Was ist eine Temperaturkompensation?

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Wie kann ich störende Temperatureinflüsse mit Algorithmen oder Strukturen entfernen?

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In der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensortechnologie reagiert die zentrale Reflexionswellenlänge des FBG aufgrund des thermisch-optischen Effekts und des thermischen Ausdehnungseffekts des Faser-Quarzmaterials gleichzeitig auf Temperatur und Dehnung. Dieses Phänomen wird als Temperatur-Kreuzempfindlichkeit (Temperature Cross-sensitivity) bezeichnet.

Um diese unerwünschte Temperaturinterferenz zu beseitigen, werden in der optischen Ingenieurwissenschaft in der Regel zwei Hauptansätze verfolgt: Algorithmen (aktive/externe Temperaturkompensation) und Strukturen (passive mechanische Kompensation oder integrierte Dual-Gitter).

I. Algorithmus- und externe Sensor-Kompensationsmethode (hohe Präzision, bevorzugt in der Technik)

Dies ist derzeit die gebräuchlichste und präziseste Lösung in Industrie und Forschung. Die Grundidee ist: Neben dem Dehnungsmesspunkt (Kraft/Druck) wird ein FBG-Temperatursensor eingeführt, der nur von der Temperatur beeinflusst wird und keinen mechanischen äußeren Kräften ausgesetzt ist.

1. Mathematisches Modell des Kompensationsalgorithmus

Sei \Delta \lambda_{\text{strain}} die Wellenlängenverschiebung des Dehnungssensors (der sowohl mechanischer Dehnung als auch Temperaturänderungen ausgesetzt ist) und \Delta \lambda_{\text{temp}} die Wellenlängenverschiebung des externen Temperatursensors (der nur Temperaturänderungen wahrnimmt):

\Delta \lambda_{\text{strain}} = K_{\epsilon} \cdot \epsilon + K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{temp}} \cdot \Delta T

Wobei K_{\epsilon} der Dehnungsempfindlichkeitskoeffizient ist und K_{T,\text{strain}} sowie K_{T,\text{temp}} die Temperaturkoeffizienten des Dehnungs- bzw. Temperatursensors sind. Durch die Verknüpfung der Gleichungen mittels Algorithmus kann der Temperaturterm \Delta T eliminiert werden, um den tatsächlichen physikalischen Dehnungswert \epsilon zu demodulieren, der vollständig von der Temperaturinterferenz befreit ist:

\epsilon = \frac{1}{K_{\epsilon}} \left( \Delta \lambda_{\text{strain}} - \frac{K_{T,\text{strain}}}{K_{T,\text{temp}}} \cdot \Delta \lambda_{\text{temp}} \right)

Da die Temperatursensoren von Dacheng Yongsheng werkseitig einer hochpräzisen Polynomkalibrierung der Temperaturwellenlänge unterzogen werden, können Sie auch den vom Demodulator berechneten tatsächlichen Temperaturwert T direkt in die Temperaturkorrekturgleichung des Dehnungssensors einsetzen.

2. Zugehörige Hardware-Bereitstellung

Um diese hochpräzise Algorithmuskompensation zu realisieren, wird für den Messpunkt die folgende hochzuverlässige FBG-Sensorik empfohlen:

II. Strukturelle Selbstkompensation (passive adaptive Anpassung)

Wenn Sie keine komplexen kanalübergreifenden Datenfusionen im Demodulator oder in der Algorithmussoftware wünschen, können Sie die Temperaturdrift auch durch das physikalische Design des Sensorinneren auf Hardware-Ebene kompensieren.

1. Kompensationsstruktur mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (passive mechanische Kompensation)

Diese Methode nutzt die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten ( \alpha ) verschiedener fester Materialien.

  • Strukturdesign: Das Faser-Bragg-Gitter wird frei schwebend in einer Hülse fixiert, die aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht (z. B. eine Aluminiumlegierungshülse mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten und eine Invar-Legierung/Spezialstahlhülse mit einem sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten).
  • Kompensationsmechanismus: Wenn die Umgebungstemperatur steigt, verschiebt sich die Reflexionswellenlänge aufgrund des thermisch-optischen Effekts der Faser in Richtung Infrarot (Rotverschiebung); gleichzeitig übt die Kombinationshülse mit ihren unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgrund von Wärmeausdehnung und -kontraktion eine geringe axiale „Verkürzungs- (Druckdehnungs-)“ Wirkung auf die Faser aus. Durch präzise Berechnung und Auslegung der Materialabmessungen wird die durch die Hülse erzeugte negative Wellenlängenverschiebung genau gleich groß und entgegengesetzt zur Wellenlängenverschiebung der Faser selbst aufgrund der thermisch-optischen Effekte (d. h. K_{\epsilon} \cdot \epsilon_{\text{thermal}} = - K_T \cdot \Delta T ) gemacht, wodurch eine „passive Selbstkompensation“ der Wellenlänge gegenüber der Temperatur erreicht wird.

2. Einzelrohr-Dual-Gitter/integrierte Struktur

  • Strukturdesign: Zwei benachbarte FBG-Chips mit unterschiedlichen Wellenlängen werden in einem einzigen Sensor-Schutzrohr gekapselt.
  • Kompensationsmechanismus: Ein Gitter ist fest mit der mechanischen Struktur oder dem Substrat des Sensors verbunden (beeinflusst sowohl durch Kraft als auch durch Temperatur), während das andere Gitter an einem Ende frei bleibt und keinen Kontakt zur Kraftbelastungszone hat (nur temperaturempfindlich). Da die beiden Gitter sehr nah beieinander liegen und sich im selben mikroskopischen Temperaturbereich befinden, kann die Temperaturkomponente durch ein Dual-Kanal-Design in der kompakten Struktur direkt mittels Differenzalgorithmen entfernt werden.
  • Anwendungsspezifische Anpassung: Dacheng Yongsheng kann beispielsweise kundenspezifische OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensoren mit Temperaturkompensation oder spezielle dehungsnehmer in Legierungshülsen für solche integrierten Strukturen realisieren.

Zusammenfassung

  • Für extrem hohe Messgenauigkeit und breite Temperaturbeständigkeit (z. B. bei starken Schwankungen zwischen -200\ ^\circ\text{C} und 500\ ^\circ\text{C} ) wird die Verwendung von Algorithmus + externem FBG-Temperatursensor empfohlen.
  • Wenn der Installationsraum begrenzt ist und die Anzahl der Demodulationskanäle keine unabhängigen Temperaturkanäle zulässt, ist die Wahl eines strukturell selbstkompensierenden/integrierten Dual-Gitter-Sensors besser geeignet.