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FR¿Por qué un sensor FBG sigue a la deriva después de la compensación de temperatura?
¿Por qué un sensor FBG sigue a la deriva después de la compensación de temperatura?
Comprender las fuentes de la deriva de longitud de onda FBG a largo plazo
Los sensores de la rejilla de Bragg de la fibra (FBG) son ampliamente utilizados para la tensión, la temperatura, la presión, la vibración, y la supervisión de la salud estructural. Su alta sensibilidad e inmunidad a las interferencias electromagnéticas los hacen atractivos para mediciones a largo plazo en entornos exigentes.
Sin embargo, los ingenieros a veces encuentran un problema inesperado:Un sensor FBG todavía puede mostrar una deriva de longitud de onda significativa incluso después de que se haya aplicado la compensación de temperatura.
Por ejemplo, un sensor FBG puede calibrarse inicialmente y luego mostrar un desplazamiento de longitud de onda de alrededor de30 pm varios meses después. Si ya se ha implementado la compensación de temperatura, ¿de dónde proviene la deriva restante?
La respuesta es que la deriva de FBG a largo plazo generalmente no es causada por un solo factor. Puede resultar de los efectos combinados deEnvejecimiento de FBG, arrastramiento de la fibra, y deriva dentro del sistema de interrogación óptico. La compensación de temperatura aborda solo una parte del problema.
¿Por qué la longitud de onda de Bragg deriva?
La longitud de onda de Bragg de una FBG está determinada principalmente por el período de rejilla y el índice de refracción efectivo de la fibra:
ΛB = 2 neffΛ
Donde:
ΛBEs la longitud de onda de Bragg
Por neffEs el índice de refracción efectivo
ΛEs el período de rejilla
Por lo tanto, cualquier factor que cambie el índice de refracción efectivo o el período de rejilla puede hacer que la longitud de onda de Bragg se desplace. La temperatura y la tensión mecánica son dos de los factores más importantes.
La respuesta de longitud de onda se puede expresar aproximadamente como:
Δλ / λ = (1 − pe)ε (α ξ)ΔT
Donde:
peEs el coeficiente fotoelástico efectivo
eEs la cepa
ΑRepresenta el coeficiente de expansión térmica
xRepresenta el coeficiente termo-óptico
ΔTEs el cambio de temperatura
Para una FBG típica que opera alrededor de 1550 nm, un cambio de temperatura de 1 °C puede resultar en un cambio de longitud de onda de aproximadamente10-13 pm. Esta sensibilidad a la temperatura es fundamental para la detección de FBG, pero también es uno de los principales contribuyentes a la variación de la longitud de onda en las mediciones prácticas.
2. tres fuentes principales de deriva de FBG a largo plazo
Cuando se utiliza un sensor FBG durante meses o años, su longitud de onda medida puede verse afectada por varios mecanismos.
| Fuente | Nivel típico de la deriva * | Posible mitigación |
|---|---|---|
| FBG estrés relajación/envejecimiento | 5-30 pm durante 3-6 meses | Pre-envejecimiento/recocido térmico |
| Fibras de fluencia | 0,1-1 pm/año | Fibra recubierta de metal, como el revestimiento de aluminio o de oro |
| Deriva de fuente de luz del interrogador | 1-5 pm | Calibración periódica de la longitud de onda |
* Los valores anteriores son las cifras típicas presentadas en el material de origen y deben considerarse como valores de referencia de ingeniería en lugar de especificaciones universales.
Veamos cada fuente con más detalle.
2,1 FBG Relajación del estrés y envejecimiento
Una fuente potencial de deriva de longitud de onda a largo plazo esRelajación del estrés dentro de la estructura FBG.
Después de la fabricación e instalación, la rejilla y la fibra circundante pueden experimentar una relajación mecánica gradual. Este proceso puede hacer que la longitud de onda de Bragg medida cambie con el tiempo, incluso cuando las condiciones ambientales externas parecen permanecer estables.
El material fuente estima una deriva de aproximadamente5-30 pm durante 3-6 mesesE identificaPre-envejecimiento o recocido térmicoComo un posible método de mitigación.
Para aplicaciones que requieren estabilidad a largo plazo, es importante considerar no solo la precisión de calibración inicial de un sensor FBG, sino también cómo se comporta el sensor después de una operación prolongada.
2,2 Fibras Creep
Otra fuente de deriva a largo plazo esFluencia de la fibra.
Cuando un sensor FBG está unido permanentemente a una estructura, el estado mecánico de la fibra puede cambiar gradualmente. Durante largos períodos, esto puede introducir un cambio pequeño pero medible en la longitud de onda de Bragg.
El material fuente cita una contribución típica de la fibra-fluencia de aproximadamente0,1-1 pm/añoY sugiere fibras recubiertas de metal, tales como fibras recubiertas de aluminio o de oro, como un posible enfoque para reducir este efecto.
Aunque la deriva asociada con la fluencia de la fibra puede ser relativamente pequeña en comparación con algunos otros mecanismos, puede llegar a ser importante en aplicaciones que requieren una estabilidad de medición a largo plazo muy alta.
3. El factor a menudo pasado por alto: Deriva del interrogador
Una de las fuentes menos obvias de la deriva de la longitud de onda es laEl propio interrogador FBG.
Muchos ingenieros se centran naturalmente en la estabilidad del sensor FBG y el algoritmo de compensación de temperatura. Sin embargo, el sistema de interrogación óptico también es parte de la cadena de medición.
Un interrogador FBG normalmente utiliza una fuente óptica, como unDiodo minescente Superlu (SLED)U otra fuente óptica de banda ancha. Los cambios en la temperatura de funcionamiento y las características de la fuente óptica pueden influir en la medición de la longitud de onda.
Como resultado, incluso si el propio sensor FBG permanece estable, la longitud de onda medida aún puede desplazarse debido a cambios dentro del sistema de interrogación.
Esto es por quéCalibración periódica de la longitud de onda del interrogadorPuede ser una parte importante del mantenimiento de la precisión de medición a largo plazo.
El material fuente identifica la deriva del interrogador o de la fuente de luz como un factor particularmente fácil de pasar por alto y proporciona un nivel de referencia típico de aproximadamente1-5 pm.
¿Por qué la compensación de temperatura no elimina la deriva?
Si la temperatura es una de las principales causas de la variación de longitud de onda de FBG, parece razonable suponer que la compensación de temperatura debería resolver el problema.
En la práctica, sin embargo, la compensación de temperatura tiene un requisito previo importante:
El sensor FBG y el sensor de temperatura de referencia deben experimentar esencialmente las mismas condiciones de temperatura.
En las instalaciones del mundo real, esta condición no siempre se cumple.
Lag térmico
Una FBG de referencia puede montarse en la superficie de una estructura mientras la FBG de medición está incrustada en su interior.
Por lo tanto, los dos sensores pueden responder a cambios de temperatura a diferentes velocidades.
Durante un cambio de temperatura rápido, el sensor de referencia puede indicar que la temperatura ya ha cambiado mientras que la medición FBG todavía está respondiendo a la condición térmica anterior. Esta diferencia puede introducir un error de compensación temporal.
Gradientes de temperatura dinámicos
La compensación de temperatura es a menudo mucho más directa en condiciones térmicas relativamente estables.
En un entorno dinámico, sin embargo, pueden desarrollarse gradientes de temperatura dentro de la estructura. Diferentes FBG pueden experimentar diferentes temperaturas o responder a esos cambios de temperatura a diferentes velocidades.
Como resultado, un modelo de compensación que funciona bien en condiciones estáticas puede no eliminar completamente los errores de longitud de onda durante los cambios térmicos rápidos.
Acoplamiento de tensión-temperatura
Los sensores FBG son sensibles tanto a la tensión como a la temperatura.
Por lo tanto, los cambios en el estado mecánico del sensor pueden afectar la longitud de onda medida, mientras que los cambios ambientales y estructurales pueden ocurrir simultáneamente.
Este acoplamiento crea desafíos adicionales cuando se intenta separar la señal de deformación verdadera de las variaciones de longitud de onda relacionadas con la temperatura.
Una deriva de 30 pm no necesariamente tiene una sola causa
Supongamos que un sensor FBG fue calibrado inicialmente y, tres meses después, su longitud de onda medida se ha desplazado aproximadamente30 pm.
Puede ser tentador atribuir todo el cambio a la temperatura.
Sin embargo, la deriva de longitud de onda a largo plazo se entiende mejor como el resultado combinado de mecanismos múltiples:
FBG envejecimiento arrastramiento de fibra interrogación-sistema deriva efectos ambientales
El material de origen proporciona un desglose ilustrativo de una deriva de 30 pm:
Contribución relacionada con la temperatura: aproximadamente10 pm
Fibras de fluencia: aproximadamente3 pm en tres meses
Deriva del sistema de interrogación: aproximadamente15 pm
La diferencia restante puede provenir de los efectos combinados del sensor, la instalación, las condiciones ambientales y el sistema de medición. Estas cifras deben ser tratadas como un análisis de ingeniería ilustrativo en lugar de un desglose universal aplicable a cada sistema FBG.
Este es un punto importante para las mediciones de FBG a largo plazo:
Un desplazamiento de longitud de onda medido no debe interpretarse automáticamente como deriva del sensor.
Hay que tener en cuenta toda la cadena de medición.
¿Cómo puede la estabilidad a largo plazo de FBG ser mejorada?
Para aplicaciones en las que la estabilidad de la longitud de onda a largo plazo es importante, se pueden considerar varias medidas.
1. Pre-edad los sensores FBG
El recocido térmico u otros procesos de preenvejecimiento pueden ayudar a reducir la relajación del estrés posterior y mejorar la estabilidad a largo plazo.
2. Seleccione un recubrimiento de fibra apropiado
Para aplicaciones sensibles a la fluencia mecánica a largo plazo, el recubrimiento de fibra y la estructura del embalaje deben considerarse durante la selección del sensor.
Las fibras recubiertas de metal, incluidas las fibras recubiertas de aluminio u oro, pueden considerarse para ciertas aplicaciones exigentes.
3. Mejorar la compensación de temperatura
El sensor de temperatura de referencia debe colocarse de manera que experimente condiciones térmicas lo más cercanas posible a las de la FBG de detección.
Para aplicaciones dinámicas, también se debe considerar el tiempo de respuesta térmica y la configuración de instalación de ambos sensores.
Calibrar el interrogador periódicamente
La compensación de temperatura no puede compensar cada fuente de deriva del sistema de medición.
La calibración periódica del interrogador puede ayudar a identificar cambios que se originan en el propio sistema de medición óptica. El material fuente sugiere específicamente calibración periódica de longitud de onda, con un intervalo de calibración de aproximadamente tres meses usando un patrón de referencia.
5. evaluar la cadena de medición completa
Para aplicaciones de alta precisión, el sensor no debe evaluarse independientemente del interrogador.
Una evaluación de estabilidad más completa debería considerar:
Física → X → Índice/cristales → temperatura → dióxido de carbono → Física →-No hago ningún cambio
Este enfoque hace que sea más fácil identificar de dónde provienen realmente los errores de medición a largo plazo.
7. Conclusión
La deriva a largo plazo de la longitud de onda de FBG es unProblema multifactorial.
La temperatura es ciertamente una fuente importante de variación de longitud de onda, pero la compensación de temperatura por sí sola no elimina necesariamente la deriva a largo plazo. El envejecimiento FBG, la fluencia de la fibra, los gradientes térmicos, el acoplamiento de tensión-temperatura y la estabilidad del sistema de interrogación óptica pueden contribuir al resultado final de la medición.
Cuando un sensor FBG muestra un cambio de longitud de onda después de varios meses de operación, la primera pregunta no debería ser simplemente:
“¿Se ha aplicado la compensación de temperatura?”
En cambio, una mejor pregunta es:
¿Qué parte de toda la cadena de medición está contribuyendo a la deriva observada?
Para aplicaciones de detección FBG a largo plazo y de alta precisión,Preenvejecimiento del sensor, embalaje apropiado, compensación de temperatura cuidadosamente diseñada y calibración periódica del interrogadorDeben ser considerados como parte de la estrategia de medición.
En última instancia, lograr mediciones estables de FBG no se trata solo de seleccionar un sensor de alta calidad.La estabilidad de todo el sistema de detección e interrogación es importante.