Como o software converte automaticamente “nanômetros” para “graus Celsius” ou “microstrain”?
O software de demodulação de grade de fibra (FBG) converte “comprimento de onda (nanômetros \text{nm} ou picômetros \text{pm} )” em “temperatura (^\circ\text{C} )” ou “microdeformação ( \mu\varepsilon )” no espectro, cujo fluxo de cálculo central é construído sobre os princípios físicos de sensoriamento óptico e o algoritmo polinomial de calibração de fábrica.
Todo o processo de conversão automática é dividido principalmente nas seguintes etapas:
I. Mecanismo Físico e Extração de Deslocamento de Comprimento de Onda
O comprimento de onda central de reflexão da grade de fibra (comprimento de onda de Bragg) satisfaz a condição de Bragg:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Onde n_{\text{eff}} é o índice de refração efetivo do núcleo da fibra e \Lambda é o período da grade.
Quando grandezas físicas externas mudam:
- Mudança de temperatura: Devido ao efeito termo-óptico ( n_{\text{eff}} varia com a temperatura) e ao efeito de expansão térmica ( \Lambda expande com a temperatura), o deslocamento do comprimento de onda de reflexão é provocado.
- Deformação/Tensão: Devido ao efeito fotoelástico ( n_{\text{eff}} varia com a deformação) e à tensão/compressão mecânica ( \Lambda muda), o deslocamento do comprimento de onda de reflexão é provocado.
O demodulador primeiro identifica o comprimento de onda de pico atual da grade em tempo real por meio de um algoritmo de detecção de pico (como ajuste Gaussiano, método do centroide) e calcula a quantidade de deslocamento do comprimento de onda em relação ao estado inicial de referência \lambda_0 :
\Delta \lambda = \lambda - \lambda_0
II. Fórmula de Conversão de Calibração no Software
O software de demodulação não converte cegamente, mas substitui a função de acordo com os coeficientes característicos calibrados para cada sensor na fábrica:
1. Conversão de Deformação (geralmente fórmula linear de primeira ordem)
Para sensores de deformação de grade de fibra, na faixa de deformação elástica, o deslocamento do comprimento de onda tem alta linearidade com a deformação. A fórmula de calibração é geralmente expressa como:
\varepsilon = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \lambda + \varepsilon_0
- \varepsilon : Valor de microdeformação calculado ( \mu\varepsilon ).
- K_{\varepsilon} : Coeficiente de calibração de sensibilidade à deformação (a unidade é geralmente \mu\varepsilon/\text{pm} ou \mu\varepsilon/\text{nm} ). A sensibilidade de uma grade de fibra monomodo nua padrão é geralmente de cerca de 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon (ou seja, o coeficiente é de cerca de 0.833\ \mu\varepsilon/\text{pm} ), e diferentes estruturas de encapsulamento (como encapsulamento em tubo de aço, encapsulamento de extensômetro) terão coeficientes específicos diferentes.
2. Conversão de Temperatura (fórmula linear de primeira ordem ou polinomial de segunda ordem)
- Faixa de temperatura estreita/faixa de temperatura ambiente: Uma fórmula linear de primeira ordem pode ser usada:T = K_T \cdot \Delta \lambda + T_0A sensibilidade à temperatura de uma grade de fibra nua é de cerca de 10\ \text{pm}/^\circ\text{C} ; sensores de temperatura encapsulados em metal, devido ao efeito de amplificação de expansão térmica do material de encapsulamento, geralmente podem atingir sensibilidades de cerca de 30\ \text{pm}/^\circ\text{C} \sim 40\ \text{pm}/^\circ\text{C} .
- Faixa de temperatura ampla ou faixa de alta temperatura: Como o coeficiente termo-óptico e o coeficiente de expansão térmica não são constantes em uma ampla faixa de temperatura, um polinômio de segunda ordem (fórmula de calibração binomial) é geralmente usado para garantir a precisão da medição:T = C_2 \cdot (\Delta \lambda)^2 + C_1 \cdot \Delta \lambda + C_0O software calcula diretamente o valor de temperatura em tempo real, substituindo os coeficientes C_2 , C_1 , C_0 fornecidos na calibração de fábrica.
III. Sensibilidade Cruzada e Algoritmo de Compensação de Temperatura
Na medição real de deformação, a grade é afetada simultaneamente por deformação e temperatura (sensibilidade cruzada):
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_{\varepsilon} + \Delta \lambda_{T}
Para calcular automaticamente a “deformação pura” real, o software de demodulação avançado usa um módulo de compensação de temperatura:
- Introduz um sensor de temperatura de grade de fibra de referência sem tensão no mesmo ambiente para medir em tempo real o deslocamento do comprimento de onda causado pelo ambiente, \Delta \lambda_T .
- O software subtrai o deslocamento de temperatura do deslocamento total: \Delta \lambda_{\varepsilon} = \Delta \lambda_{\text{total}} - \Delta \lambda_T .
- O deslocamento de deformação líquido \Delta \lambda_{\varepsilon} é substituído no polinômio de calibração de deformação para, assim, emitir a microdeformação real ( \mu\varepsilon ) após a eliminação da interferência de temperatura.
Resumo
A essência da conversão automática do software é: detecção de pico espectral em tempo real para obter o comprimento de onda \rightarrow cálculo do deslocamento do comprimento de onda \Delta \lambda \rightarrow chamada dos coeficientes de calibração do sensor e do polinômio de ajuste configurados no canal correspondente \rightarrow saída em tempo real da grandeza física de engenharia ( ^\circ\text{C} , \mu\varepsilon , \text{mm} , etc.).