“¿Cómo convierte el software automáticamente ‘nanómetros’ en ‘grados Celsius’ o ‘microdeformación’?”
El software de demodulación de galgas de fibra (FBG) convierte la “longitud de onda (nanómetros \text{nm} o picómetros \text{pm} )” en el espectro a “temperatura (^\circ\text{C} )” o “microdeformación ( \mu\varepsilon )”, cuyo flujo de cálculo principal se basa en los principios físicos de detección óptica y el algoritmo de calibración polinomial de fábrica.
Todo el proceso de conversión automática se divide principalmente en los siguientes pasos:
I. Mecanismo Físico y Extracción del Desplazamiento de Longitud de Onda
La longitud de onda central de reflexión de la galga de fibra (longitud de onda de Bragg) satisface la condición de Bragg:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Donde n_{\text{eff}} es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra y \Lambda es el período de la galga.
Cuando las cantidades físicas externas cambian:
- Cambio de temperatura: debido al efecto termoóptico ( n_{\text{eff}} cambia con la temperatura) y al efecto de expansión térmica ( \Lambda se expande con la temperatura), se produce un desplazamiento de la longitud de onda de reflexión.
- Deformación/Tensión: debido al efecto fotoelástico ( n_{\text{eff}} cambia con la deformación) y al estiramiento/compresión mecánica ( \Lambda cambia), se produce un desplazamiento de la longitud de onda de}n_{\text{eff}} de la fibra y \Lambda es el período de la galga.
Cuando las cantidades físicas externas cambian:
- Cambio de temperatura: debido al efecto termoóptico ( n_{\text{eff}} cambia con la temperatura) y al efecto de expansión térmica ( \Lambda se expande con la temperatura), se produce un desplazamiento de la longitud de onda de reflexión.
- Deformación/Tensión: debido al efecto fotoelástico ( n_{\text{eff}} cambia con la deformación) y al estiramiento/compresión mecánica ( \Lambda cambia), se produce un desplazamiento de la longitud de onda de reflexión.
El demodulador primero identifica la longitud de onda del pico actual de la galga en tiempo real mediante algoritmos de búsqueda de picos (como ajuste gaussiano, método del centroide) \lambda, y calcula el desplazamiento de la longitud de onda con respecto al estado inicial de referencia \lambda_0 :
\Delta \lambda = \lambda - \lambda_0
II. Fórmula de Conversión de Calibración en el Software
El software de demodulación no realiza un cálculo ciego, sino que sustituye la función basándose en los coeficientes característicos calibrados de cada sensor en fábrica:
1. Conversión de Deformación (Generalmente una fórmula lineal simple)
Para los sensores de deformación de galgas de fibra, dentro del rango de deformación elástica, el desplazamiento de la longitud de onda tiene una linealidad extremadamente alta con la deformación. La fórmula de calibración generalmente se expresa como:
\varepsilon = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \lambda + \varepsilon_0
- \varepsilon: Valor de microdeformación calculado ( \mu\varepsilon ).
- K_{\varepsilon}: Coeficiente de calibración de sensibilidad a la deformación (la unidad suele ser \mu\varepsilon/\text{pm} o \mu\varepsilon/\text{nm}). La sensibilidad de una galga de fibra óptica monomodo desnuda estándar suele ser de aproximadamente 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon (es decir, el coeficiente es aproximadamente 0.833\ \mu\varepsilon/\text{pm} ); diferentes estructuras de encapsulación (como encapsulación en tubo de acero, encapsulación de extensómetro) tendrán coeficientes específicos diferentes.
2. Conversión de Temperatura (Fórmula lineal simple o polinomial cuadrática)
- Rango de temperatura estrecho/temperatura ambiente: Se puede utilizar una fórmula lineal de primer orden:T = K_T \cdot \Delta \lambda + T_0La sensibilidad a la temperatura de una galga de fibra desnuda es de aproximadamente 10\ \text{pm}/^\circ\text{C}; los sensores de temperatura encapsulados en metal, debido al efecto de aumento de sensibilidad de la expansión térmica del material de encapsulación, la sensibilidad puede alcanzar típicamente alrededor de 30\ \text{pm}/^\circ\text{C} \sim 40\ \text{pm}/^\circ\text{C}.
- Rango de temperatura amplio o rango de alta temperatura: Dado que los coeficientes termoópticos y los coeficientes de expansión térmica no son constantes en un amplio rango de temperaturas, generalmente se utiliza un polinomio de segundo orden (fórmula de calibración binomial) para garantizar la precisión de la medición:T = C_2 \cdot (\Delta \lambda)^2 + C_1 \cdot \Delta \lambda + C_0El software calcula directamente el valor de temperatura en tiempo real sustituyendo los coeficientes C_2 , C_1 , C_0 dados por la calibración de fábrica.
III. Sensibilidad Cruzada y Algoritmo de Compensación de Temperatura
En la medición de deformación real, la galga se ve afectada simultáneamente por la deformación y la temperatura (sensibilidad cruzada):
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_{\varepsilon} + \Delta \lambda_{T}
Para calcular automáticamente la “deformación pura” real, el software de demodulación avanzado utiliza un módulo de compensación de temperatura:
- Se introduce un sensor de temperatura de galga de fibra de referencia sin tensión en el mismo entorno, para medir en tiempo real el desplazamiento de la longitud de onda \Delta \lambda_T causado por el entorno.
- El software resta el desplazamiento de temperatura del desplazamiento total: \Delta \lambda_{\varepsilon} = \Delta \lambda_{\text{total}} - \Delta \lambda_T .
- El desplazamiento de deformación neto \Delta \lambda_{\varepsilon} se sustituye en el polinomio de calibración de deformación, para obtener la microdeformación real ( \mu\varepsilon ) después de eliminar la interferencia de la temperatura.
Resumen
La esencia de la conversión automática del software es: búsqueda de picos espectrales en tiempo real para obtener la longitud de onda \rightarrow cálculo del desplazamiento de la longitud de onda \Delta \lambda \rightarrow llamada a los coeficientes de calibración del sensor y polinomio de ajuste configurados en el canal correspondiente \rightarrow salida en tiempo real de cantidades físicas de ingeniería ( ^\circ\text{C} , \mu\varepsilon , \text{mm} , etc.).