ひずみを測定したときに温度も変化しましたが、どちらのデータに従うべきでしょうか？
光ファイバーグレーティング（FBG）センシング技術において、あなたが遭遇した現象は、物理学およびセンサー工学において「クロスセンシティビティ（Cross-sensitivity）」として知られています。
簡単に言えば、光ファイバーグレーティングは「ひずみ」と「温度」の両方に同時に敏感であるということです。構造ひずみを測定している際に環境温度が変化すると、センサーが反射する信号が重なり合ってしまい、1つのデータソースだけでは真のひずみ値を直接読み取ることができなくなります。
以下に、物理原理と工学応用の2つの側面から、「クロスセンシティビティ」の本質と、「誰の言うことを聞くべきか」という解決策について詳しく説明します。
一、 物理原理：なぜクロスセンシティビティが発生するのか？
光ファイバーグレーティングの中心反射波長（Bragg wavelength） \lambda_B は、以下の基本的な物理式によって決定されます。
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
ここで：
- n_{\text{eff}} はコアの実効屈折率です。
- \Lambda はグレーティングの周期です。
センサーが物理的な引張（ひずみ）と温度変化の両方の影響を受けると、これらの2つの物理量が異なる物理メカニズムを介して n_{\text{eff}} と \Lambda を変化させます。
- ひずみ効果（ \Delta \varepsilon ）：光ファイバーを直接引き伸ばしたり圧縮したりして、その周期 \Lambda を変化させます。同時に、弾性光学効果（Photoelastic effect）によって屈折率 n_{\text{eff}} を変化させます。
- 温度効果（ \Delta T ）：熱膨張効果によってグレーティング周期 \Lambda を変化させます。同時に、熱光学効果（Thermo-optic effect）によって屈折率 n_{\text{eff}} を変化させます。
したがって、ひずみと温度が同時に変化すると、反射波長の総ドリフト量 \Delta \lambda_B は両者の線形重ね合わせになります。
\Delta \lambda_B = \alpha_{\varepsilon} \Delta \varepsilon + \alpha_T \Delta T
ここで：
- \alpha_{\varepsilon} はひずみ感度係数です。 1550\text{ nm} の標準波長帯では、裸の光ファイバーグレーティングのひずみ係数 \alpha_{\varepsilon} \approx 1.2\text{ pm}/\mu\varepsilon です。
- \alpha_T は温度感度係数です。裸のグレーティング状態では、 \alpha_T \approx 10\text{ pm}/^\circ\text{C} です（パッケージングされている場合、この係数はパッケージ材料の熱膨張係数によって大幅に変化します）。
誰の言うことを聞くべきか？
デモジュレータは最終的に1つの総合的な波長変化量 \Delta \lambda_B しか測定できないため、この1つの数値だけでは、 100\ \mu\varepsilon の機械的ひずみによるものなのか、それとも 12\ ^\circ\text{C} の温度変動によるものなのかを判断することはできません。
二、 解決策：温度干渉をどのように分離するか？
温度が絶えず変化する環境で真のひずみを正確に測定するには、**温度補償（Temperature Compensation）**を導入する必要があります。工学的な実践では、主に以下の方法が採用されています。
1. 二重グレーティング温度補償法（同点/近傍温補法）——最も古典的で最も一般的
ひずみを測定したい測定点の隣に、応力がかからない参照光ファイバーグレーティング温度センサーを密接に取り付けます。
- ひずみセンサー（FBG 1）：構造応力を受け、同時に温度変化も感知します。その波長ドリフトは次のようになります。\Delta \lambda_{B1} = \alpha_{\varepsilon1} \Delta \varepsilon + \alpha_{T1} \Delta T
- 温度センサー（FBG 2）：その特殊な無応力パッケージ構造により、外部の機械的構造ひずみを全く受けません（すなわち \Delta \varepsilon = 0 ）。その波長ドリフトは純粋に局所的な温度変化によって引き起こされます。\Delta \lambda_{B2} = \alpha_{T2} \Delta T
FBG 2 のドリフト量から、リアルタイムの温度変化量 \Delta T を計算し、それをFBG 1 の方程式に代入することで、温度によるドリフトを完全に剥離し、純粋な機械的ひずみを計算することができます。
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \frac{\alpha_{T1}}{\alpha_{T2}} \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2つのグレーティングが出荷時に一貫した温度感度（ \alpha_{T1} = \alpha_{T2} ）を持つ場合、式はさらに簡略化できます。
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2. 二重波長/複屈折行列解法
材料の物理的特性に顕著な違いを持つ2種類の感応素子を採用し、同一測定点に2元1次連立方程式を構築します。
\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}
感度行列がフルランクであれば、逆行列を解くことで真のひずみと温度を同時に得ることができます。しかし、この方法のキャリブレーションプロセスは複雑で、工学的な安定性は二重グレーティング法に劣ります。
三、 OFSCN®（大成永盛）の専門工学的アドバイスと製品ポートフォリオ
実際の工学テストでは、単一ひずみセンサー内に温度補償グレーティングを統合することも可能ですが、パッケージの熱慣性や局所的な微小ひずみの伝達のため、公式には外部の独立した無応力光ファイバーグレーティング温度センサーを使用して温度補償を行うことを強く推奨します。これにより、最高の精度が得られます。
以下に、北京大成永盛科技有限公司（OFSCN®）が提供するターゲット製品と推奨される組み合わせソリューションを示します。
-
構造ひずみ測定センサー：
OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
この製品は、高分子材料で光ファイバーグレーティングをパッケージングし、シームレスなステンレス保護スリーブを備えているため、非常に高いひずみ伝達効率と防水性能を保証します。センサーは出荷前に厳格なひずみキャリブレーションが行われており、外部温度補償センサーとの併用が推奨されます。 -
独立無応力温度補償センサー：
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
この製品は精密な無応力ステンレス鋼管でパッケージングされており、内部のグレーティングは自由にスライドでき、基体の変形に一切応答しないため、高精度の局所温度参照値を提供するために特別に設計されています。これにより、上記の式における \Delta T 項のドリフトを完全に解決できます。
光ファイバーグレーティングひずみ測定技術の他のパッケージ形式やシステム構成については、OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link を通じて関連技術文書を参照してください。