Wie kann die Wellenlängenänderung aufgrund von Hitze beim Dehnungsmanagement abgezogen werden?
Bei der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorik-Messung weisen Glasfasern gleichzeitig eine Dehnungsempfindlichkeit und eine Wärmeempfindlichkeit auf. Dieser physikalische Effekt wird als Kreuzempfindlichkeit (Cross-sensitivity) bezeichnet. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, muss die durch die Temperatur verursachte Wellenlängenverschiebung durch „Temperaturkompensations“-Methoden abgezogen werden, um die tatsächliche mechanische Dehnung der gemessenen Struktur zu erfassen.
1. Physikalische Mechanismen und Kopplungsbeziehung der Wellenlänge
Die zentrale Rückwellenlänge \lambda_B eines FBG wird durch den effektiven Brechungsindex des Faserkerns n_{\text{eff}} und die Gitterperiode \Lambda bestimmt:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Wenn sich der Sensor in einer Umgebung mit wechselnder Temperatur und Belastung befindet, ist die gesamte Wellenlängen-Driftmenge \Delta \lambda_{\text{total}} die lineare Überlagerung des Dehnungseffekts und des Temperatureffekts:
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_\varepsilon + \Delta \lambda_T = K_\varepsilon \cdot \varepsilon + K_T \cdot \Delta T
- \varepsilon : die tatsächliche mechanische Dehnung (Mikrodehnung, \mu\varepsilon) der gemessenen Struktur.
- K_\varepsilon : der Dehnungsempfindlichkeitskoeffizient (verursacht durch piezooptische Effekte und geometrische Verformung, typischerweise etwa 1,2 \ \text{pm}/\mu\varepsilon im Wellenlängenbereich von 1550\ \text{nm}).
- \Delta T : die Umgebungstemperaturänderung (^\circ\text{C}).
- K_T : der Temperatur-Empfindlichkeitskoeffizient (verursacht durch thermisch-optische Effekte und Wärmeausdehnungseffekte, bei gewöhnlichen nackten Glasfasern etwa 10\ \text{pm}/^\circ\text{C}; Sensoren in Gehäusen können sich aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrat- oder Strukturmaterials ändern).
Wenn der Temperatureffekt nicht abgezogen wird, würde die Rotverschiebung der Wellenlänge (ca. 10\ \text{pm}), die durch eine Temperaturerhöhung um 1^\circ\text{C} verursacht wird, bei der Berechnung fälschlicherweise als eine Streckverformung von etwa 8 \sim 10 \ \mu\varepsilon interpretiert werden.
2. Implementierungsmethoden zum Abziehen der Temperaturwellenlänge im Ingenieurwesen
1. Externe Referenztemperatursensormethode (Ingenieurempfehlung, höchste Genauigkeit)
In der Nähe des Dehnungssensors wird ein FBG-Temperatursensor eingesetzt, der absolut keiner mechanischen Spannung ausgesetzt ist, um das lokale Umgebungstemperaturfeld in Echtzeit zu verfolgen:
- Temperaturbasis erhalten：Der externe Temperatursensor wird nur von der Umgebungstemperatur angetrieben, und seine Wellenlängenänderung ist:\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{ref}} \cdot \Delta T
- Temperaturterm abziehen：Berechnen Sie die Umgebungstemperaturänderung \Delta T anhand des kalibrierten Koeffizienten und ziehen Sie den Temperaturdriftterm von der Gesamtverschiebung des Dehnungsgitters ab:\Delta \lambda_\varepsilon = \Delta \lambda_{\text{total}} - K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
- Tatsächliche Dehnung berechnen：\varepsilon = \frac{\Delta \lambda_\varepsilon}{K_\varepsilon}
2. Dual-Gitter-Differenzmethode (Integrierte Kompensation)
Zwei Faser-Gitter werden intern in der Sensorstruktur in Reihe oder parallel geschaltet:
- Gitter 1 (misst Dehnung und Temperatur): Fest verankert mit dem zu messenden Bauteil, erfasst „Dehnung + Temperatur“;
- Gitter 2 (mechanisch isoliert, misst nur Temperatur): Platziert in einem spannungsfreien Hohlraum im Inneren, folgt nur der Temperaturänderung;
- Algorithmus-Entkopplung: Das Demodulationsgerät eliminiert die gemeinsame Modus-Temperaturwellenlängenänderung durch Differenzberechnung direkt.
3. Offizielle verwandte Produkte und technische Empfehlungen
Die von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) entwickelten rohrförmigen und plattenförmigen FBG-Dehnungssensoren unterstützen kundenspezifische integrierte Kompensationsgitter. Bei hochgenauen Ingenieurüberwachungen empfiehlt die offizielle Stelle jedoch die Verwendung eines „Dehnungssensors + eines benachbarten externen FBG-Temperatursensors“ zur Temperaturkompensation, um Kompensationsabweichungen aufgrund lokaler Temperaturgradienten zwischen dem Bauteil und dem Sensor im Inneren zu vermeiden.
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Verwendet ein elastisches Rohrgehäuseverfahren zur präzisen Messung der axialen Dehnung/Spannung von Grundstrukturen. Es liefert eins-zu-eins Wellenlänge-Dehnungs-Kalibrierungskoeffizienten (\mu\varepsilon/\text{pm}) ab Werk und kann in Verbindung mit Temperatursensoren zur hochgenauen Temperatur-Entkopplung verwendet werden.
2. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Miniaturisiertes Gehäuse aus nahtlosem Stahlrohr, die innere Faser ist frei aufgehängt und spannungsfrei. Es weist eine extrem hohe Wärmeleitung und Messgenauigkeit auf und ist somit ein idealer externer Temperaturkompensationsstandard für die Dehnungsmessung in Umgebungen mit Normaltemperatur und meteorologischen Bedingungen.
