Почему длина волны не совпадает, когда температура повышается и понижается до одной и той же точки?
В метрологии датчиков процесс нагрева (прямой ход) и процесс охлаждения (обратный ход) в одной и той же физической установленной точке температуры, когда длина волны отражения ( \lambda_B ) волоконно-оптической решетки не полностью совпадает, демонстрируя небольшое отклонение, называется эффектом гистерезиса (Hysteresis Effect), а максимальное отклонение — погрешностью гистерезиса (Hysteresis Error).
Длина волны отражения волоконно-оптической решетки (FBG) определяется показателем преломления n_{\text{eff}} и шагом решетки \Lambda:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Чистый кварцевый стекломатериал обладает чрезвычайно высокой точностью термоупругой регенерации в пределах упругости, поэтому собственный материальный гистерезис чистой голой решетки чрезвычайно мал. Волновой гистерезис, проявляющийся при испытаниях на нагрев и охлаждение, в основном вызван следующими четырьмя физическими и инженерными механизмами упаковки:
1. Вязкоупругая ползучесть клеевого слоя структурной упаковки (наиболее распространенная основная причина)
Если в процессе изготовления датчика для фиксации решетки или заполнения корпуса использовались полимерные материалы (например, эпоксидная смола, силикон и т. д.):
- Полимерные материалы обладают типичной вязкоупругостью (Viscoelasticity). В процессе нагрева клеевой слой расширяется, создавая микронапряжения; при охлаждении и сжатии восстановление молекулярных цепей требует времени релаксации, и они не могут мгновенно полностью восстановить исходную форму.
- Релаксация деформации и микроползучесть клеевого слоя передаются на оптическое волокно через межфазное сдвиговое усилие, что приводит к тому, что остаточные осевые микронапряжения, испытываемые сердцевиной волокна при охлаждении, отличаются от тех, что испытываются при нагреве, вызывая несоответствие длины волны при одинаковой температуре.
2. Гистерезис остаточных напряжений, вызванный несоответствием коэффициентов теплового расширения (CTE)
- Коэффициент теплового расширения кварцевого оптического волокна чрезвычайно низок (около 0,5 \times 10^{-6}\ /\text{K} ), в то время как коэффициент теплового расширения внешнего металлического защитного кожуха (например, нержавеющей стали — около 16 \times 10^{-6}\ /\text{K} ) намного выше, чем у оптического волокна.
- Во время термического цикла в широком температурном диапазоне микроскользящее движение на границе раздела разнородных материалов и неравномерное высвобождение микродеформаций при нагреве и охлаждении структурных компонентов приводят к явлениям механического гистерезиса.
3. «Динамический термический гистерезис», вызванный постоянной времени теплопередачи (фактор метода измерения)
- Существуют термическое сопротивление и теплоемкость между защитным кожухом датчика, внутренней заполняющей средой и сердцевиной волокна, которые составляют фиксированную постоянную времени теплового отклика ( \tau ).
- Если скорость нагрева или охлаждения относительно высока, и недостаточно времени для достижения полной тепловой равновесности сердцевины датчика:
- Процесс нагрева: фактическая температура сердцевины отстает от установленного значения внешней среды (сердцевина холоднее, длина волны короче);
- Процесс охлаждения: сердцевина отстает в рассеивании тепла от установленного значения внешней среды (сердцевина теплее, длина волны длиннее).
В этом случае, даже если температура, отображаемая термостатом, одинакова, фактическая температура внутри сердцевины в прямом и обратном ходе имеет небольшую разницу температур, что приводит к отклонению длины волны.
4. Микроскопическое старение и перестройка покрытия оптического волокна
- Если на измерительном участке волоконно-оптической решетки сохраняется оригинальное акрилатное покрытие, при рабочей температуре, превышающей температуру стеклования покрытия, или при длительном воздействии тепла, материал покрытия может подвергаться микроскопическому пластическому деформированию и перестройке остаточных напряжений, вызывая необратимое или медленно восстанавливающееся микросмещение длины волны.
Как уменьшить или устранить эффект гистерезиса
- Полностью продлить время изотермической выдержки：При калибровке или точных измерениях время изотермической выдержки в каждой тестовой точке должно быть в несколько раз больше постоянной времени датчика (обычно \ge 5\tau ) для обеспечения устранения переходного термического гистерезиса.
- Полный термический предварительный цикл и отжиг：Перед использованием новые датчики должны пройти многократные циклические тепловые воздействия в полном диапазоне температур для снятия остаточных напряжений внутри упаковочной структуры.
- Использование полностью бесшовной металлической конструкции с низким ползучестью：Избегайте использования легко ползучих полимерных клеев в зоне чувствительности к температуре. Например, датчик температуры волоконно-оптической решетки Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, который использует запатентованную технологию бесшовной механической упаковки в стальной трубе, с полным металлическим микрокорпусом и конструкцией, развязанной от физических напряжений, может в максимальной степени подавить гистерезис деформации, вызванный релаксацией вязкоупругости клеевого слоя, и повысить повторяемость термического цикла.
