Одинакова ли длина волны при одинаковой температуре во время нагрева и охлаждения?
В реальном применении центральная длина волны отражения для одной и той же точки температуры при нагреве и охлаждении обычно не совпадает.
Это физическое явление, при котором датчик выдает разные длины волн для одинаковых входных значений температуры в процессе нагрева (прямой ход) и охлаждения (обратный ход), в технике датчиков называется «гистерезисом» (Hysteresis) или погрешностью гистерезиса.
I. Основные причины возникновения гистерезиса у волоконно-оптических датчиков температуры FBG
Хотя сам диоксид кремния в оптическом волокне волоконной решетки (FBG) обладает очень стабильным термооптическим эффектом, полный датчик обычно состоит из оптического волокна, защитной трубки и инкапсулирующих материалов. В процессе циклического изменения температуры следующие физические механизмы приводят к отклонению длины волны в одной и той же точке температуры:
- Упругость/пластичность инкапсулирующего материала и клея (основная причина)
В большинстве традиционных датчиков температуры FBG решетка фиксируется в металлической или керамической защитной трубке с помощью эпоксидной смолы или другого клея. При температурных циклах (от низкой к высокой, затем обратно к низкой) клей не только расширяется и сжимается при изменении температуры, но и подвергается микроскопическим термоупругому гистерезису, вязкоупругой деформации или ползучести под напряжением. При нагреве и охлаждении молекулярная структура клея в разных температурных историях находится в разном состоянии релаксации, что приводит к небольшим различиям в осевой деформации ( \epsilon ) , передаваемой на решетку. Это напрямую проявляется в отклонении длины волны отражения ( \lambda ) в одной и той же точке температуры. - Гистерезис теплопроводности (динамический гистерезис)
В условиях неравномерного динамического нагрева и охлаждения изменение температуры внешней среды должно последовательно проходить через металлический корпус датчика, инкапсулирующий наполнитель и другие среды, прежде чем достичь центральной волоконной решетки. Из-за наличия теплового сопротивления существует временная задержка между фактической температурой, воспринимаемой решеткой, и температурой, измеряемой внешним стандартным источником. Это приводит к тому, что длина волны, измеренная на этапе нагрева, оказывается «короче» (температурная задержка), а на этапе охлаждения — «длиннее», создавая разницу. - Необратимые микродеформации конструктивных элементов
Когда датчик подвергается широким циклам высоких и низких температур (например, в среде выше 300\text{ °C} ), если защитная трубка (например, из нержавеющей стали) или внутренняя микроструктура претерпевают незначительные необратимые пластические деформации, накопление термических напряжений или микроскольжение, это изменяет исходное состояние нагрузки решетки, вызывая смещение нуля или долговременное увеличение гистерезиса.
II. Как снизить и устранить погрешность гистерезиса?
В точной оптической инженерии для устранения гистерезиса датчиков FBG необходимо учитывать физическую структуру и производственный процесс:
- Технология безклеевой инкапсуляции (Non-glue Packaging)
Полностью отказаться от полимерных адгезивов (клеев), используя чисто физическое позиционирование, механическое подвешивание или металлизацию с оплавлением для фиксации оптического волокна. Это позволяет устранить старение, ползучесть и неравномерность напряжений, связанные с клеем, и значительно снизить физический гистерезис датчика. - Миниатюрный дизайн
Уменьшение внешнего диаметра и толщины стенок инкапсуляции датчика, что снижает теплоемкость, повышает скорость отклика и уменьшает проявление гистерезиса, вызванного динамической задержкой теплопередачи.
III. Соответствующие продукты OFSCN® и их преимущества
Для решения проблемы гистерезиса, вызванного деградацией клея и деформацией в традиционных волоконно-оптических датчиках температуры FBG, компания Dacheng Yongsheng (OFSCN®) разработала и внедрила запатентованную технологию безклеевой инкапсуляции в бесшовной стальной трубе. Ее серия датчиков температуры, даже в широком диапазоне температур (до -200\text{ °C} до 800\text{ °C} ), сохраняет очень высокую повторяемость и чрезвычайно низкую погрешность гистерезиса:
1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Стандартный внешний диаметр всего 0.9\text{ mm} (возможна настройка до 0.5\text{ mm} ). Использует технологию безклеевой инкапсуляции в металлической трубке, исключая температурный дрейф и ползучесть полимерных материалов. Датчик демонстрирует отличную повторяемость калибровки и сверхнизкий гистерезис в диапазоне -200\text{ °C} до 300\text{ °C} .
2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Данная модель использует однослойную бесшовную стальную трубу (возможна многослойная конструкция) и безклеевую технологию. Может работать в течение длительного времени в экстремальных температурных циклах от -200\text{ °C} до 500\text{ °C} . Калибровка температуры и длины волны выполняется с использованием биномиальной формулы, подавляя погрешность гистерезиса путем полного исключения нелинейных термических напряжений.
