Por qué esta rejilla puede medir la presión y la temperatura al mismo tiempo?
Las redes de fibra de polarización mantenida (PM-FBG) pueden lograr la medición y el desacoplamiento simultáneos de temperatura y presión (o deformación), dependiendo principalmente de las características físicas únicas de alta birrefringencia (Birefringence) de la fibra de polarización mantenida. Su principio de funcionamiento específico se puede analizar académicamente de manera rigurosa desde las siguientes dimensiones:
1. Mecanismo de formación física de los picos de reflexión dual
En condiciones ideales, la fibra monomodo ordinaria es isotrópica. Sin embargo, la fibra de polarización mantenida (como la tipo Panda PANDA, tipo Bow-Tie, etc.) introduce una región asimétrica de aplicación de tensiones en su interior, lo que provoca que el núcleo tenga índices de refracción efectivos diferentes en dos direcciones de polarización ortogonales (eje lento slow axis y eje rápido fast axis) (denotados como n_{\text{slow}} y n_{\text{fast}} , respectivamente).
Cuando se escribe una red de fibra (FBG) en este tipo de fibra, la condición de resonancia de reflexión de Bragg para los dos modos de polarización ortogonales se cumplirá respectivamente:
\lambda_{\text{slow}} = 2 n_{\text{slow}} \Lambda
\lambda_{\text{fast}} = 2 n_{\text{fast}} \Lambda
Donde \Lambda es el período físico de la red. Por lo tanto, en el espectro de demodulación de comunicaciones ópticas, la PM-FBG presentará dos picos de longitud de onda de reflexión independientes, cuya separación de longitud de onda está determinada directamente por el valor de birrefringencia de la fibra B = n_{\text{slow}} - n_{\text{fast}} :
\Delta \lambda_{0} = \lambda_{\text{slow}} - \lambda_{\text{fast}} = 2 B \Lambda
2. Sensibilidad diferenciada y establecimiento de ecuaciones
Cuando la PM-FBG está sujeta a cambios en el campo de temperatura externa ( \Delta T ) y campos de deformación axial/presión lateral ( \Delta \varepsilon ), tanto los índices de refracción efectivos de los dos ejes de polarización como el período físico de la red experimentarán desplazamientos.
Debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica y los coeficientes fotoelásticos entre el material de la vaina de la fibra de polarización mantenida y la sílice del núcleo en diferentes direcciones, la sensibilidad de respuesta de los modos de polarización correspondientes al eje lento y al eje rápido a la temperatura y la presión no es la misma (es decir, tienen coeficientes de sensibilidad asimétricos). En este caso, los desplazamientos de longitud de onda de los dos picos de reflexión ( \Delta \lambda_{\text{slow}} y \Delta \lambda_{\text{fast}} ) se pueden expresar como el siguiente sistema de ecuaciones lineales acopladas:
\Delta \lambda_{\text{slow}} = K_{T, \text{slow}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{slow}} \Delta \varepsilon
\Delta \lambda_{\text{fast}} = K_{T, \text{fast}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{fast}} \Delta \varepsilon
Expresado en forma matricial:
$$ \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
vert & K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
vert & K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} $$
Donde:
- K_{T, \text{slow}} y K_{T, \text{fast}} son los coeficientes de sensibilidad a la temperatura del eje lento y del eje rápido, respectivamente.
- K_{\varepsilon, \text{slow}} y K_{\varepsilon, \text{fast}} son los coeficientes de sensibilidad a la deformación/presión del eje lento y del eje rápido, respectivamente.
3. Desacoplamiento y cálculo multivariable
Debido a la anisotropía del eje lento y el eje rápido en la estructura física, el determinante de la matriz de coeficientes de sensibilidad no es cero, es decir:
K_{T, \text{slow}} K_{\varepsilon, \text{fast}} - K_{\varepsilon, \text{slow}} K_{T, \text{fast}} \neq 0
Esto significa que la matriz de sensibilidad anterior es invertible. En aplicaciones prácticas, siempre que se calibre previamente este sensor para temperatura y presión y se determinen estos cuatro coeficientes de sensibilidad, el demodulador podrá calcular de forma única e independiente los cambios de temperatura externos \Delta T y los cambios de presión/deformación \Delta \varepsilon resolviendo la matriz inversa después de medir los dos desplazamientos de longitud de onda independientes \Delta \lambda_{\text{slow}} y \Delta \lambda_{\text{fast}} :
$$ \begin{bmatrix} \Delta T \ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{slow}}
vert & K_{\varepsilon, \text{slow}} \ K_{T, \text{fast}}
vert & K_{\varepsilon, \text{fast}} \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{slow}} \ \Delta \lambda_{\text{fast}} \end{bmatrix} $$
Esto resuelve fundamentalmente el problema del “cruce de sensibilidad a la temperatura” que las redes de Bragg de fibra monomodo ordinarias no pueden evitar al medir deformación o presión, desde el principio físico.
Notas sobre productos y soluciones oficiales de OFSCN®
Cabe señalar que las redes de fibra de polarización mantenida (PM-FBG), debido a las limitaciones del proceso de fabricación de la fibra de polarización mantenida y sus aplicaciones, generalmente se consideran componentes centrales para la investigación científica altamente personalizada o sensores mecánicos multidimensionales específicos, y no pertenecen a la serie actual de productos estándar de redes desnudas pasivas de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Las redes pasivas estándar de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se centran principalmente en proporcionar redes de fibra monomodo con alta resistencia mecánica y un amplio rango de temperatura de funcionamiento (por ejemplo, mediante revestimiento de poliimida o metal). Si necesita mediciones de alta fiabilidad en ingeniería industrial o monitorización de salud estructural convencional, puede consultar los siguientes productos de redes pasivas estándar de OFSCN®:
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Redes de Fibra de Polarización Mantenida de Alta Resistencia : Utilizan tecnología de escritura punto a punto con láser de femtosegundo, sin dañar la cladding de la fibra, lo que garantiza una excelente resistencia a la tracción:
Nombre del producto: OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
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Redes de Fibra de Polarización Mantenida Resistentes a Altas Temperaturas con Poliimida : Adecuadas para medición precisa de temperatura o deformación en entornos de -200\text{℃} a 300\text{℃} :
Nombre del producto: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Para consultar más redes desnudas pasivas, visite: OFSCN® Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Products Aggregation Link
En la práctica de ingeniería con fibra no polarizada, para lograr el mismo objetivo de desacoplamiento de la medición de presión y temperatura, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. generalmente recomienda el uso de una solución de cascada de redes monomodo dobles. Es decir, colocar una red de compensación de temperatura que solo detecta la temperatura y no está sujeta a fuerzas (por ejemplo, utilizando el Nombre del producto: OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor externo) adyacente a la red que mide la presión. Mediante un algoritmo diferencial, el efecto de la temperatura se elimina directamente en el extremo de demodulación. Esta solución a menudo tiene una mayor estabilidad a largo plazo y una mejor relación costo-rendimiento en el sitio de ingeniería.