Что такое "температурная компенсация"? | What is temperature compensation?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Как с помощью алгоритма или структуры устранить нежелательные температурные помехи?

2

В технологии волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток (FBG) из-за термооптического и теплового расширения кварцевого материала оптоволокна, центральная длина волны отражения FBG реагирует одновременно на температуру и деформацию. Это явление называется температурной перекрестной чувствительностью (Temperature Cross-sensitivity).

Для устранения этого досадного температурного вмешательства в области оптики и фотоники обычно решают эту проблему, исходя из двух основных аспектов: алгоритмического (активная/внешняя температурная компенсация) и структурного (пассивная механическая компенсация или интегрированные двойные решетки).

I. Алгоритмическая компенсация и метод внешней температурной компенсации (высокая точность, предпочтительный инженерный подход)

Это наиболее распространенное и точное решение в настоящее время в промышленных и исследовательских областях. Основная идея заключается в следующем: рядом с точкой измерения деформации (сила/давление) вводится волоконно-оптический датчик FBG температуры, на который влияет только температура и никакие механические внешние силы.

1. Математическая модель алгоритма компенсации

Пусть изменение длины волны датчика деформации (подверженного как механической деформации, так и температурным изменениям) составляет \Delta \lambda_{\text{strain}} , а изменение длины волны внешнего датчика температуры (воспринимающего только изменения температуры) составляет \Delta \lambda_{\text{temp}} :

\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

Где K_{\epsilon} — коэффициент чувствительности к деформации, а K_{T,\text{strain}} и K_{T,\text{temp}} — коэффициенты чувствительности к температуре датчика деформации и датчика температуры соответственно. Путем совместного решения уравнений для исключения температурного члена \Delta T можно демодулировать истинное значение физической деформации \epsilon , полностью исключив температурное вмешательство:

\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)

Поскольку температурные датчики, поставляемые DaCheng YongSheng, проходят высокоточную полиномиальную калибровку длины волны температуры, вы также можете напрямую подставить истинное значение температуры T , рассчитанное демодулятором, в уравнение температурной коррекции датчика деформации в реальном времени.

2. Соответствующее аппаратное развертывание

Для реализации этой высокоточной алгоритмической компенсации рекомендуется использовать следующие высоконадежные волоконно-оптические датчики FBG в точке измерения:

II. Структурная самокомпенсация (пассивное адаптивное решение)

Если вы не хотите выполнять сложную межканальную интеграцию данных в терминале демодуляции или программном обеспечении, вы также можете устранить температурный дрейф на аппаратном уровне путем проектирования внутренней структуры датчика.

1. Структура компенсации разницы коэффициентов теплового расширения (пассивная механическая компенсация)

Этот метод использует разницу коэффициентов теплового расширения ( \alpha ) между различными твердыми материалами.

  • Конструкция: Оптическая решетка волокна подвешивается и закрепляется внутри кожуховой структуры, состоящей из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения (например, алюминиевая трубка с высоким коэффициентом расширения и трубка из сплава Инвар/специальной стали с очень низким коэффициентом расширения).
  • Механизм компенсации: Когда температура окружающей среды повышается, термооптический эффект волокна изначально вызывает смещение отраженной длины волны в инфракрасный диапазон (красное смещение); однако в это время составная трубка с большой разницей коэффициентов расширения из-за теплового расширения и сжатия оказывает небольшое осевое «сжимающее» (деформационное) воздействие на волокно. Путем точного расчета и проектирования размеров материалов, чтобы величина отрицательного смещения длины волны, вызванного кожухом, была точно равна и противоположна по направлению тепловому оптическому смещению длины волны самого волокна (т. е. K_{\epsilon} \cdot \epsilon_{\text{thermal}} = - K_T \cdot \Delta T ), можно достичь «пассивной самокомпенсации» выходной длины волны по температуре.

2. Однотрубная конструкция с двойными решетками/интегрированная структура

  • Конструкция: Два соседних FBG чипа с разными длинами волн инкапсулируются внутри одной защитной трубки датчика.
  • Механизм компенсации: Одна решетка прочно склеена с механической структурой или основанием датчика (подвержена как нагрузке, так и температуре), а другая решетка остается свободным концом, не соприкасающимся с нагруженной частью, в подвешенном состоянии (подвержена только температуре). Поскольку две решетки находятся очень близко друг к другу и в микроскопически одном и том же температурном поле, конструкция с одним каналом и двумя трубками позволяет напрямую исключить температурную составляющую путем дифференциального алгоритма в компактной структуре.
  • Применение по индивидуальному заказу: Например, DaCheng YongSheng может реализовать такую ​​интегрированную структуру путем изготовления на заказ OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensor с температурной компенсацией или специальных датчиков деформации с кожухом из сплава.

Заключение

  • Если вы стремитесь к высочайшей точности измерений и широкой адаптивности к температурным диапазонам (например, при резких колебаниях от -200\ ^\circ\text{C} до 500\ ^\circ\text{C} ), рекомендуется использовать алгоритм + внешний FBG датчик температуры.
  • Если вы ограничены установочным пространством и имеете ограниченное количество каналов демодуляции, не позволяющее добавить отдельный температурный канал, то более подходящим будет выбор датчиков структурной самокомпенсации/интегрированных двойных решеток.