Как программное обеспечение автоматически преобразует «нанометры» в «градусы Цельсия» или «микродеформации»?
Программное обеспечение для демодуляции волоконно-оптических решеток (ВОЛС) преобразует “длину волны (нм или пм)” в “температуру (°C)” или “микродеформацию (με)” в спектре, причем основной вычислительный процесс основан на принципах физики оптических датчиков и алгоритме полиномиальной калибровки, выполняемой на заводе.
Весь процесс автоматического преобразования состоит из следующих основных шагов:
I. Физический механизм и извлечение смещения длины волны
Центральная длина волны отражения волоконно-оптической решетки (длина волны Брэгга) удовлетворяет условию Брэгга:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
где n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, а \Lambda — период решетки.
При изменении внешних физических величин:
- Изменение температуры: Приводит к смещению длины волны отражения из-за термооптического эффекта ( n_{\text{eff}} изменяется с температурой) и эффекта теплового расширения ( \Lambda расширяется с температурой).
- Напряжение/Деформация: Приводит к смещению длины волны отражения из-за упругооптического эффекта ( n_{\text{eff}} изменяется с напряжением) и механического растяжения/сжатия ( \Lambda изменяется).
Демодулятор сначала использует алгоритм поиска пика (например, метод подгонки Гаусса, метод центра масс) для в реальном времени определения пиковой длины волны \lambda текущей решетки и вычисления величины смещения длины волны относительно эталонного начального состояния \lambda_0:
\Delta \lambda = \lambda - \lambda_0
II. Формулы калибровки и преобразования в программном обеспечении
Программное обеспечение для демодуляции не выполняет слепых преобразований, а вместо этого подставляет значения в формулы, используя характеристические коэффициенты, откалиброванные для каждого датчика во время заводских испытаний:
1. Преобразование деформации (обычно линейная формула первого порядка)
Для датчиков деформации на основе волоконно-оптических решеток в пределах упругой деформации существует высокая линейная зависимость между смещением длины волны и деформацией. Формула калибровки обычно выражается следующим образом:
\varepsilon = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \lambda + \varepsilon_0
- \varepsilon : Рассчитанное значение микродеформации (με).
- K_{\varepsilon} : Калибровочный коэффициент чувствительности к деформации (обычно в единицах με/пм или με/нм). Чувствительность стандартной голой решетки из одномодового волокна обычно составляет около 1,2 \ \text{пм/με} (то есть коэффициент около 0,833 \ \text{με/пм} ). Различные конструкции корпуса (например, корпус из стальной трубки, корпус тензодатчика) будут иметь разные специфические коэффициенты.
2. Преобразование температуры (линейная формула первого порядка или квадратичная полиномиальная формула)
- Узкий температурный диапазон / Нормальный диапазон температур : Можно использовать линейную формулу первого порядка:T = K_T \cdot \Delta \lambda + T_0Чувствительность голой волоконно-оптической решетки к температуре составляет около 10 \ \text{пм}/^\circ\text{C} ; датчики температуры с металлическим корпусом, благодаря эффекту усиления теплового расширения корпуса, обычно имеют чувствительность около 30 \ \text{пм}/^\circ\text{C} \sim 40 \ \text{пм}/^\circ\text{C} .
- Широкий температурный диапазон или диапазон высоких температур : Поскольку термооптический коэффициент и коэффициент теплового расширения не являются постоянными константами в широком диапазоне температур, для обеспечения точности измерений обычно используется квадратичный полином (формула калибровки второго порядка):T = C_2 \cdot (\Delta \lambda)^2 + C_1 \cdot \Delta \lambda + C_0Программное обеспечение в реальном времени рассчитывает значение температуры, подставляя коэффициенты C_2 , C_1 , C_0 , предоставленные при заводской калибровке.
III. Перекрестная чувствительность и алгоритм температурной компенсации
При измерении реальной деформации решетка одновременно подвергается воздействию деформации и температуры (перекрестная чувствительность):
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_{\varepsilon} + \Delta \lambda_{T}
Для автоматического расчета истинной “чистой деформации” усовершенствованное программное обеспечение для демодуляции использует модуль температурной компенсации:
- Вводится эталонный датчик температуры на основе волоконно-оптической решетки без нагрузки в той же среде для измерения в реальном времени смещения длины волны \Delta \lambda_T , вызванного окружающей средой.
- Программное обеспечение вычитает смещение длины волны от температуры из общего смещения: \Delta \lambda_{\varepsilon} = \Delta \lambda_{\text{total}} - \Delta \lambda_T .
- Полученное чистое смещение длины волны деформации \Delta \lambda_{\varepsilon} подставляется в полином калибровки деформации, что позволяет получить истинную микродеформацию (με) после устранения температурного воздействия.
Резюме
Суть автоматического преобразования программного обеспечения заключается в следующем: поиск пика спектра в реальном времени для получения длины волны → расчет смещения длины волны \Delta \lambda → вызов калибровочных коэффициентов датчика и полиномов аппроксимации, настроенных для соответствующего канала → вывод инженерных физических величин ( °C , με , мм и т. д.) в реальном времени.