O comprimento de onda é o mesmo em um determinado ponto de temperatura durante o aquecimento e o resfriamento?
Na aplicação prática, o comprimento de onda central de reflexão para o mesmo ponto de temperatura durante o aquecimento e o resfriamento geralmente não é exatamente o mesmo.
Este fenômeno físico, em que o sensor produz comprimentos de onda de saída inconsistentes para o mesmo valor de temperatura de entrada durante os processos de aquecimento (curso positivo) e resfriamento (curso reverso), é conhecido na tecnologia de sensores como “Histerese” (Hysteresis) ou erro de histerese.
I. Principais razões para a histerese em sensores de temperatura FBG
Embora o meio de sílica da fibra em si, na fibra de rede de Bragg (FBG), tenha um efeito termo-óptico muito estável, o sensor completo é normalmente composto pela fibra, tubo de proteção e material de encapsulamento. Durante os ciclos de temperatura alternada, os seguintes mecanismos físicos causam desvios no comprimento de onda em um determinado ponto de temperatura:
- Histerese elástica/plástica do material de encapsulamento e da cola (principal razão)
A maioria dos sensores de temperatura FBG tradicionais usa resina epóxi ou outra cola adesiva para fixar a rede em um tubo de proteção de metal ou cerâmica. Durante os ciclos de temperatura (de baixa a alta temperatura e de volta a baixa), a cola não só se expande e contrai com a temperatura, mas também sofre histerese termoelástica, deformação viscoelástica ou fluência de estresse microscópica. Quando aquecido e resfriado, o estado de relaxamento da estrutura molecular da cola é diferente com diferentes históricos de temperatura, levando a uma pequena diferença na deformação axial ( \epsilon ) transmitida para a rede. Isso se manifesta diretamente como um desvio no comprimento de onda de reflexão ( \lambda ) em um determinado ponto de temperatura. - Histerese de condução térmica (histerese dinâmica)
Durante o processo de aquecimento e resfriamento dinâmico não totalmente em equilíbrio, a mudança na temperatura do ambiente externo precisa ser transmitida camada por camada para a rede de fibra óptica central através de meios como o tubo de metal do sensor e o material de preenchimento de encapsulamento. Devido à existência de resistência térmica, há uma diferença de tempo entre a temperatura real sentida pela rede e a temperatura medida pela fonte de referência externa. Isso faz com que o comprimento de onda medido na fase de aquecimento seja “curto” (atraso de temperatura) e o comprimento de onda medido na fase de resfriamento seja “longo”, criando uma diferença. - Microdeformação irreversível dos componentes estruturais
Quando o sensor passa por ciclos de alta e baixa temperatura de ampla amplitude (por exemplo, em ambientes acima de 300\text{ °C} ), se o tubo de encapsulamento (como aço inoxidável) ou a microestrutura interna sofrer uma pequena deformação plástica irreversível, acúmulo de estresse térmico ou microdeslizamento, o estado de estresse inicial da rede será alterado, causando desvio do ponto zero ou aumento da histerese a longo prazo.
II. Como reduzir e eliminar o erro de histerese?
Na engenharia óptica de precisão, para eliminar a histerese dos sensores FBG, é essencial focar na estrutura física e no processo de fabricação:
- Tecnologia de encapsulamento sem cola (Non-glue Packaging)
Abandona completamente os adesivos poliméricos (colas) e utiliza métodos de posicionamento puramente físicos, fixação mecânica suspensa ou soldagem por fusão metalizada para fixar a fibra. Isso elimina o envelhecimento, a fluência e a inconsistência de estresse causados pela cola, reduzindo significativamente a histerese física do sensor. - Projeto de miniaturização
Reduz o diâmetro externo e a espessura da parede do encapsulamento do sensor para diminuir a capacidade térmica e melhorar a velocidade de resposta, reduzindo a histerese aparente causada pela histerese de transferência de calor dinâmica.
III. Projeto e Vantagens dos Produtos OFSCN® Relacionados
Para resolver o problema de histerese causado pela degradação e deformação da cola em sensores de temperatura FBG tradicionais, a Dacheng Yongsheng (OFSCN®) desenvolveu e adotou uma tecnologia proprietária de encapsulamento sem cola em tubos de aço sem emendas. Sua série de sensores de temperatura mantém alta repetibilidade e erro de histerese extremamente baixo em uma ampla faixa de temperatura (de -200\text{ °C} a 800\text{ °C} ):
1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Diâmetro externo padrão de apenas 0.9\text{ mm} (customizável para 0.5\text{ mm} ). Utiliza um processo de tubo metálico sem cola, eliminando a deriva térmica e a fluência de materiais poliméricos. O sensor apresenta excelente repetibilidade de calibração e histerese ultrabaixa de -200\text{ °C} a 300\text{ °C} .
2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Este modelo utiliza um processo sem cola em tubo de aço sem emendas de camada única (camadas aninhadas personalizáveis) e pode operar continuamente sob ciclos de temperatura alternada extremos de -200\text{ °C} a 500\text{ °C} . A calibração de temperatura e comprimento de onda usa uma fórmula binomial, suprimindo o erro de histerese pela eliminação completa de tensões térmicas não lineares.
