Was ist die „Umrechnung von Wellenlänge in physikalische Größe“?

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Wie wandelt die Software „Nanometer“ automatisch in „Grad Celsius“ oder „Mikro-Dehnung“ um?

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Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Demodulationssoftware wandelt „Wellenlänge (Nanometer \text{nm} oder Pikometer \text{pm} )“ im Spektrum in „Temperatur (^\circ\text{C} )“ oder „Mikrodehnung (\mu\varepsilon )“ um. Der Kernberechnungsprozess basiert auf den physikalischen Prinzipien der optischen Sensorik und den werksseitig kalibrierten Polynomalgorithmen.

Der gesamte automatische Umwandlungsprozess umfasst hauptsächlich die folgenden Schritte:

I. Physikalische Mechanismen und Wellenlängen-Drift-Extraktion

Die zentrale Reflektionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters (Bragg-Wellenlänge) erfüllt die Bragg-Bedingung:

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

Hierbei ist n_{\text{eff}} der effektive Brechungsindex des Glasfaserkerns und \Lambda die Gitterperiode.

Wenn sich externe physikalische Größen ändern:

  • Temperaturänderung: Verursacht eine Verschiebung der Reflektionswellenlänge aufgrund des thermisch-optischen Effekts ( n_{\text{eff}} ändert sich mit der Temperatur) und des thermischen Ausdehnungseffekts ( \Lambda dehnt sich mit der Temperatur aus).
  • Dehnung/Verformung: Verursacht eine Verschiebung der Reflektionswellenlänge aufgrund des photoelastischen Effekts ( n_{\text{eff}} ändert sich mit der Dehnung) und der mechanischen Dehnung/Kompression ( \Lambda ändert sich).

Der Demodulator identifiziert zunächst in Echtzeit die Spitzenwellenlänge \lambda des aktuellen Gitters mithilfe von Peak-Erkennungsalgorithmen (wie Gauß-Anpassung, Schwerpunktmethode) und berechnet die Wellenlängen-Driftmenge relativ zum Referenz-Ausgangszustand \lambda_0 :

\Delta \lambda = \lambda - \lambda_0

II. Kalibrierungs-Umrechnungsformeln in der Software

Die Demodulationssoftware rechnet nicht blindlings um, sondern verwendet die vom Werk für jeden Sensor kalibrierten charakteristischen Koeffizienten für die Funktionseingabe:

1. Dehnungs-Umrechnung (oft lineare Formel erster Ordnung)

Für Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren besteht im Bereich der elastischen Verformung eine sehr hohe Linearität zwischen der Wellenlängen-Driftmenge und der Dehnung. Die Kalibrierungsformel wird üblicherweise dargestellt als:

\varepsilon = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \lambda + \varepsilon_0
  • \varepsilon: Der berechnete Mikrodehnungswert (\mu\varepsilon).
  • K_{\varepsilon}: Der Kalibrierungskoeffizient für die Dehnungsempfindlichkeit (die Einheit ist normalerweise \mu\varepsilon/\text{pm} oder \mu\varepsilon/\text{nm}). Die Empfindlichkeit von Standard-Naked-Singlemode-Fasergittern beträgt normalerweise etwa 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon (d.h. der Koeffizient beträgt etwa 0.833\ \mu\varepsilon/\text{pm}). Unterschiedliche Gehäuse (z. B. Stahlrohrgehäuse, Dehnungsmessstreifen-Gehäuse) haben spezifische Koeffizienten.

2. Temperatur-Umrechnung (lineare Formel erster Ordnung oder quadratische Polynomformel)

  • Enger Temperaturbereich/Normaltemperaturbereich: Eine lineare Formel erster Ordnung kann verwendet werden:
    T = K_T \cdot \Delta \lambda + T_0
    Die Temperatur-Empfindlichkeit von nackten Fasergittern beträgt etwa 10\ \text{pm}/^\circ\text{C}; Temperaturfühler mit Metallgehäuse erreichen aufgrund des zusätzlichen thermischen Ausdehnungseffekts des Gehäusematerials typischerweise Empfindlichkeiten von etwa 30\ \text{pm}/^\circ\text{C} \sim 40\ \text{pm}/^\circ\text{C}.
  • Weiter Temperaturbereich oder hoher Temperaturbereich: Da der thermisch-optische Koeffizient und der Wärmeausdehnungskoeffizient über einen weiten Temperaturbereich keine konstanten Werte sind, wird üblicherweise ein quadratisches Polynom (zwei-gliedrige Kalibrierungsformel) verwendet, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten:
    T = C_2 \cdot (\Delta \lambda)^2 + C_1 \cdot \Delta \lambda + C_0
    Die Software berechnet den Temperaturwert in Echtzeit direkt durch Einsetzen der vom Werk kalibrierten Koeffizienten C_2, C_1 und C_0.

III. Kreuzempfindlichkeit und Temperaturkompensationsalgorithmen

Bei der tatsächlichen Dehnungsmessung wird das Gitter gleichzeitig von Dehnung und Temperatur beeinflusst (Kreuzempfindlichkeit):

\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_{\varepsilon} + \Delta \lambda_{T}

Um automatisch die tatsächliche „reine Dehnung“ zu berechnen, verwenden fortschrittliche Demodulationssoftware Temperaturkompensationsmodule:

  1. Ein spannungsfreier Referenz-Fasergitter-Temperatursensor in der gleichen Umgebung wird hinzugefügt, um die Wellenlängen-Driftmenge \Delta \lambda_T aufgrund der Umgebungsbedingungen in Echtzeit zu messen.
  2. Die Software zieht die Temperatur-Drift von der gesamten Driftmenge ab: \Delta \lambda_{\varepsilon} = \Delta \lambda_{\text{total}} - \Delta \lambda_T .
  3. Die Netto-Dehnungs-Driftmenge \Delta \lambda_{\varepsilon} wird in das Dehnungs-Kalibrierungs-Polynom eingesetzt, um die tatsächliche Mikrodehnung (\mu\varepsilon) nach Beseitigung der Temperatureinflüsse auszugeben.

Zusammenfassung

Die Essenz der automatischen Umwandlung durch die Software ist: Echtzeit-Spektral-Peak-Erkennung zur Erfassung der Wellenlänge \rightarrow Berechnung der Wellenlängen-Drift \Delta \lambda \rightarrow Aufruf der konfigurierten Kalibrierungskoeffizienten und Anpassungspolynome des Sensors im entsprechenden Kanal \rightarrow Ausgabe des technischen physikalischen Werts ( ^\circ\text{C} , \mu\varepsilon , \text{mm} usw.) in Echtzeit.