¿Cómo eliminar las molestas interferencias de temperatura mediante algoritmos o estructuras?
En la tecnología de detección de Redes de Bragg en Fibra Óptica (FBG), debido al efecto termoóptico y al efecto de expansión térmica del material de sílice de la fibra, la longitud de onda central de reflexión de la FBG responde simultáneamente a la temperatura y a la deformación. Este fenómeno se conoce como sensibilidad cruzada a la temperatura (Temperature Cross-sensitivity).
Para eliminar esta molesta interferencia de temperatura, el campo de la ingeniería óptica generalmente aborda el problema desde dos dimensiones principales: algoritmo (compensación de temperatura activa/externa) y estructura (compensación mecánica pasiva o FBG dual integrada).
I. Método de Compensación por Algoritmo y Sensor Externo (Alta Precisión, Preferido en Ingeniería)
Este es actualmente el enfoque más utilizado y preciso en la industria y la investigación científica. La idea básica es: junto al punto de medición de deformación (fuerza/presión), se introduce un sensor de temperatura FBG que solo se ve afectado por la temperatura y no por ninguna fuerza mecánica externa.
1. Modelo Matemático del Algoritmo de Compensación
Sean \Delta \lambda_{\text{strain}} el desplazamiento de longitud de onda del sensor de deformación (que soporta tanto deformación mecánica como cambios de temperatura) y \Delta \lambda_{\text{temp}} el desplazamiento de longitud de onda del sensor de temperatura externo (que solo detecta cambios de temperatura):
\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
Donde K_{\epsilon} es el coeficiente de sensibilidad a la deformación, y K_{T,\text{strain}} y K_{T,\text{temp}} son los coeficientes de sensibilidad a la temperatura del sensor de deformación y del sensor de temperatura, respectivamente. Al eliminar el término de temperatura \Delta T a través de un sistema de ecuaciones algorítmicas, se puede demodular el valor real de deformación física \epsilon completamente libre de interferencias de temperatura:
\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)
Dado que los sensores de temperatura de Dacheng Yongsheng están calibrados con polinomios de alta precisión para la longitud de onda de temperatura en la fábrica, también puede sustituir directamente el valor de temperatura real T calculado por el demodulador en la ecuación de corrección de temperatura del sensor de deformación en tiempo real.
2. Despliegue de Hardware Correspondiente
Para implementar esta compensación algorítmica de alta precisión, se recomienda el uso de los siguientes sensores FBG de alta fiabilidad en el punto de medición:
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Sensor de Deformación: OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor
(Las imágenes estándar se muestran a continuación)
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Sensor de Temperatura Externo (instalado en el mismo campo de temperatura, libre y sin fuerzas aplicadas):
Dependiendo de la temperatura de operación, puede elegir entre OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor o OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor(Las imágenes estándar se muestran a continuación)
II. Método de Autocompensación Estructural (Adaptativo Pasivo)
Si no desea realizar una fusión compleja de datos entre canales en el terminal de demodulación o en el software de algoritmos, también puede cancelar la deriva de temperatura a nivel de hardware a través del diseño de la estructura interna del sensor.
1. Estructura de Compensación por Diferencia de Coeficientes de Expansión Térmica (Compensación Mecánica Pasiva)
Este método aprovecha la diferencia en los coeficientes de expansión térmica ( \alpha ) entre diferentes materiales sólidos.
- Diseño Estructural: La red de Bragg en fibra se fija en suspensión dentro de una estructura de tubo combinado hecha de dos metales con diferentes coeficientes de expansión térmica (por ejemplo: un tubo de aleación de aluminio con un alto coeficiente de expansión y un tubo de aleación de Invar/acero especial con un coeficiente de expansión extremadamente bajo).
- Mecanismo de Cancelación: Cuando la temperatura ambiente aumenta, el efecto termoóptico de la fibra originalmente desplaza la longitud de onda de reflexión hacia el infrarrojo (desplazamiento al rojo); sin embargo, el tubo combinado con una gran diferencia en los coeficientes de expansión, debido a la expansión y contracción térmica, aplica una pequeña fuerza de