, a diferencia de los sensores eléctricos, radica en el mecanismo físico de “medición absoluta” que emplean, es decir, la modulación de longitud de onda (Wavelength Modulation).
Para comprender a fondo este principio técnico universal, podemos comparar los sensores FBG con los sensores eléctricos tradicionales en cuanto a la transmisión de señales físicas y las propiedades de los materiales:
I. Diferencia fundamental en la dimensión de codificación de la señal: Longitud de onda vs. Amplitud
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“Codificación por Amplitud” y “Deriva de Cero” en Sensores Eléctricos
Los sensores eléctricos tradicionales (como galgas extensométricas resistivas, termistores, etc.) suelen convertir cantidades físicas externas (temperatura, deformación) en cambios en parámetros eléctricos (resistencia R , voltaje V o corriente I ).- Las señales eléctricas son señales de amplitud y son extremadamente susceptibles a interferencias externas. Por ejemplo: cambios en la resistencia debido al aumento de la longitud del cable de transmisión, cambios minúsculos en la resistencia de contacto en las uniones, fuerza electromotriz inducida por acoplamiento electromagnético externo y deriva de cero interna del amplificador operacional.
- Debido a que la “amplitud absoluta” de las señales eléctricas sufre una deriva lenta (Deriva de Cero) con los cambios en el entorno y la ruta de transmisión, para garantizar la precisión de la medición, los sistemas eléctricos deben someterse a una calibración de equilibrio de puente, es decir, a un “cero (Zeroing)” antes de encenderse o antes de una medición única.
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“Codificación por Longitud de Onda” y “Medición Absoluta” en Sensores de Red de Fibra (FBG)
Los sensores de red de fibra (FBG) pertenecen a la categoría de sensores de Modulación de Longitud de Onda (Wavelength Modulation). Reflejan una banda estrecha de luz de una longitud de onda específica, cuya longitud de onda central de reflexión (es decir, la longitud de onda de Bragg) satisface la siguiente fórmula física fundamental:\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Donde n_{eff} es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra y \Lambda es el período espacial de la red.
- Los cambios externos de temperatura o deformación alteran directamente el índice de refracción n_{eff} y el período de la red \Lambda de la fibra después de la expansión térmica/deformación, lo que a su vez provoca un desplazamiento absoluto en la longitud de onda central de reflexión \lambda_B .
- La longitud de onda es un parámetro físico absoluto que no depende de la potencia óptica. Durante la transmisión de la luz, incluso si la fibra se dobla causando atenuación de la intensidad de la luz, o si una junta desgastada introduce una pérdida de inserción, siempre que el demodulador de red de fibra pueda capturar el pico del espectro de reflexión, la longitud de onda analizada (por ejemplo, 1550.123\ \text{nm} ) seguirá siendo absolutamente precisa y no se desviará en absoluto con los cambios en la intensidad de la señal óptica. Por lo tanto, no requiere calibración a cero cada vez.
II. Estabilidad extremadamente alta del material de dióxido de silicio (cuarzo)
Las galgas extensométricas metálicas o los materiales semiconductores en los sensores eléctricos, debido a su fácil oxidación, susceptibilidad a la humedad o propensión a la fluencia, pueden causar cambios irreversibles en su resistencia inicial.
Por el contrario, el portador de los FBG es una fibra óptica de dióxido de silicio (vidrio de cuarzo) de alta pureza. El dióxido de silicio posee una alta estabilidad química y mecánica. Dentro del rango de temperatura de diseño, su estructura de red y sus propiedades físicas apenas cambian o derivan aleatoriamente durante un largo ciclo de vida. Por lo tanto, sus características espectrales de reflexión mantienen una alta consistencia a largo plazo después de salir de fábrica.
III. Aplicación de la Fórmula de Calibración Absoluta (Diseño de Sensores OFSCN®)
Debido a las ventajas físicas de “medición absoluta” de los FBG, en aplicaciones de ingeniería prácticas, cada sensor FBG de fábrica se calibra absolutamente con precisión en un laboratorio controlado. El equipo de demodulación solo necesita leer el valor de longitud de onda absoluto actual e introducirlo en la curva de calibración para obtener directamente los datos absolutos de temperatura o deformación.
Por ejemplo, en los sensores principales de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), la aplicación estable de las fórmulas de calibración elimina el engorroso proceso de calibración frecuente en el sitio:
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Sensor de Temperatura:
Como el OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, se calibra la longitud de onda de temperatura para un rango de temperatura específico al salir de fábrica. La fórmula de calibración utiliza un ajuste polinómico de segundo grado, con unidades de ^\circ\text{C}/\text{pm} , lo que garantiza la absolutidad a largo plazo de la lectura de temperatura.
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Sensor de Deformación:
Como el OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge, su fórmula de calibración de deformación-longitud de onda es de primer orden, con unidades de \mu\epsilon/\text{pm} . Debido a su relación lineal absoluta entre estructura y longitud de onda, el demodulador puede calcular con precisión la deformación física absoluta actual simplemente midiendo la longitud de onda.
En resumen, los sensores de red de fibra (FBG) utilizan la longitud de onda como portador de información física, evitando errores causados por la atenuación de la señal, la deriva de la impedancia de la línea, etc., en comparación con los sensores basados en amplitud. Combinado con la excelente estabilidad física y química del material, logran intrínsecamente una medición absoluta que “no requiere calibración a cero cada vez”.