Ist die Wellenlänge bei derselben Temperatur während des Aufheizens und Abkühlens gleich?
In der Praxis sind die Reflexionszentrumwellenlängen für denselben Temperaturpunkt beim Aufheizen und Abkühlen normalerweise nicht genau gleich.
Dieses physikalische Phänomen, bei dem die vom Sensor ausgegebene Wellenlänge für denselben Eingangstemperaturwert während des Aufheizens (Vorwärtslauf) und Abkühlens (Rücklauf) nicht übereinstimmt, wird in der Sensortechnik als „Hysterese“ oder Hysterese-Fehler bezeichnet.
I. Hauptgründe für die Hysterese von FBG-Temperatursensoren
Obwohl das optische Quarzmaterial des Faser-Bragg-Gitters (FBG) selbst einen sehr stabilen thermischen optischen Effekt aufweist, besteht ein vollständiger Sensor typischerweise aus einer Faser, einem Schutzrohr und einem Verkapselungsmaterial. Während thermischer Wechselzyklen führen die folgenden physikalischen Mechanismen zu Abweichungen in der Wellenlänge für denselben Temperaturpunkt:
- Elastische/plastische Hysterese von Verkapselungsmaterial und Klebstoff (hauptsächlicher Grund)
Die meisten herkömmlichen FBG-Temperatursensoren verwenden Epoxidharz oder andere Klebstoffe, um das Gitter in einem Metall- oder Keramikschutzrohr zu befestigen. Bei Temperaturzyklen (von niedriger zu hoher und zurück zu niedriger Temperatur) dehnt sich der Klebstoff nicht nur thermisch aus und zieht sich zusammen, sondern erfährt auch mikroskopische thermoelastische Hysterese, viskoelastische Verformungen oder Spannungskriechen. Beim Aufheizen und Abkühlen sind die molekularen Relaxationszustände des Klebstoffs bei unterschiedlichen Temperaturverläufen unterschiedlich, was zu geringfügigen Unterschieden in der auf das Gitter übertragenen axialen Dehnung ( \epsilon ) führt und sich direkt als Abweichung der Reflexionswellenlänge ( \lambda ) bei derselben Temperatur manifestiert. - Wärmeleitungshysterese (dynamische Hysterese)
Bei nicht absolut ausgeglichenen dynamischen Auf- und Abheizvorgängen muss die Änderung der Umgebungstemperatur schichtweise durch Medien wie das Metallrohr des Sensors und das Verkapselungsmaterial zum zentralen Faser-Bragg-Gitter übertragen werden. Aufgrund des Wärmewiderstands besteht eine Zeitverzögerung zwischen der tatsächlichen Temperatur, die das Gitter spürt, und der vom externen Standardmessgerät gemessenen Temperatur. Dies führt dazu, dass die gemessene Wellenlänge im Aufheizabschnitt „zu kurz“ (Temperaturverzögerung) und im Abkühlabschnitt „zu lang“ ist, wodurch eine Differenz entsteht. - Irreversible Mikro-Verformung von Strukturteilen
Wenn der Sensor breite Hoch- und Tieftemperaturzyklen durchläuft (z. B. Umgebungen über 300\text{ °C} ), und das Verkapselungsrohr (z. B. Edelstahl) oder die innere Mikrostruktur eine geringfügige irreversible plastische Verformung, eine Ansammlung von thermischer Spannung oder ein Mikroschlupf erfährt, ändert sich der anfängliche Spannungszustand des Gitters, was zu einer Nullpunktverschiebung oder einer langfristigen Zunahme der Hysterese führt.
II. Wie kann Hysterese-Fehler reduziert und beseitigt werden?
In der Präzisionsoptik muss die Hysterese von FBG-Sensoren durch die physikalische Struktur und den Herstellungsprozess angegangen werden:
- Kleb-freie Verkapselungstechnologie (Non-glue Packaging)
Durch den vollständigen Verzicht auf Polymere Klebstoffe wird die Faser rein physikalisch positioniert, mechanisch aufgehängt oder metallisiert und verschweißt. Dies eliminiert Alterung, Kriechen und inkonsistente Spannungen, die durch Klebstoffe verursacht werden, und reduziert die physikalische Hysterese des Sensors erheblich. - Miniaturisiertes Design
Durch Verringerung des Außendurchmessers und der Wandstärke der Verkapselung wird die Wärmekapazität reduziert, die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die durch dynamische Wärmeübertragungsverzögerung verursachte Hysterese reduziert.
III. OFSCN® Produkt-Design und Vorteile
Um das Hysterese-Problem traditioneller Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren aufgrund von Klebstoffabbau und -verformung zu lösen, hat Dacheng Yongsheng (OFSCN®) eine proprietäre nahtlose Stahlrohr-Kleb-freie Verkapselungstechnologie entwickelt und übernommen. Seine Temperatursensor-Produktreihe behält eine extrem hohe Wiederholgenauigkeit und sehr geringe Hysterese-Fehler über einen sehr breiten Temperaturbereich (bis zu -200\text{ °C} bis 800\text{ °C} ) bei:
1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Der Standard-Außendurchmesser beträgt nur 0.9\text{ mm} (anpassbar auf 0.5\text{ mm} ). Es verwendet ein kleb-freies Metallhülsenverfahren, das die thermische Drift und das Kriechen von Polymermaterialien eliminiert. Der Sensor weist eine hervorragende Kalibrierwiederholgenauigkeit und eine extrem niedrige Hysterese im Bereich von -200\text{ °C} bis 300\text{ °C} auf.
2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Dieses Modell verwendet ein kleb-freies Verfahren mit einer einzelnen nahtlosen Stahlrohrschicht (mehrschichtig verschachtelt anpassbar) und kann langfristig extremen Temperaturwechselzyklen von -200\text{ °C} bis 500\text{ °C} standhalten. Die Temperatur- und Wellenlängenkalibrierung erfolgt über eine binomische Formel, die Hysterese-Fehler durch vollständige Eliminierung nichtlinearer thermischer Spannungen unterdrückt.
