Die Temperatur änderte sich auch, als ich die Dehnung maß. Wem soll ich glauben?
In der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensortechnologie wird das von Ihnen beobachtete Phänomen in der Physik und Sensorik als „Kreuzempfindlichkeit“ (Cross-sensitivity) bezeichnet.
Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass Faser-Bragg-Gitter sowohl auf „Dehnung“ als auch auf „Temperatur“ gleichzeitig reagieren. Wenn Sie die Dehnung einer Struktur messen und sich die Umgebungstemperatur ändert, überlagern sich die vom Sensor zurückgesendeten Signale, was es Ihnen unmöglich macht, den wahren Dehnungswert direkt aus einer einzigen Datenquelle abzulesen.
Im Folgenden wird das Wesen der „Kreuzempfindlichkeit“ und die Lösung „Auf wen hören?“ aus den Perspektiven des physikalischen Prinzips und der technischen Anwendung detailliert erläutert.
I. Physikalische Prinzipien: Warum tritt Kreuzempfindlichkeit auf?
Die zentrale Reflexionswellenlänge (Bragg-Wellenlänge) \lambda_B eines Faser-Bragg-Gitters wird durch die folgende grundlegende physikalische Formel bestimmt:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Hierbei gilt:
- n_{\text{eff}} ist der effektive Brechungsindex des Faserkerns.
- \Lambda ist die Gitterperiode.
Wenn der Sensor gleichzeitig physikalischer Zug (Dehnung) und Temperaturänderung ausgesetzt ist, beeinflussen diese beiden physikalischen Größen n_{\text{eff}} und \Lambda über unterschiedliche physikalische Mechanismen:
- Dehnungseffekt ( \Delta \varepsilon ): Verändert direkt die Dehnung oder Kompression der Faser, was ihre Gitterperiode \Lambda verändert; gleichzeitig ändert sich über den photoelastischen Effekt der Brechungsindex n_{\text{eff}} .
- Temperatureffekt ( \Delta T ): Verändert über den thermischen Ausdehnungseffekt die Gitterperiode \Lambda ; gleichzeitig ändert sich über den thermisch-optischen Effekt der Brechungsindex n_{\text{eff}} .
Daher ist, wenn sich Dehnung und Temperatur gleichzeitig ändern, die Gesamtverschiebung der Reflexionswellenlänge \Delta \lambda_B die lineare Überlagerung beider:
\Delta \lambda_B = \alpha_{\varepsilon} \Delta \varepsilon + \alpha_T \Delta T
Hierbei gilt:
- \alpha_{\varepsilon} ist der Dehnungsempfindlichkeitskoeffizient. Im Standardwellenlängenbereich von 1550\text{ nm} beträgt der Dehnungskoeffizient für ein unbeschichtetes FBG-Gitter \alpha_{\varepsilon} \approx 1.2\text{ pm}/\mu\varepsilon .
- \alpha_T ist der Temperaturkoeffizient. Im unbeschichteten Zustand beträgt \alpha_T \approx 10\text{ pm}/^\circ\text{C} (bei Verkapselung ändert sich dieser Koeffizient erheblich, abhängig vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kapselmaterials).
Auf wen hören?
Da das Demodulationsgerät letztendlich nur eine kombinierte Wellenlängenänderung \Delta \lambda_B messen kann, können Sie mit dieser einen Zahl nicht entscheiden, ob sie durch eine mechanische Dehnung von 100\ \mu\varepsilon oder durch eine Temperaturschwankung von 12\ ^\circ\text{C} verursacht wurde.
II. Lösungen: Wie eliminiere ich den Temperatureinfluss?
Um die wahre Dehnung in einer sich ständig ändernden Umgebung genau zu messen, ist eine Temperaturkompensation (Temperature Compensation) unerlässlich. In der technischen Praxis werden hauptsächlich folgende Methoden angewendet:
1. Dual-Gitter-Temperaturkompensationsmethode (Gleicher Punkt/Benachbarte Temperaturkompensation) – am klassischsten und am häufigsten verwendet
Neben dem Messpunkt, an dem die Dehnung gemessen werden soll, wird ein spannungsfreies Referenz-FBG-Temperatursensor dicht daneben installiert.
- Dehnungssensor (FBG 1): Nimmt sowohl die Strukturspannung als auch Temperaturänderungen auf. Seine Wellenlängenverschiebung ist:\Delta \lambda_{B1} = \alpha_{\varepsilon1} \Delta \varepsilon + \alpha_{T1} \Delta T
- Temperatursensor (FBG 2): Aufgrund seiner speziellen spannungsfreien Verkapselungsstruktur nimmt er keinerlei mechanische Strukturdehnung von außen auf (d.h. \Delta \varepsilon = 0 ), seine Wellenlängenverschiebung wird rein durch lokale Temperaturänderungen verursacht:\Delta \lambda_{B2} = \alpha_{T2} \Delta T
Mit der Verschiebung von FBG 2 kann die Echtzeit-Temperaturänderung \Delta T berechnet werden. Setzt man diese dann in die Gleichung von FBG 1 ein, kann die temperaturinduzierte Verschiebung vollständig eliminiert werden, und die reine mechanische Dehnung wird berechnet:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \frac{\alpha_{T1}}{\alpha_{T2}} \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
Wenn beide Gitter bei der Kalibrierung eine konsistente Temperaturabhängigkeit aufweisen ( \alpha_{T1} = \alpha_{T2} ), kann die Formel weiter vereinfacht werden zu:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2. Dual-Wellenlängen-/Birefringenz-Matrix-Lösungsalgorithmus
Verwendung von zwei Sensorelementen mit signifikant unterschiedlichen Materialeigenschaften. An einem Messpunkt wird ein Gleichungssystem zweiter Ordnung aufgebaut:
\begin{bmatrix} \Delta \lambda_1 \\ \Delta \lambda_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \alpha_{\varepsilon1} \alpha_{T1} \\ \alpha_{\varepsilon2} \alpha_{T2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta \varepsilon \\ \Delta T \end{bmatrix}
Solange die Empfindlichkeitsmatrix vollranging ist, können die wahren Dehnungs- und Temperaturwerte durch Lösen der inversen Matrix gleichzeitig ermittelt werden. Diese Methode ist jedoch komplex in der Kalibrierung und etwas weniger stabil im technischen Einsatz als die Dual-Gitter-Methode.
III. OFSCN® (dacheng yongsheng) Professionelle technische Empfehlungen und Produktkombinationen
Bei tatsächlichen technischen Tests, obwohl eine Temperaturkompensationsgitter in einem einzelnen Dehnungssensor integriert werden kann, wird aufgrund der thermischen Trägheit der Verkapselung und der Übertragung von Mikrodehnungen offiziell dringend empfohlen, externe, unabhängige spannungsfreie Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren für die Temperaturkompensation zu verwenden, um höchste Genauigkeit zu erzielen.
Im Folgenden sind gezielte Produkte und empfohlene Kombinationslösungen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) aufgeführt:
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Strukturdehnungs-Messsensor:
OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
Dieses Produkt verwendet eine polymerverkapselte Faser-Bragg-Gitter-Faser und ist mit einer nahtlosen Edelstahlhülse ausgestattet, um eine extrem hohe Dehnungsübertragungseffizienz und Wasserdichtigkeit zu gewährleisten. Die Sensoren werden werkseitig streng auf Dehnung kalibriert und es wird empfohlen, sie in Verbindung mit externen Temperaturkompensationssensoren zu verwenden. -
Unabhängiger spannungsfreier Temperaturkompensationssensor:
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Dieses Produkt verwendet eine präzise spannungsfreie Edelstahlrohrverkapselung, bei der sich das interne Gitter frei verschieben kann und keinerlei Verformung des Grundkörpers reagiert. Es dient speziell zur Bereitstellung hochpräziser lokaler Temperaturreferenzwerte und kann die Verschiebung des \Delta T -Terms in der obigen Formel perfekt lösen.
Weitere Verkapselungsformen und Systemkonfigurationen für die Faser-Bragg-Gitter-Dehnungsmessung finden Sie in den entsprechenden technischen Dokumenten unter OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link.