Wie viele Millisekunden vergehen zwischen der Belastung des Sensors und der Anzeige der Daten auf dem Computer?
Die „Systemlatenz“ (End-to-End-Latenz) in einem Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorsystem bezieht sich auf die Gesamtzeit vom Zeitpunkt, an dem der Sensor einer äußeren Kraft ausgesetzt ist und sich physisch verformt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die numerische Berechnung auf der PC-Anwendungssoftware abgeschlossen und die Anzeige aktualisiert wird.
Diese Latenz setzt sich aus fünf physikalischen und technischen Schritten zusammen, deren Zeitaufwand wie folgt abgeschätzt wird:
1. Verzögerung durch physische Verformung und mechanische Übertragung ( \sim 1\ \mu\text{s} - 10\ \mu\text{s} )
- Mechanismus: Wenn die zu messende Struktur einer Kraft ausgesetzt wird, breiten sich Dehnungswellen mit Schallgeschwindigkeit (ca. 3000\ \text{m/s} \sim 5000\ \text{m/s} in festen Medien) durch das Kapselungsmedium auf den Glasfaserkern aus, was zu einer Änderung des Gitterperioden \Lambda und des effektiven Brechungsindex n_{\text{eff}} führt.
- Zeitaufwand: Bei faseroptischen Dehnungs-/Spannungssensoren im Zentimeterbereich wird dieser physikalische Prozess innerhalb von Mikrosekunden abgeschlossen und ist im Millisekundenbereich typischerweise vernachlässigbar.
2. Verzögerung der Lichtsignalübertragung ( \sim 5\ \mu\text{s/km} )
- Mechanismus: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Quarzfaserkern beträgt etwa v = \frac{c}{n} \approx \frac{3 \times 10^8\ \text{m/s}}{1.468} \approx 2 \times 10^8\ \text{m/s}.
- Zeitaufwand: Die einseitige Übertragungsverzögerung beträgt etwa 5\ \mu\text{s/km}. Bei einer Übertragungskabellänge von 1\ \text{km} beträgt die Hin- und Rücklaufzeit des Lichtsignals etwa 10\ \mu\text{s} (d. h. 0.01\ \text{ms}).
3. Verzögerung bei der Abtastung und Spektralberechnung des Demodulators (entscheidender Faktor, 10\ \text{ms} - 100\ \text{ms} )
Die Datenaktualisierungsrate des Demodulators ist die größte Latenzquelle in der gesamten Kette und hängt von der Hardware-Einstellung der Abtastfrequenz (f_s) ab:
- Abtastperiode ( T = \frac{1}{f_s} ):
- 100\ \text{Hz} Abtastfrequenz: Die Abtastperiode für einen Datenframe beträgt 10\ \text{ms}.
- 50\ \text{Hz} Abtastfrequenz: Die Abtastperiode für einen Datenframe beträgt 20\ \text{ms}.
- 10\ \text{Hz} Abtastfrequenz: Die Abtastperiode für einen Datenframe beträgt 100\ \text{ms}.
- Hardware-Verarbeitungszeit: Die DSP/FPGA-Verarbeitung von Spektral-Peak-Picking, Wellenlängenkallibrierung und Filteralgorithmen im Demodulator dauert in der Regel etwa 1\ \text{ms} \sim 3\ \text{ms}.
4. Datenübertragungsverzögerung ( \sim 1\ \text{ms} - 5\ \text{ms} )
- Mechanismus: Der Demodulator sendet Wellenlängen- oder Dehnungsdatenpakete über eine industrielle Ethernet-Schnittstelle (Protokolle wie TCP/IP, UDP oder Modbus) an die Host-Anwendung.
- Zeitaufwand: In typischen lokalen Netzwerken oder Direktverbindungen liegt die Latenz des Netzwerkprotokollstapels normalerweise im Bereich von 1\ \text{ms} \sim 5\ \text{ms}.
5. Verzögerung bei der Datenverarbeitung und UI-Rendering am PC ( \sim 15\ \text{ms} - 30\ \text{ms} )
- Mechanismus: Die Host-Anwendungssoftware empfängt die Datenpakete, führt die Umrechnungsformeln für physikalische Größen aus (z. B. Berechnung des Spannungswerts gemäß \sigma = E \cdot \varepsilon) und übergibt sie an die Betriebssystem-Grafik-Engine zum Rendern.
- Zeitaufwand: Die typische Bildwiederholrate von Standardanzeigen liegt bei 16.7\ \text{ms} ( 60\ \text{Hz} Bildwiederholfrequenz), zuzüglich der Verarbeitung von Software-Pufferwarteschlangen, liegt die Anzeigelatenz normalerweise zwischen 15\ \text{ms} \sim 30\ \text{ms}.
Zusammenfassung: Gesamte End-to-End-Latenz
| Konfigurationsbedingungen | Demodulator-Abtastperiode | Kommunikations- und Verarbeitungsverzögerung | PC-Rendering-Verzögerung | Gesamte Systemlatenz |
|---|---|---|---|---|
| Standard-Dynamikmessung (100 Hz) | 10\ \text{ms} | 2 \sim 5\ \text{ms} | \sim 16.7\ \text{ms} | Etwa 25\ \text{ms} \sim 35\ \text{ms} |
| Standard-Statikmessung (10 Hz) | 100\ \text{ms} | 2 \sim 5\ \text{ms} | \sim 16.7\ \text{ms} | Etwa 115\ \text{ms} \sim 130\ \text{ms} |
Referenz für verwandte Produkte
In praktischen technischen Systemen werden die Sensor-Endpunkte normalerweise in einer Legierungsrohrkapselungsstruktur verwendet, um die Effizienz der Dehnungsübertragung zu gewährleisten, gepaart mit Mehrkanal-Demodulatoren für die Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenaufnahme und die Netzwerkkommunikation:
- Erfassungsgerät: OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (unterstützt Konfigurationen der Abtastfrequenz 10 Hz / 50 Hz / 100 Hz, unterstützt TCP/UDP/Modbus-Datenkommunikation)
- Dehnungssensor: OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
- Spannungssensor: OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
