Por que esse tipo de grade pode medir pressão e temperatura simultaneamente?
O FBG de Fibra de Polarização Preservada (PM-FBG) é capaz de realizar medições simultâneas e desacoplamento de temperatura e pressão (ou deformação), dependendo principalmente das características físicas únicas de alta birrefringência da fibra de polarização preservada. Seus princípios de funcionamento específicos podem ser analisados academicamente de forma rigorosa a partir das seguintes perspectivas:
1. Mecanismo Físico de Formação de Picos de Reflexão Duplos
Uma fibra monomodo comum, em estado ideal, é isotrópica. No entanto, fibras de polarização preservada (como tipo PANDA, tipo Bow-Tie, etc.) introduzem uma região assimétrica de aplicação de tensão em seu interior, resultando em índices de refração efetivos diferentes nos dois eixos de polarização ortogonais (eixo lento - slow axis e eixo rápido - fast axis), denotados como n_{\text{lento}} e n_{\text{rápido}} , respectivamente.
Ao gravar um FBG nessas fibras, as condições de ressonância de Bragg para os dois modos de polarização ortogonais serão satisfeitas separadamente:
\lambda_{\text{lento}} = 2 n_{\text{lento}} \Lambda
\lambda_{\text{rápido}} = 2 n_{\text{rápido}} \Lambda
Onde \Lambda é o período físico do grating. Portanto, no espectro de demodulação de comunicação óptica, o PM-FBG apresentará dois picos de comprimento de onda de reflexão independentes, cujo espaçamento é diretamente determinado pelo valor de birrefringência da fibra B = n_{\text{lento}} - n_{\text{rápido}} :
\Delta \lambda_{0} = \lambda_{\text{lento}} - \lambda_{\text{rápido}} = 2 B \Lambda
2. Sensibilidade Diferenciada e Estabelecimento de Equações
Quando o PM-FBG está sujeito a variações de campo de temperatura externa ( \Delta T ) e campos de deformação axial/pressão lateral ( \Delta \varepsilon ), os índices de refração efetivos de ambos os eixos de polarização e o período físico do grating sofrerão desvios.
Devido às diferenças nas direções dos coeficientes de expansão térmica e coeficientes fotoelásticos do material do tubo de estresse da fibra de polarização preservada e da sílica do núcleo, a sensibilidade de resposta dos modos de polarização correspondentes aos eixos lento e rápido à temperatura e pressão não é a mesma (ou seja, possui coeficientes de sensibilidade assimétricos). Neste caso, os deslocamentos de comprimento de onda dos dois picos de reflexão ( \Delta \lambda_{\text{lento}} e \Delta \lambda_{\text{rápido}} ) podem ser expressos como o seguinte sistema de equações lineares acopladas:
\Delta \lambda_{\text{lento}} = K_{T, \text{lento}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{lento}} \Delta \varepsilon
\Delta \lambda_{\text{rápido}} = K_{T, \text{rápido}} \Delta T + K_{\varepsilon, \text{rápido}} \Delta \varepsilon
Escrevendo na forma matricial:
\begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{lento}} \\ \Delta \lambda_{\text{rápido}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{lento}} & K_{\varepsilon, \text{lento}} \\ K_{T, \text{rápido}} & K_{\varepsilon, \text{rápido}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta T \\ \Delta \varepsilon \end{bmatrix}
Onde:
- K_{T, \text{lento}} e K_{T, \text{rápido}} são os coeficientes de sensibilidade à temperatura do eixo lento e rápido, respectivamente.
- K_{\varepsilon, \text{lento}} e K_{\varepsilon, \text{rápido}} são os coeficientes de sensibilidade à deformação/pressão do eixo lento e rápido, respectivamente.
3. Desacoplamento e Cálculo de Múltiplos Parâmetros
Devido à anisotropia do eixo lento e rápido na estrutura física, o determinante da matriz de coeficientes de sensibilidade não é zero, ou seja:
K_{T, \text{lento}} K_{\varepsilon, \text{rápido}} - K_{\varepsilon, \text{lento}} K_{T, \text{rápido}} \neq 0
Isso significa que a matriz de sensibilidade acima é invertível. Na prática, desde que o sensor seja pré-calibrado para temperatura e pressão, determinando esses quatro coeficientes de sensibilidade, após o demodulador medir os dois deslocamentos de comprimento de onda independentes \Delta \lambda_{\text{lento}} e \Delta \lambda_{\text{rápido}} , é possível calcular unicamente e independentemente a variação de temperatura \Delta T e a variação de pressão/deformação \Delta \varepsilon resolvendo a matriz inversa:
\begin{bmatrix} \Delta T \\ \Delta \varepsilon \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} K_{T, \text{lento}} & K_{\varepsilon, \text{lento}} \\ K_{T, \text{rápido}} & K_{\varepsilon, \text{rápido}} \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} \Delta \lambda_{\text{lento}} \\ \Delta \lambda_{\text{rápido}} \end{bmatrix}
Isso resolve completamente, a partir do princípio físico, o problema da “sensibilidade cruzada de temperatura” comumente encontrada em gratings monomodo comuns ao medir deformação ou pressão.
Descrição Oficial de Produtos e Soluções OFSCN®
É importante notar que o FBG de Fibra de Polarização Preservada (PM-FBG), devido às limitações de processo da própria fibra de polarização preservada e às limitações de aplicação, geralmente serve como um componente central altamente customizado para pesquisa científica ou sensores mecânicos multidimensionais específicos, e não pertence à linha de produtos padrão de gratings nus de fibra passiva da Dacheng Yongsheng (OFSCN®).
Os gratings passivos padrão da Dacheng Yongsheng (OFSCN®) focam principalmente no fornecimento de gratings de fibra monomodo com alta resistência mecânica e ampla faixa de temperatura de operação (por exemplo, utilizando revestimento de poliimida ou metal). Se você precisar de medições de alta confiabilidade em engenharia industrial ou monitoramento de saúde estrutural convencional, pode consultar os seguintes produtos de grating passivo padrão OFSCN®:
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Grating Nu Monomodo de Alta Resistência : Utiliza tecnologia de gravação ponto a ponto com laser de femtosegundo, sem danificar o cladding da fibra, com excelente resistência à tração:
Nome do Produto: OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
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Grating Nu Resistente a Altas Temperaturas com Poliimida : Adequado para medição precisa de temperatura ou deformação em ambientes de -200\text{℃} a 300\text{℃} :
Nome do Produto: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Para mais gratings nus passivos, visite: Link de Agregação de Produtos OFSCN® Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Na prática de engenharia com fibras não de polarização preservada, para atingir o mesmo objetivo de desacoplamento de medição de pressão e temperatura, a Dacheng Yongsheng geralmente recomenda o uso de um esquema de cascata de gratings monomodo duplos. Ou seja, um grating de compensação de temperatura adjacente ao grating de medição de pressão, que não sofre influência da força e apenas sente a temperatura (por exemplo, utilizando um sensor externo Nome do Produto: OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor ), o efeito da temperatura é removido diretamente na ponta de demodulação através de um algoritmo de diferença. Esta abordagem muitas vezes oferece maior estabilidade a longo prazo e melhor relação custo-benefício em campo de engenharia.