Warum sind einige Raster temperaturempfindlich und andere druckempfindlich?
Dies ist eine klassische Frage zum Funktionsprinzip und zur technischen Anwendung von Faser-Bragg-Gittern (FBGs).
Im Wesentlichen sind blanke Faser-Bragg-Gitter (Bare FBG) von Natur aus empfindlich gegenüber Temperatur und mechanischer Dehnung (und damit auch Druck, Zug usw.). Der Grund, warum wir in der Praxis sehen, dass „manche Gitter temperaturempfindlich und andere druckempfindlich sind“, liegt an der Konstruktion des Sensor-Gehäuses (Packaging Design) und dem Dehnungsübertragungsmechanismus (Strain Transfer Mechanism).
Nachfolgend eine professionelle Analyse aus zwei Perspektiven: physikalische Formeln und Gehäusekonstruktion:
I. Physikalische Mechanismen und Wellenlängenverschiebungsformel
Die zentrale Reflexionswellenlänge \lambda_B eines Faser-Bragg-Gitters wird durch die folgende Grundformel bestimmt:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Hierbei ist n_{eff} der effektive Brechungsindex der Faser und \Lambda der Gitterabstand (Periode). Jede physikalische Ursache, die diese beiden Variablen verändert, führt zu einer Verschiebung der Reflexionswellenlänge \lambda_B .
1. Reaktionsmechanismus auf Temperaturänderungen
Wenn sich die Temperatur ändert ( \Delta T ), wird die Wellenlängenänderung durch folgende Formel ausgedrückt:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( \alpha + \xi ) \Delta T
- ** \alpha (Wärmeausdehnungskoeffizient)**: Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich das Fasermaterial thermisch aus und zieht sich zusammen, wodurch sich der Gitterabstand \Lambda ändert.
- ** \xi (Thermooptischer Koeffizient)**: Temperaturänderungen verursachen Änderungen im Brechungsindex n_{eff} des Quarzmaterials der Faser. Bei gewöhnlichen Quarzfasern ist der thermooptische Koeffizient für den größten Teil der Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge verantwortlich (über 90%).
2. Reaktionsmechanismus auf Dehnung und Druckänderungen
Wenn das Faser-Bragg-Gitter einer axialen Dehnung ( \epsilon ) oder einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, wird die Wellenlängenänderung durch folgende Formel ausgedrückt:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( 1 - p_e ) \epsilon
- ** \epsilon (Axiale Dehnung)**: Physikalische Dehnung führt direkt zur physischen Verlängerung des Gitterabstands \Lambda .
- ** p_e (Elastooptischer Koeffizient)**: Unter Krafteinwirkung erfährt die Faser einen photoelastischen Effekt, der zu einer Änderung ihres Brechungsindex n_{eff} führt.
II. Warum sind manche temperaturempfindlich und manche druckempfindlich? (Das Geheimnis der Gehäusekonstruktion)
Da blanke Faser-Bragg-Gitter sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung empfindlich reagieren (d. h. es besteht ein Kreuzempfindlichkeits-Problem), ist es bei direkter Messung unmöglich zu unterscheiden, ob eine Wellenlängenänderung durch eine Temperaturänderung oder eine Krafteinwirkung verursacht wurde. Daher ist es notwendig, diese beiden durch Gehäusetechniken zu „entkoppeln“ oder „selektiv zu verstärken“.
1. Warum sind manche „nur temperaturempfindlich“?
Damit der Sensor nur auf Temperatur reagiert und von jeglicher äußerer Krafteinwirkung (Dehnung, Druck) unbeeinflusst bleibt, wird bei der Sensorverkapselung ein spannungsfreies Gehäuse-Design (Strain-Free Packaging) verwendet.
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Prinzip der Gehäusekonstruktion: Das Faser-Bragg-Gitter wird in einem Schutzrohr platziert, wobei das Gitter selbst frei gleitet (unbehindert) und seine Enden nicht starr mit dem äußeren Rohr verbunden sind.
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Effekt: Wenn die äußere Struktur gestreckt, gebogen oder unter Druck gesetzt wird, wird die Verformung vollständig vom starren Schutzgehäuse aufgenommen und nicht auf das innere Gitter übertragen. Das innere Gitter erfährt nur eine freie Wärmeausdehnung und eine Änderung des Brechungsindex aufgrund der Wärmeübertragung aus der Umgebung, wodurch es zu einem reinen Temperatursensor wird.
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OFSCN® Offizielle Produktübereinstimmung: Die hochpräzisen Temperatursensoren wie der OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor und der OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor , die von Dacheng Yongsheng entwickelt wurden, erzielen eine reine Temperaturempfindlichkeit durch ein einlagiges, nahtloses Stahlrohr-Nesting-Verfahren ohne Spannungen, wodurch Interferenzen mit Dehnungssignalen bei der Temperaturmessung vermieden werden.
2. Warum sind manche „druck- oder dehnungsempfindlich“?
Damit der Sensor hoch empfindlich auf Druck, Spannung oder Dehnung reagiert, muss bei der Verkapselung ein starr gekoppeltes Gehäuse-Design (Rigid-Coupled Packaging) angewendet werden.
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Prinzip der Gehäusekonstruktion: Die Enden oder der gesamte Abschnitt des Faser-Bragg-Gitters werden mittels hochfester Klebstoffe, metallischer Schweißverfahren oder mechanischer Klemmen fest auf einem elastischen, empfindlichen Substrat (wie ein elastisches Legierungsrohr, eine Membran, Hartmetall oder ein Polymer) befestigt.
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Effekt: Wenn das empfindliche Substrat externer Spannung, Dehnung oder Oberflächenbelastung ausgesetzt wird, wird die vom Substrat erzeugte winzige Dehnung direkt und verlustfrei auf das Faser-Bragg-Gitter übertragen, wodurch dessen Periode \Lambda gedehnt oder gestaucht wird und es eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Signalen aufweist.
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OFSCN® Offizielle Produktübereinstimmung:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor: Verwendet ein hochfestes Legierungsrohr für die Gehäusekonstruktion, um den inneren Druck und die Spannung des Materials in eine Dehnung des Gitters für eine präzise Kalibrierung umzuwandeln.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensor: Nutzt ein Hartmetallsubstrat mit drei Faser-Bragg-Gitter-Messabschnitten, die in einem 120-Grad-Kreis angeordnet sind, um mehrdimensionale Drücke effizient auf die Gitter zu übertragen. Wird häufig zur Messung von mehrachsigen Drücken auf Festkörperoberflächen und für medizinische Punktionskräfte eingesetzt.
III. Temperaturkompensation von Drucksensoren
Da die für Druck/Dehnung empfindlichen Gitter gleichzeitig mit der Krafteinwirkung durch die Temperatur eine Wellenlängenverschiebung ihres Siliziumdioxids erfahren, ist bei der tatsächlichen mechanischen Messung eine Temperaturkompensation (Temperature Compensation) erforderlich.
Bei praktischen technischen Anwendungen wird normalerweise ein Faser-Bragg-Temperatursensor in einer spannungsfreien Position (gleitende Position) innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des mechanischen Sensors platziert (z. B. ein externer OFSCN® Fiber Bragg Grating Temperature Sensor). Bei der Demodulation der Daten:
\Delta \lambda_{measured} = \Delta \lambda_{strain} + \Delta \lambda_{temp}
Durch Subtrahieren der Verschiebung des Temperaturkompensationssensors von der Gesamtwellenlängenänderung können Störungen durch temperaturinduzierte Scheinverformungen eliminiert und exakte Druck- oder Dehnungswerte erzielt werden.