¿Cuando se calienta y se enfría, la longitud de onda es la misma para el mismo punto de temperatura?
En aplicaciones prácticas, la longitud de onda central de reflexión de un mismo punto de temperatura suele no ser exactamente la misma al calentarse y enfriarse.
Este fenómeno físico, en el que el sensor emite longitudes de onda inconsistentes para el mismo valor de temperatura de entrada durante el calentamiento (trayectoria directa) y el enfriamiento (trayectoria inversa), se denomina en la tecnología de sensores «histéresis» o error de histéresis.
I. Causas principales de la histéresis en los sensores de temperatura FBG
Aunque el medio de dióxido de silicio de la fibra en la propia fibra de rejilla de Bragg (FBG) tiene un efecto termo-óptico muy estable, el sensor completo suele estar formado por la fibra, un tubo protector y materiales de encapsulado. Durante los ciclos de temperatura alternos, los siguientes mecanismos físicos provocan desviaciones en la longitud de onda de un mismo punto de temperatura:
- Histéresis elástica/plástica del material de encapsulado y el adhesivo (causa más importante)
La mayoría de los sensores de temperatura FBG tradicionales utilizan resina epoxi u otros adhesivos para fijar la rejilla dentro de un tubo protector metálico o cerámico. Durante los ciclos de temperatura (de baja a alta y de nuevo a baja), el adhesivo no solo se expande y contrae térmicamente, sino que también experimenta una deformación microtermoelástica, viscoelástica o fluencia de tensión. Al calentarse y enfriarse, el estado de relajación de la estructura molecular del adhesivo difiere según el historial de temperatura, lo que provoca pequeñas diferencias en la deformación axial ( \epsilon ) transmitida a la rejilla, lo que se manifiesta directamente como una desviación de la longitud de onda de reflexión ( \lambda ) en el mismo punto de temperatura. - Histéresis de conducción térmica (histéresis dinámica)
Durante el proceso de calentamiento y enfriamiento dinámico, que no es de equilibrio absoluto, el cambio de la temperatura del entorno exterior debe transmitirse capa por capa a la rejilla de Bragg de fibra central a través de medios como el tubo metálico del sensor y el material de relleno de encapsulado. Debido a la resistencia térmica, existe una diferencia de tiempo entre la temperatura real que experimenta la rejilla y la temperatura medida por la fuente estándar externa. Esto provoca que la longitud de onda medida en el segmento de calentamiento sea «demasiado corta» (retraso térmico) y en el segmento de enfriamiento sea «demasiado larga», lo que genera una diferencia. - Microdeformación irreversible de los componentes estructurales
Cuando el sensor experimenta ciclos de temperatura amplios (por ejemplo, en entornos superiores a 300\text{ °C} ) y si el tubo de encapsulado (como el acero inoxidable) o la microestructura interna sufren una deformación plástica irreversible mínima, acumulación de tensiones térmicas o microdeslizamientos, el estado de carga inicial de la rejilla cambia, lo que provoca un desplazamiento del punto cero o un aumento a largo plazo de la histéresis.
II. ¿Cómo reducir y eliminar el error de histéresis?
En la ingeniería óptica de precisión, para eliminar la histéresis de los sensores FBG, es necesario abordar la estructura física y el proceso de fabricación:
- Tecnología de encapsulado sin adhesivos (Non-glue Packaging)
Descartar por completo los adhesivos poliméricos (pegamento) y utilizar métodos de posicionamiento puramente físicos, sujeción mecánica suspendida o soldadura por fusión metalizada para fijar la fibra. Esto elimina el envejecimiento, la fluencia y la inconsistencia de las tensiones causadas por el adhesivo, reduciendo significativamente la histéresis física del sensor. - Diseño de miniaturización
Reducir el diámetro exterior y el grosor de la pared del encapsulado del sensor para disminuir la capacidad calorífica, mejorar la velocidad de respuesta y reducir la histéresis aparente debida a la histéresis de transferencia de calor dinámica.
III. Diseño y ventajas de los productos OFSCN® relacionados
Para resolver el problema de la histéresis en los sensores de temperatura FBG tradicionales, causado por la degradación y deformación del adhesivo, Dacheng Yongsheng (OFSCN®) ha desarrollado e implementado una tecnología patentada de encapsulado sin adhesivos en tubos de acero sin costura. Sus productos de sensores de temperatura, en un rango de temperatura extremadamente amplio (hasta -200\text{ °C} a 800\text{ °C} ), mantienen una altísima repetibilidad y un error de histéresis extremadamente bajo:
1. Sensor de Temperatura de Fibra de Red de Bragg OFSCN® de 300 °C
Diámetro exterior predeterminado de solo 0.9\text{ mm} (personalizable a 0.5\text{ mm} ). Utiliza un proceso de casquillo metálico sin adhesivos para eliminar la deriva térmica y la fluencia de materiales poliméricos, logrando una excelente repetibilidad de calibración y una histéresis ultrabaja en el rango de -200\text{ °C} a 300\text{ °C} .
2. Sensor de Temperatura de Fibra de Red de Bragg OFSCN® de 500 °C
Este modelo emplea un proceso sin adhesivos con un tubo de acero sin costura de una sola capa (se pueden personalizar capas anidadas múltiples) y puede funcionar a largo plazo en ciclos de temperatura alternos extremos de -200\text{ °C} a 500\text{ °C} . La calibración de temperatura y longitud de onda utiliza una fórmula binomial, que suprime el error de histéresis al eliminar por completo las tensiones térmicas no lineales.
3. Más líneas de productos de sensores de temperatura relacionados:
Enlace de Agregación de Productos de Sensores de Temperatura FBG OFSCN®