Qu'est-ce que la « compensation de température » ? | What is temperature compensation?

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Comment supprimer les interférences de température indésirables par des algorithmes ou des structures ?

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Dans la technologie de détection par réseau de Bragg à fibre (FBG), en raison de l’effet optique thermique et de l’effet de dilatation thermique du matériau de silice de la fibre, la longueur d’onde centrale de réflexion du FBG répondra simultanément à la température et à la déformation. Ce phénomène est appelé sensibilité croisée à la température (Temperature Cross-sensitivity).

Pour éliminer cette perturbation de température indésirable, le domaine de l’ingénierie optique résout généralement ce problème selon deux dimensions principales : l’algorithme (compensation de température active/externe) et la structure (compensation mécanique passive ou réseau double intégré).

I. Méthode de compensation par algorithme et capteur externe (Haute précision, préférée en ingénierie)

C’est la solution la plus couramment utilisée et la plus précise dans l’industrie et la recherche scientifique. L’idée de base est la suivante : à côté du point de mesure de déformation (force/pression), on introduit un capteur de température FBG qui n’est affecté que par la température et par aucune force mécanique externe.

1. Modèle mathématique de l’algorithme de compensation

Soit \Delta \lambda_{\text{strain}} la dérive de longueur d’onde du capteur de déformation (qui subit à la fois la déformation mécanique et les variations de température), et \Delta \lambda_{\text{temp}} la dérive de longueur d’onde du capteur de température externe (qui ne subit que les variations de température) :

\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

Où K_{\epsilon} est le coefficient de sensibilité à la déformation, et K_{T,\text{strain}} et K_{T,\text{temp}} sont respectivement les coefficients de sensibilité à la température du capteur de déformation et du capteur de température. En combinant les équations pour éliminer le terme de température \Delta T , on peut démoduler la vraie valeur de déformation physique \epsilon , complètement débarrassée des interférences de température :

\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)

Étant donné que les capteurs de température de DaCheng YongSheng sont calibrés avec précision pour la longueur d’onde de température via un polynôme à la sortie de l’usine, vous pouvez également substituer directement la valeur de température réelle T calculée par le démodulateur dans l’équation de correction de température du capteur de déformation en temps réel.

2. Déploiement matériel correspondant

Pour réaliser cette compensation algorithmique de haute précision, il est recommandé d’utiliser les capteurs FBG suivants à haute fiabilité sur le point de mesure :

II. Méthode d’auto-compensation structurelle (Adaptative passive)

Si vous ne souhaitez pas effectuer une fusion complexe de données inter-canaux dans le terminal de démodulation ou le logiciel d’algorithme, vous pouvez également annuler la dérive de température au niveau matériel grâce à la conception de la structure physique interne du capteur.

1. Structure de compensation par différence de coefficient de dilatation thermique (Compensation mécanique passive)

Cette solution exploite la différence entre les coefficients de dilatation thermique ( \alpha ) de différents matériaux solides.

  • Conception structurelle : La grille de Bragg en fibre est fixée en suspension à l’intérieur d’une structure de manchon combinant deux métaux avec des coefficients de dilatation thermique différents (par exemple, un tube en alliage d’aluminium avec un coefficient de dilatation élevé et un tube en alliage d’Invar / acier spécial avec un coefficient de dilatation très faible).
  • Mécanisme d’annulation : Lorsque la température ambiante augmente, l’effet optique thermique de la fibre provoque normalement une dérive de la longueur d’onde de réflexion vers l’infrarouge (décalage vers le rouge) ; mais à ce moment, le manchon combiné avec une différence de coefficient de dilatation différentielle, en raison de la dilatation et de la contraction thermiques, exerce une légère action de « micro-rétrécissement (déformation de compression) » sur la fibre dans le sens axial. Grâce à un calcul et une conception précis des dimensions des matériaux, la quantité de dérive de longueur d’onde négative produite par le manchon est exactement égale et opposée à la dérive de longueur d’onde thermique de la fibre elle-même (c’est-à-dire K_{\epsilon} \cdot \epsilon_{\text{thermal}} = - K_T \cdot \Delta T ), réalisant ainsi une « auto-compensation passive » de la longueur d’onde de sortie par rapport à la température.

2. Structure à double réseau sur un seul tube / structure intégrée

  • Conception structurelle : Deux puces FBG de longueurs d’onde différentes sont encapsulées côte à côte à l’intérieur d’un seul tube de protection de capteur.
  • Mécanisme d’annulation : L’un des réseaux est fermement collé à la structure mécanique ou au substrat du capteur (affecté à la fois par la force et la température), tandis que l’autre réseau reste libre à une extrémité, sans contact avec la partie soumise à la force, en suspension (uniquement affecté par la température). Comme les deux réseaux sont très proches et dans le même champ de température microscopique, grâce à la conception à double canal sur un seul tube, la composante température peut être directement éliminée par algorithme différentiel dans une structure compacte.
  • Personnalisation d’application : Par exemple, DaCheng YongSheng peut réaliser de telles structures intégrées en personnalisant le OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensor avec compensation de température ou un capteur de déformation encapsulé dans un tube en alliage spécial.

Résumé

  • Si vous recherchez une précision de mesure extrêmement élevée et une large adaptabilité à la plage de température (par exemple, des fluctuations violentes entre -200\ ^\circ\text{C} et 500\ ^\circ\text{C} ), il est recommandé d’utiliser l’algorithme + capteur de température FBG externe.
  • Si vous êtes limité par l’espace d’installation et que les canaux de démodulation sont limités, empêchant l’ajout d’un canal de température indépendant, il est plus approprié d’opter pour des capteurs à auto-compensation structurelle / réseau double intégré.