Sıcaklık artışından kaynaklanan dalga boyu değişimini gerinim ölçümünden nasıl çıkarabilirim?
Fiber Bragg Grating (FBG) sensör ölçümünde, fiber hem gerinim hassasiyetine hem de termal hassasiyete sahiptir. Bu fiziksel etkiye Çapraz Hassasiyet (Cross-sensitivity) denir. Ortam hava sıcaklığı arttığında, ölçülen yapının gerçek mekanik gerinimini elde etmek için sıcaklığın neden olduğu dalga boyu kaymasını “sıcaklık telafisi” yöntemleriyle çıkarmak gerekir.
Bir. Fiziksel Mekanizma ve Dalga Boyu Bağlantı İlişkisi
FBG’nin merkezi yansıtma dalga boyu \lambda_B, çekirdeğin etkin kırılma indisi n_{\text{eff}} ve grating periyodu \Lambda tarafından belirlenir:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Sensör sıcaklık ve kuvvet değişimlerine maruz kaldığında, toplam dalga boyu kayması \Delta \lambda_{\text{total}}, gerinim ve sıcaklık etkilerinin doğrusal birleşimidir:
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_\varepsilon + \Delta \lambda_T = K_\varepsilon \cdot \varepsilon + K_T \cdot \Delta T
- \varepsilon: Ölçülen yapının gerçek mekanik gerinimi (mikro gerinim, \mu\varepsilon).
- K_\varepsilon: Gerinim hassasiyeti katsayısı (elastik optik etki ve geometrik deformasyondan kaynaklanır, 1550\ \text{nm} dalga bandında genellikle yaklaşık 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon’dir).
- \Delta T: Ortam sıcaklığı değişimi (^\circ\text{C}).
- K_T: Sıcaklık hassasiyeti katsayısı (termal optik etki ve termal genleşme etkisinden kaynaklanır, sıradan çıplak fiber için yaklaşık 10\ \text{pm}/^\circ\text{C}'dir; kapsüllenmiş sensörler, alt tabaka veya yapı malzemelerinin termal genleşme katsayısından etkilenebilir).
Sıcaklık etkisi çıkarılmazsa, 1^\circ\text{C}'lik bir sıcaklık artışının neden olduğu dalga boyu kırmızı kayması (yaklaşık 10\ \text{pm}), hesaplamada yaklaşık 8 \sim 10\ \mu\varepsilon’lik bir çekme deformasyonu olarak yanlış yorumlanacaktır.
İki. Mühendislikte Sıcaklık Dalga Boyunu Çıkarma Yöntemleri
1. Harici Referans Sıcaklık Sensörü Yöntemi (Mühendislikte Önerilen, En Yüksek Hassasiyet)
Gerinim sensörünün yakınına mekanik strese tamamen maruz kalmayan bir FBG sıcaklık sensörü konuşlandırılarak yerel ortam sıcaklık alanı gerçek zamanlı olarak izlenir:
- Sıcaklık Referansı Alma: Harici sıcaklık sensörü yalnızca ortam sıcaklığı tarafından yönlendirilir ve dalga boyu değişimi şu şekildedir:\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{ref}} \cdot \Delta T
- Sıcaklık Terimini Çıkarma: Kalibrasyon katsayısına göre ortam sıcaklığı değişim miktarı \Delta T hesaplanır ve gerinim grating’inin toplam kaymasından sıcaklık kayması terimi çıkarılır:\Delta \lambda_\varepsilon = \Delta \lambda_{\text{total}} - K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
- Gerçek Gerinimi Hesaplama:\varepsilon = \frac{\Delta \lambda_\varepsilon}{K_\varepsilon}
2. Çift Grating Fark Yöntemi (Entegre Telafi)
Sensörün iç yapısına seri veya paralel olarak iki fiber grating bağlanır:
- Grating 1 (Gerinim ve Sıcaklık Ölçümü): Ölçülen bileşenle sıkıca sabitlenir, “gerinim + sıcaklık” etkilerini algılar;
- Grating 2 (Mekanik Olarak İzolasyonlu, Yalnızca Sıcaklık Ölçümü): İçindeki gerilimsiz bir tüp boşluğuna yerleştirilir, yalnızca sıcaklık değişimlerini takip eder;
- Algoritma ile Ayrıştırma: Çözümleme cihazı, iki kanalın ortak mod sıcaklık dalga boyu değişimlerini gidermek için fark alma işlemi yapar.
Üç. Resmi İlgili Ürünler ve Teknik Öneriler
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) tarafından geliştirilen tüp tipi ve plaka tipi fiber grating gerinim sensörleri, özel olarak tasarlanmış dahili telafi grating’lerini desteklemektedir. Ancak, yüksek hassasiyetli mühendislik izlemesi için, resmi olarak “gerinim sensörü + yakındaki harici fiber grating sıcaklık sensörü” yönteminin sıcaklık telafisi için kullanılması önerilir. Bu, bileşen ve sensörün içindeki yerel termal gradyanlardan kaynaklanan telafi sapmalarını önler.
1. OFSCN® Alaşım Tüp Kapsüllü Fiber Bragg Grating Gerinim Sensörü
Elastik alaşım tüp kapsülleme teknolojisi kullanılarak, ana yapının eksenel gerinim/stresinin hassas ölçümü için kullanılır. Fabrika çıkışında tek yönlü dalga boyu-gerinim kalibrasyon katsayısı (\mu\varepsilon/\text{pm}) sağlanır ve yüksek hassasiyetli sıcaklık ayrıştırması için sıcaklık sensörü ile birlikte kullanılabilir.
2. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Sıcaklık Sensörü
Sorunsuz çelik boru mikro kapsülleme, içindeki fiberin serbest ve gerilimsiz durumda olması, yüksek termal iletkenlik tepkisi ve ölçüm hassasiyeti sağlar. Oda sıcaklığı ve meteorolojik ortamdaki gerinim ölçümlerinde ideal bir harici sıcaklık telafisi referansıdır.
