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FRWarum drift ein FBG-Sensor nach Temperatur kompensation noch?
Warum drift ein FBG-Sensor nach Temperatur kompensation noch?
Verständnis der Quellen des langfristigen FBG-Wellenlängen drifts
FBG-Sensoren (Fiber Bragg Grating) werden häufig zur Überwachung von Dehnung, Temperatur, Druck, Vibration und strukturellem Gesundheits zustand verwendet. Ihre hohe Empfindlichkeit und Immunität gegen elektro magnetische Störungen machen sie attraktiv für Langzeit messungen in anspruchs vollen Umgebungen.
Ingenieure stoßen jedoch manchmal auf ein unerwartetes Problem:Ein FBG-Sensor kann auch nach Anwendung einer Temperatur kompensation noch eine signifikante Wellenlängen drift zeigen.
Beispiels weise kann ein FBG-Sensor zunächst kalibriert werden und dann eine Wellenlängen verschiebung von etwa zeigen30 Uhr einige Monate später. Wenn eine Temperatur kompensation bereits umgesetzt wurde, woher kommt dann die verbleibende Drift?
Die Antwort ist, dass eine langfristige FBG-Drift normaler weise nicht durch einen einzigen Faktor verursacht wird. Es kann aus den kombinierten Effekten von resultierenFBG-Alterung, Faser kriechen und Drift innerhalb des optischen Abfrage systems. Die Temperatur kompensation behebt nur einen Teil des Problems.
1. Warum treibt die Bragg-Wellenlänge?
Die Bragg-Wellenlänge einer FBG wird haupt sächlich durch die Gitter periode und den effektiven Brechung index der Faser bestimmt:
ΛB = 2neffL
Wo:
ΛBIst die Bragg-Wellenlänge
NeffIst der effektive Brechung index
ΔIst die Gitter periode
Jeder Faktor, der den effektiven Brechung index oder die Gitter periode ändert, kann daher dazu führen, dass sich die Bragg-Wellenlänge verschiebt. Temperatur und mechanische Dehnung sind zwei der wichtigsten Faktoren.
Die Wellenlängen antwort kann ungefähr ausgedrückt werden als:
D / λ = (1 − pe)e
Wo:
PfeilIst der effektive photo elastische Koeffizient
eIst Belastung
ΑSteht für den Wärme ausdehnung koeffizienten
xSteht für den thermo optischen Koeffizienten
DTIst die Temperatur änderung
Für eine typische FBG, die um 1550 nm arbeitet, kann eine Temperatur änderung von 1 °C zu einer Wellenlängen verschiebung von ca.10-13 Uhr. Diese Temperature mpfindlichkeit ist für die FBG-Erfassung von grundlegender Bedeutung, trägt jedoch auch zu den wichtigsten Faktoren für die Wellenlängen variation bei praktischen Messungen bei.
2. Drei Hauptquellen der langfristigen FBG-Drift
Wenn ein FBG-Sensor über Monate oder Jahre verwendet wird, kann seine gemessene Wellenlänge durch mehrere Mechanismen beeinflusst werden.
| Quelle | Typische Drift stufe * | Mögliche Minderung |
|---|---|---|
| FBG Stress Entspannung/Alterung | 5-30 Uhr über 3-6 Monate | Vor alterung/thermisches Glühen |
| Faser kriechen | 0, 1-1 Uhr/Jahr | Metall beschichtete Fasern wie Aluminium-oder Gold beschichtung |
| Inter rogator Lichtquellen drift | 1-17 Uhr | Periodische Wellenlängen kalibrierung |
* Die obigen Werte sind die typischen Zahlen im Ausgangs material und sollten eher als technische Referenzwerte als als universelle Spezifikationen betrachtet werden.
Schauen wir uns jede Quelle genauer an.
2.1 FBG Stress Entspannung und Altern
Eine potenzielle Quelle für eine langfristige Wellenlängen drift istStress entspannung innerhalb der FBG-Struktur.
Nach der Herstellung und Installation können das Gitter und die umgebende Faser einer allmählichen mechanischen Entspannung unterzogen werden. Dieser Prozess kann dazu führen, dass sich die gemessene Bragg-Wellenlänge im Laufe der Zeit ändert, selbst wenn die äußeren Umgebungs bedingungen stabil zu bleiben scheinen.
Das Quell material schätzt eine Drift von ungefähr5-30 Uhr über 3-6 MonateUnd ident ifi ziertVor alterung oder thermisches GlühenAls mögliche Minderung methode.
Für Anwendungen, die Langzeit stabilität erfordern, ist es daher wichtig, nicht nur die anfängliche Kalibrierung genauigkeit eines FBG-Sensors zu berücksichtigen, sondern auch das Verhalten des Sensors nach längerem Betrieb.
2.2 Faser kriechen
Eine weitere Quelle für langfristige Drift istFaser kriechen.
Wenn ein FBG-Sensor dauerhaft an einer Struktur befestigt ist, kann sich der mechanische Zustand der Faser allmählich ändern. Über lange Zeiträume kann dies zu einer kleinen, aber messbaren Änderung der Bragg-Wellenlänge führen.
Das Ausgangs material zitiert einen typischen Faser-Kriech-Beitrag von ungefähr0, 1-1 Uhr/JahrUnd schlägt metall beschichtete Fasern wie Aluminium-oder gold beschichtete Fasern als einen möglichen Ansatz zur Verringerung dieses Effekts vor.
Obwohl die mit dem Faser kriechen verbundene Drift im Vergleich zu einigen anderen Mechanismen relativ gering sein kann, kann sie bei Anwendungen, die eine sehr hohe Langzeit mess stabilität erfordern, wichtig werden.
3. Der oft übersah Faktor: Interrogator Drift
Eine der weniger offen sichtlichen Quellen der Wellenlängen drift ist dieFBG interrogator itself.
Viele Ingenieure konzentrieren sich natürlich auf die Stabilität des FBG-Sensors und den Temperatur kompensation algorithmus. Das optische Abfrage system ist jedoch auch Teil der Messkette.
Ein FBG-Abfrage gerät verwendet typischer weise eine optische Quelle, wie z. B. einesuperluminescent diode (SLED)Oder andere optische Breitband quelle. Änderungen der Betriebs temperatur und der Eigenschaften der optischen Quelle können die Wellenlängen messung beeinflussen.
Selbst wenn der FBG-Sensor selbst stabil bleibt, kann sich die gemessene Wellenlänge aufgrund von Änderungen innerhalb des Abfrage systems verschieben.
DeshalbPeriodische Wellenlängen kalibrierung des Inter ro gatorsKann ein wichtiger Teil der Aufrechterhaltung der langfristigen Mess genauigkeit sein.
Das Quell material ident ifi ziert die Abfrage-oder Lichtquellen drift als einen besonders leicht zu überblicken den Faktor und gibt einen typischen Referenz pegel von ungefähr1-17 Uhr.
4. Warum beseitigt die Temperatur kompensation die Drift nicht?
Wenn die Temperatur eine der Hauptursachen für die Variation der FBG-Wellenlänge ist, scheint es vernünftig anzunehmen, dass die Temperatur kompensation das Problem lösen sollte.
In der Praxis hat die Temperatur kompensation jedoch eine wichtige Voraussetzung:
Der FBG-Sensor und der Referenz temperatur sensor müssen im Wesentlichen die gleichen Temperatur bedingungen erfahren.
In realen Installationen ist diese Bedingung nicht immer erfüllt.
Thermische Lag
Eine Referenz-FBG kann auf der Oberfläche einer Struktur montiert werden, während die Mess-FBG darin eingebettet ist.
Die beiden Sensoren können daher auf Temperatur änderungen mit unterschied lichen Raten reagieren.
Während einer schnellen Temperatur änderung kann der Referenz sensor anzeigen, dass sich die Temperatur bereits geändert hat, während die Messung FBG noch auf den vorherigen thermischen Zustand reagiert. Dieser Unterschied kann zu einem vorübergehen den Kompensation fehler führen.
Dynamische Temperatur verläufe
Die Temperatur kompensation ist unter relativ stabilen thermischen Bedingungen oft viel einfacher.
In einer dynamischen Umgebung können sich jedoch Temperatur gradienten innerhalb der Struktur entwickeln. Bei verschiedenen FBGs können unterschied liche Temperaturen auftreten oder auf diese Temperatur änderungen mit unterschied lichen Raten reagieren.
Infolge dessen kann ein Kompensation modell, das unter statischen Bedingungen eine gute Leistung erbringt, Wellenlängen fehler bei schnellen thermischen Änderungen nicht vollständig beseitigen.
Strain-Temperatur-Kupplung
FBG-Sensoren sind sowohl für Dehnung als auch für Temperatur empfindlich.
Änderungen im mechanischen Zustand des Sensors können daher die gemessene Wellenlänge beeinflussen, während Umgebungs-und Struktur änderungen gleichzeitig auftreten können.
Diese Kopplung schafft zusätzliche Herausforderungen, wenn versucht wird, das wahre Dehnung signal von temperatur bedingten Wellenlängen schwankungen zu trennen.
5. Ein Drift um 30 Uhr hat nicht unbedingt eine einzige Ursache
Angenommen, ein FBG-Sensor wurde ursprünglich kalibriert und drei Monate später hat sich seine gemessene Wellenlänge um ungefähr verschoben30 Uhr.
Es kann verlockend sein, die gesamte Änderung der Temperatur zuzuschreiben.
Langfristige Wellenlängen drift wird jedoch besser als kombiniertes Ergebnis mehrerer Mechanismen verstanden:
FBG alternde Faser-Kriech-Befragung-System Drift Umwelt effekte
Das Quell material liefert eine anschauliche Aufschlüsse lung einer 30-pm-Drift:
Temperatur bedingter Beitrag: ungefähr22 Uhr
Faser kriechen: ungefähr15 Uhr über drei Monate
Verhör system drift: ungefähr15 Uhr
Der verbleibende Unterschied kann sich aus den kombinierten Auswirkungen von Sensor, Installation, Umgebungs bedingungen und Messsystem ergeben. Diese Zahlen sollten eher als illustrative technische Analyse als als universelle Aufschlüsse lung für jedes FBG-System behandelt werden.
Dies ist ein wichtiger Punkt für langfristige FBG-Messungen:
Eine gemessene Wellenlängen verschiebung sollte nicht automatisch als Sensor drift interpret iert werden.
Die gesamte Messkette muss berücksicht igt werden.
6. Wie kann die langfristige FBG-Stabilität verbessert werden?
Für Anwendungen, bei denen eine langfristige Wellenlängen stabilität wichtig ist, können verschiedene Maßnahmen in Betracht gezogen werden.
1. Vor altern die FBG-Sensoren
Thermisches Glühen oder andere Vor alterung prozesse können dazu beitragen, die nachfolgende Spannungs entspannung zu verringern und die Langzeit stabilität zu verbessern.
2. Wählen Sie eine geeignete Faser beschichtung
Bei Anwendungen, die für ein langfristiges mechanisches Kriechen empfindlich sind, sollten die Faser beschichtung und die Verpackungs struktur bei der Sensor auswahl berücksicht igt werden.
Metall beschichtete Fasern, einschl ießlich aluminium-oder gold beschichteter Fasern, können für bestimmte anspruchs volle Anwendungen in Betracht gezogen werden.
3. Verbesserung der Temperatur kompensation
Der Referenz temperatur sensor sollte so positioniert werden, dass er thermische Bedingungen so nahe wie möglich an denen der Erfassungs-FBG erfährt.
Für dynamische Anwendungen sollten auch die thermische Reaktions zeit und die Installation konfiguration beider Sensoren berücksicht igt werden.
4. Kalibrieren Sie den Verne hmer periodisch
Die Temperatur kompensation kann nicht jede Quelle der Drift des Messsystems kompensieren.
Die periodische Kalibrierung des Abfrage tors kann dazu beitragen, Änderungen zu identifizieren, die vom optischen Messsystem selbst stammen. Das Ausgangs material schlägt speziell eine periodische Wellenlängen kalibrierung mit einem Kalibrierung sinter vall von ungefähr drei Monaten unter Verwendung eines Referenz standards vor.
5. Bewerten Sie die komplette Messkette
Für hochpräzise Anwendungen sollte der Sensor nicht unabhängig vom Abfrage gerät ausgewertet werden.
Eine umfassendere Stabilitäts bewertung sollte Folgendes berücksichtigen:
Physik → X → Index/Kristalle → Temperatur → Kohlendioxid → Physik →-Ich mache keine Änderungen
Dieser Ansatz erleichtert die Identifizierung, woher langfristige Messfehler tatsächlich kommen.
7. Schluss folgerung
Die langfristige FBG-Wellenlängen drift ist eineMulti-Faktor-Problem.
Die Temperatur ist sicherlich eine wichtige Quelle für Wellenlängen variationen, aber die Temperatur kompensation allein eliminiert nicht unbedingt die Langzeit drift. FBG-Alterung, Faser kriechen, Wärme gradienten, Dehnung temperatur kopplung und Stabilität des optischen Abfrage systems können zum endgültigen Messergebnis beitragen.
Wenn ein FBG-Sensor nach mehreren Monaten Betrieb eine Wellenlängen verschiebung zeigt, sollte die erste Frage daher nicht einfach sein:
"Wurde eine Temperatur kompensation angewendet?"
Stattdessen ist eine bessere Frage:
„ Welcher Teil der gesamten Messkette trägt zur beobachteten Drift bei?“
Für langfristige und hochpräzise FBG-Sensing-Anwendungen,Sensor vor der Alterung, geeignete Verpackung, sorgfältig entworfene Temperatur kompensation und regelmäßige Abfrage kalibrierungAlle sollten als Teil der Mess strategie betrachtet werden.
Bei stabilen FBG-Messungen geht es letztlich nicht nur um die Auswahl eines hochwertigen Sensors.Die Stabilität des gesamten Erfassungs-und Befragung systems ist wichtig.