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FRPerché un sensore FBG deriva ancora dopo la compensazione della temperatura?
Perché un sensore FBG deriva ancora dopo la compensazione della temperatura?
Comprensione delle fonti di deriva della lunghezza d'onda FBG a lungo termine
I sensori in fibra Bragg Grating (FBG) sono ampiamente utilizzati per il monitoraggio della deformazione, della temperatura, della pressione, delle vibrazioni e della salute strutturale. La loro elevata sensibilità e immunità alle interferenze elettromagnetiche li rendono attraenti per misurazioni a lungo termine in ambienti esigenti.
Tuttavia, gli ingegneri a volte incontrano un problema inaspettato:Un sensore FBG può ancora mostrare una deriva significativa della lunghezza d'onda anche dopo che è stata applicata la compensazione della temperatura.
Ad esempio, un sensore FBG può essere calibrato inizialmente e quindi mostrare uno spostamento di lunghezza d'onda di circa30 pm diversi mesi dopo. Se la compensazione della temperatura è già stata implementata, da dove viene la deriva rimanente?
La risposta è che la deriva FBG a lungo termine di solito non è causata da un singolo fattore. Può derivare dagli effetti combinati diL'invecchiamento dell'FBG, lo scorrimento della fibra e la deriva all'interno del sistema ottico di interrogatorio. La compensazione della temperatura affronta solo una parte del problema.
1. Perché la lunghezza d'onda di Bragg deriva?
La lunghezza d'onda di Bragg di un FBG è determinata principalmente dal periodo di reticolo e dall'indice di rifrazione effettivo della fibra:
ΛB = 2 neffetz
Dove:
ΛBÈ la lunghezza d'onda di Bragg
NeffÈ l'efficace indice di rifrazione
LambdaÈ il periodo della grata
Qualsiasi fattore che modifica l'indice di rifrazione effettivo o il periodo di reticolo può quindi causare lo spostamento della lunghezza d'onda di Bragg. La temperatura e la deformazione meccanica sono due dei fattori più importanti.
La risposta della lunghezza d'onda può essere approssimativamente espressa come:
Δλ / λ = (1-pe)ε (α ξ)ΔT
Dove:
peaÈ l'efficace coefficiente fotoelastico
eÈ il ceppo
AlfaRappresenta il coefficiente di dilatazione termica
xRappresenta il coefficiente termo-ottico
ΔTÈ il cambiamento di temperatura
Per un FBG tipico che funziona intorno a 1550 nm, una variazione di temperatura di 1 ° C può comportare uno spostamento della lunghezza d'onda di circaOre 10-13. Questa sensibilità alla temperatura è fondamentale per il rilevamento FBG, ma è anche uno dei principali contributori alla variazione della lunghezza d'onda nelle misurazioni pratiche.
2. Tre principali fonti di deriva FBG a lungo termine
Quando un sensore FBG viene utilizzato per mesi o anni, la sua lunghezza d'onda misurata può essere influenzata da diversi meccanismi.
| Fonte | Livello tipico di Drift * | Possibile mitigazione |
|---|---|---|
| FBG stress rilassamento/invecchiamento | 5-30 pm oltre 3-6 mesi | Pre-invecchiamento/ricottura termica |
| Fibra creep | 0,1-1 pm/anno | Fibra rivestita in metallo, come rivestimento in alluminio o oro |
| Sorgente luminosa dell'interrogatore | 13-17 | Calibrazione periodica della lunghezza d'onda |
* I valori di cui sopra sono le figure tipiche presentate nel materiale sorgente e dovrebbero essere considerati come valori di riferimento ingegneristici piuttosto che specifiche universali.
Diamo un'occhiata a ciascuna fonte in modo più dettagliato.
2.1 FBG Rilassamento da stress e invecchiamento
Una potenziale fonte di deriva della lunghezza d'onda a lungo termine èRilassamento dello stress all'interno della struttura FBG.
Dopo la fabbricazione e l'installazione, la grata e la fibra circostante possono subire un graduale rilassamento meccanico. Questo processo può far cambiare nel tempo la lunghezza d'onda misurata di Bragg, anche quando le condizioni ambientali esterne sembrano rimanere stabili.
Il materiale di partenza stima una deriva di circa5-30 pm oltre 3-6 mesiE identificaPre-invecchiamento o ricottura termicaCome possibile metodo di mitigazione.
Per le applicazioni che richiedono stabilità a lungo termine, è quindi importante considerare non solo la precisione di calibrazione iniziale di un sensore FBG, ma anche il comportamento del sensore dopo un funzionamento prolungato.
2.2 strisciamento della fibra
Un'altra fonte di deriva a lungo termine èFibra creep.
Quando un sensore FBG è fissato in modo permanente a una struttura, lo stato meccanico della fibra può cambiare gradualmente. Per lunghi periodi, questo può introdurre un piccolo ma misurabile cambiamento nella lunghezza d'onda di Bragg.
Il materiale di partenza cita un tipico contributo di scorrimento delle fiber di circa0,1-1 pm/annoE suggerisce fiber rivestite di metallo, come fiber rivestite in alluminio o oro, come un possibile approccio per ridurre questo effetto.
Sebbene la deriva associata allo scorrimento delle fiber possa essere relativamente piccola rispetto ad altri meccanismi, può diventare importante nelle applicazioni che richiedono una stabilità di misurazione a lungo termine molto elevata.
3. Il fattore spesso sovrastato: la deriva dell'interrogatore
Una delle fonti meno evidenti di deriva della lunghezza d'onda è ilInterrogatore FBG stesso.
Molti ingegneri si concentrano naturalmente sulla stabilità del sensore FBG e sull'algoritmo di compensazione della temperatura. Tuttavia, anche il sistema di interrogatorio ottico fa parte della catena di misurazione.
Un interrogatore FBG utilizza tipicamente una sorgente ottica, come unDiodo superluminescente (SLED)O l'altra sorgente ottica a banda larga. I cambiamenti nella temperatura operativa e nelle caratteristiche della sorgente ottica possono influenzare la misurazione della lunghezza d'onda.
Di conseguenza, anche se il sensore FBG stesso rimane stabile, la lunghezza d'onda misurata può ancora spostarsi a causa dei cambiamenti all'interno del sistema di interrogatorio.
Questo è il motivo per cuiCalibrazione periodica della lunghezza d'onda dell'interrogatorePuò essere una parte importante del mantenimento della precisione di misurazione a lungo termine.
Il materiale sorgente identifica l'interrogatore o la deriva della sorgente luminosa come un fattore particolarmente facile da trascurare e fornisce un livello di riferimento tipico di circa13-17.
4. Perché la compensazione della temperatura non elimina la deriva?
Se la temperatura è una delle cause principali della variazione della lunghezza d'onda FBG, sembra ragionevole presumere che la compensazione della temperatura dovrebbe risolvere il problema.
In pratica, tuttavia, la compensazione della temperatura ha un prerequisito importante:
Il sensore FBG e il sensore di temperatura di riferimento devono sperimentare essenzialmente le stesse condizioni di temperatura.
Nelle installazioni del mondo reale, questa condizione non è sempre soddisfatta.
Lag termico
Un FBG di riferimento può essere montato sulla superficie di una struttura mentre l'FBG di misurazione è incorporato al suo interno.
I due sensori possono quindi rispondere alle variazioni di temperatura a velocità diverse.
Durante un rapido cambiamento di temperatura, il sensore di riferimento può indicare che la temperatura è già cambiata mentre l'FBG di misurazione sta ancora rispondendo alle condizioni termiche precedenti. Questa differenza può introdurre un errore di compensazione temporaneo.
Gradienti dinamici di temperatura
La compensazione della temperatura è spesso molto più semplice in condizioni termiche relativamente stabili.
In un ambiente dinamico, tuttavia, all'interno della struttura possono svilupparsi gradienti di temperatura. FBG diversi possono sperimentare temperature diverse o rispondere a tali variazioni di temperatura a velocità diverse.
Di conseguenza, un modello di compensazione che si comporta bene in condizioni statiche potrebbe non eliminare completamente gli errori di lunghezza d'onda durante rapidi cambiamenti termici.
Accoppiamento della temperatura del treno
I sensori FBG sono sensibili sia alla deformazione che alla temperatura.
I cambiamenti nello stato meccanico del sensore possono quindi influenzare la lunghezza d'onda misurata, mentre i cambiamenti ambientali e strutturali possono verificarsi contemporaneamente.
Questo accoppiamento crea ulteriori sfide quando si tenta di separare il vero segnale di deformazione dalle variazioni della lunghezza d'onda legate alla temperatura.
5. Una deriva delle 30:00 non ha necessariamente una singola causa
Supponiamo che un sensore FBG sia stato calibrato inizialmente e, tre mesi dopo, la sua lunghezza d'onda misurata si sia spostata di circaOre 30.
Potrebbe essere allettante attribuire l'intero cambiamento alla temperatura.
Tuttavia, la deriva della lunghezza d'onda a lungo termine è meglio intesa come il risultato combinato di più meccanismi:
FBG fibra di invecchiamento creep interrogatorio-sistema di deriva effetti ambientali
Il materiale di partenza fornisce una ripartizione illustrativa di una deriva delle 30:
Contributo relativo alla temperatura: approssimativamenteOre 22
Fibra creep: approssimativamente15:00 in tre mesi
Drift del sistema di interrogatorio: approssimativamenteOre 15
La differenza rimanente può derivare dagli effetti combinati del sensore, dell'installazione, delle condizioni ambientali e del sistema di misurazione. Queste cifre dovrebbero essere trattate come un'analisi ingegneristica illustrativa piuttosto che come una ripartizione universale applicabile a ogni sistema FBG.
Questo è un punto importante per le misurazioni FBG a lungo termine:
Uno spostamento della lunghezza d'onda misurato non deve essere interpretato automaticamente come deriva del sensore.
L'intera catena di misurazione deve essere considerata.
6. Come si può migliorare la stabilità FBG a lungo termine?
Per le applicazioni in cui la stabilità della lunghezza d'onda a lungo termine è importante, è possibile prendere in considerazione diverse misure.
1. pre-età i sensori FBG
La ricottura termica o altri processi di pre-invecchiamento possono aiutare a ridurre il successivo rilassamento dello stress e migliorare la stabilità a lungo termine.
2. Selezionare un rivestimento in fibra appropriato
Per le applicazioni sensibili allo scorrimento meccanico a lungo termine, il rivestimento in fibra e la struttura di imballaggio devono essere considerati durante la selezione del sensore.
Le fiber rivestite in metallo, comprese le fiber rivestite in alluminio o oro, possono essere prese in considerazione per alcune applicazioni impegnative.
3. Migliorare la compensazione della temperatura
Il sensore di temperatura di riferimento deve essere posizionato in modo da sperimentare condizioni termiche il più vicino possibile a quelle dell'FBG di rilevamento.
Per le applicazioni dinamiche, è necessario considerare anche il tempo di risposta termica e la configurazione di installazione di entrambi i sensori.
4. Calibrare periodicamente l'interrogatore
La compensazione della temperatura non può compensare ogni fonte di deriva del sistema di misurazione.
La calibrazione periodica dell'interrogatore può aiutare a identificare i cambiamenti provenienti dal sistema di misurazione ottica stesso. Il materiale sorgente suggerisce specificamente la calibrazione periodica della lunghezza d'onda, con un intervallo di calibrazione di circa tre mesi utilizzando uno standard di riferimento.
5. Valutare la catena di misurazione completa
Per applicazioni ad alta precisione, il sensore non deve essere valutato indipendentemente dall'interrogatore.
Una valutazione più completa della stabilità dovrebbe considerare:
Fisica → X → Indice/cristalli → temperatura → anidride carbonica → Fisica →-Non apporti cambiamenti
Questo approccio rende più facile identificare da dove provengono effettivamente gli errori di misurazione a lungo termine.
7. Conclusione
La deriva della lunghezza d'onda FBG a lungo termine è aProblema multi-fattore.
La temperatura è certamente un'importante fonte di variazione della lunghezza d'onda, ma la compensazione della temperatura da sola non elimina necessariamente la deriva a lungo termine. L'invecchiamento dell'FBG, lo scorrimento delle fiber, i gradienti termici, l'accoppiamento deformazione-temperatura e la stabilità del sistema di interrogatorio ottico possono tutti contribuire al risultato della misurazione finale.
Quando un sensore FBG mostra uno spostamento di lunghezza d'onda dopo diversi mesi di funzionamento, la prima domanda non dovrebbe quindi essere semplicemente:
"È stata applicata la compensazione della temperatura?"
Invece, una domanda migliore è:
"Quale parte dell'intera catena di misurazione sta contribuendo alla deriva osservata?"
Per applicazioni di rilevamento FBG a lungo termine e ad alta precisione,Preinvecchiamento del sensore, imballaggio appropriato, compensazione della temperatura attentamente progettata e calibrazione periodica dell'interrogatoreTutti dovrebbero essere considerati come parte della strategia di misurazione.
In definitiva, raggiungere misurazioni FBG stabili non è solo selezionare un sensore di alta qualità.La stabilità dell'intero sistema di rilevamento e interrogatorio è importante.