La casa se ha agrietado, ¿cómo miden las fibras ópticas cuántos milímetros se ha abierto la grieta?
En la ingeniería de monitorización de la salud estructural (SHM) y monitorización de la seguridad de edificios, la medición de la apertura de fisuras de edificios (desplazamientos de milímetros o micrómetros) con fibra óptica (específicamente, sensores de fibra de red de Bragg, Sensores FBG) no consiste en pegar la fibra óptica directamente a la superficie como una regla, sino que se basa en el proceso físico de “transmisión de desplazamiento de fuerza - efecto fotoelástico - demodulación del desplazamiento de longitud de onda”.
Los principios de medición subyacentes y los mecanismos de implementación de ingeniería son los siguientes:
Uno, Principio de Medición: Del Cierre de Fisuras al Cálculo del Desplazamiento
1. Cruce de la Fisura y Conversión de Fuerza-Desplazamiento
Al medir fisuras, el sensor se instala de la siguiente manera: “anclaje en ambos extremos, cruzando la fisura en el centro”.
- Los dos extremos del sensor se fijan firmemente al sustrato estable a ambos lados de la fisura mediante soportes de fijación especiales o pegamento estructural. El segmento de medición cruza la fisura, y la longitud inicial de la marca entre los dos puntos de fijación se establece en L.
- Cuando la pared sufre tensión, asentamiento o la diferencia de temperatura provoca un desplazamiento de la fisura de \Delta L (es decir, la fisura se abre varios milímetros), el espacio entre los dos puntos de fijación cambia, lo que hace que la fibra óptica protegida en el interior sufra una tensión o compresión axial, generando una deformación física macroscópica \varepsilon:\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}Es decir: la cantidad de desplazamiento \Delta L = L \times \varepsilon .
2. Respuesta Óptica Física del Sensor de Fibra de Red de Bragg (FBG)
Se graba una red de fibra de Bragg (FBG) en la región del núcleo de la fibra óptica. La red cumple la condición de reflexión de Bragg:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Donde:
- \lambda_B es la longitud de onda central de reflexión de Bragg;
- n_{\text{eff}} es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra;
- \Lambda es el espaciado de la red (período).
Cuando el desplazamiento a través de la fisura tira de la fibra óptica y produce una deformación axial \varepsilon, el espaciado de la red \Lambda se alarga. Al mismo tiempo, debido al efecto fotoelástico, el índice de refracción efectivo del núcleo n_{\text{eff}} cambia. El desplazamiento de la longitud de onda central \Delta\lambda_B causado por la deformación satisface la siguiente relación lineal:
\Delta\lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Donde P_e es el coeficiente fotoelástico efectivo de la fibra óptica (generalmente tomado como aproximadamente 0.22 para fibra de sílice).
3. Demodulación Espectral y Salida de Desplazamiento
La luz emitida por la fuente de luz de banda ancha entra en el sensor a través de la fibra de transmisión, y solo la longitud de onda \lambda_B que cumple la condición de reflexión se refleja de vuelta al demodulador de red de fibra óptica.
- El demodulador captura el desplazamiento de la longitud de onda \Delta\lambda_B en tiempo real con una resolución de longitud de onda de hasta picómetros ( 1\ \text{pm} = 10^{-3}\ \text{nm} = 10^{-12}\ \text{m} ).
- El sistema del sensor calcula directamente el desplazamiento de la fisura utilizando un coeficiente de calibración de desplazamiento lineal K (la unidad de la fórmula de calibración suele ser \mu\text{m/pm} o \text{mm/pm}) determinado durante la calibración de fábrica:\Delta L = K \cdot \Delta\lambda_BDe esta manera, se puede medir con precisión si la fisura se ha expandido varios micrómetros o ha abierto varios milímetros.
Dos, Mecanismo de Compensación de Temperatura
Los cambios en la temperatura ambiental también pueden causar la expansión térmica de la fibra óptica y el efecto termo-óptico, lo que provoca un desplazamiento de longitud de onda debido a la temperatura \Delta\lambda_{B, T}. En la monitorización a largo plazo de estructuras de edificios, para eliminar la interferencia de la diferencia de temperatura ambiental (como las diferencias de temperatura diurnas y estacionales) en la medición del desplazamiento, generalmente se coloca un sensor de temperatura de red de fibra óptica sin tensiones junto al medidor de desplazamiento, el cual no está sometido a deformación mecánica. Se realiza una compensación diferencial de temperatura para garantizar que el desplazamiento medido de varios milímetros provenga puramente de los cambios mecánicos en las fisuras de la estructura del edificio.
Tres, Productos Oficiales Relacionados
En la monitorización de ingeniería real, los productos oficiales para la medición de fisuras y micro-desplazamientos son:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor
Características Técnicas y Especificaciones de Parámetros:
- Mecanismo de Correspondencia Física: Este medidor de desplazamiento es una aplicación de extracción de parámetros de deformación, y la relación correspondiente es \text{Desplazamiento} = \text{Longitud Total} \times \text{Deformación}; la calibración de longitud de onda a desplazamiento se realiza directamente en fábrica.
- Fórmula de Calibración: La fórmula de calibración de longitud de onda a desplazamiento es lineal, con unidades de \mu\text{m/pm} o \text{mm/pm}.
- Rango y Estructura: Para la monitorización de desplazamientos a nivel de milímetro, como fisuras, se basa en encapsulaciones de estructura de gran rango para producir redes de fibra óptica de punto único. La estructura es robusta y posee una excelente estabilidad a largo plazo del punto cero y capacidad de resistencia a entornos hostiles.