什么是“迟滞性”? | What is hysteresis?

升温和降温的时候,同一个温度点的波长一样吗?

在实际应用中,升温和降温时同一个温度点的反射中心波长通常是不完全一样的。

这种在升温(正行程)和降温(反行程)过程中,传感器对于相同的输入温度值而输出波长不一致的物理现象,在传感器技术中被称为**“迟滞性”(Hysteresis)迟滞误差**。


一、 导致 FBG 温度传感器产生迟滞性的主要原因

虽然光纤光栅(FBG)本身的光纤二氧化硅介质具有非常稳定的热光效应,但完整的传感器通常由光纤、保护管和封装材料共同构成。在温度交变循环中,以下物理机制会导致同一温度点的波长产生偏差:

  1. 封装材料与胶水的弹性/塑性滞后(最主要原因)
    大多数传统的 FBG 温度传感器使用环氧树脂或其他粘合胶水将光栅固定在金属或陶瓷保护管中。在温度循环(由低温到高温,再到低温)中,胶水不仅存在热胀冷缩,还会发生微观的热弹性滞后、粘弹性变形或应力蠕变。当升温和降温时,胶水在不同温度历史下的分子结构松弛状态不同,导致传递给光栅的轴向应变( \epsilon )产生微小差异,直接表现为同一温度点下反射波长( \lambda )的偏差。
  2. 热传导滞后(动态迟滞)
    在非绝对平衡的动态升降温过程中,外部环境温度的变化需要通过传感器的金属管、封装填料等介质逐层传导至中心的光纤光栅上。由于热阻的存在,光栅感受到的实际温度与外部标准源测量到的温度之间存在时间差。这会导致升温段测量波长“偏短”(温度滞后),降温段测量波长“偏长”,从而拉开一个差值。
  3. 结构件的不可逆微形变
    当传感器经历宽幅的高低温循环(例如高于 300\text{ °C} 的环境)时,如果封装管(如不锈钢)或内部微结构产生了微量的不可逆塑性变形、热应力累积或微滑动,会导致光栅的初始受力状态发生改变,引起零点漂移或长期的迟滞增加。

二、 如何降低和消除迟滞误差?

在精密的光学工程中,要消除 FBG 传感器的迟滞,必须从物理结构和制造工艺入手:

  1. 无胶封装(Non-glue Packaging)技术
    彻底舍弃高分子粘合剂(胶水),采用纯物理定位、机械悬空夹持或金属化熔焊等手段将光纤固定。这样可以消除胶水带来的老化、蠕变和应力不一致,大幅度降低传感器的物理迟滞。
  2. 微型化设计
    减小传感器的外径和封装壁厚,从而减小热容、提高响应速度,降低由于动态传热滞后导致的表现迟滞。

三、 官方相关 OFSCN® 产品设计及优势

为了解决传统光纤光栅温度传感器因胶水退化和变形引起的迟滞问题,大成永盛(OFSCN®)研发并采用了专有的无缝钢管无胶封装技术。其温度传感器系列产品在极宽的温度范围内(可达 -200\text{ °C} 800\text{ °C} ),仍能保持极高的重复性和极低的迟滞误差:

1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

默认外径仅为 0.9\text{ mm} (可定制 0.5\text{ mm} )。其采用无胶金属套管工艺,消除高分子材料温漂和蠕变,传感器在 -200\text{ °C} 300\text{ °C} 内具有极佳的标定重复性与超低迟滞。

2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

该型号采用单层无缝钢管(可定制多层嵌套)无胶工艺,可在极端的 -200\text{ °C} 500\text{ °C} 温度交变循环下长期工作,温度与波长标定使用二项式公式,通过彻底排除非线性热应力来抑制迟滞误差。

3. 更多相关温度传感器产品线:

OFSCN® FBG Temperature Sensor Products Aggregation Link