Что такое «референс-решётка»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Сможет ли решётка, предназначенная только для измерения температуры и не выполняющая никаких других функций, действительно решить проблему?

2

Да, выделение отдельного оптического волоконного брэгговского решетки (ОВБР) только для измерения температуры действительно может решить проблему.

В области технологий датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ОВБР) это чрезвычайно классическое, эффективное и широко используемое стандартное инженерное решение, обычно называемое «Метод опорной решетки» (Reference Grating Method) или «Метод температурной компенсации ОВБР».

Ниже мы подробно рассмотрим, почему эта «бездействующая» решетка играет такую важную роль в разделении факторов, с трех точек зрения: физических принципов, инженерной реализации и фактического применения.

I. Физическая сущность: перекрестная чувствительность к температуре и деформации

Центральная длина волны отражения стандартной ОВБР удовлетворяет условию Брэгга. Когда внешние условия изменяются, изменение длины волны ОВБР \Delta \lambda_B является линейной суперпозицией влияния изменения температуры \Delta T и внешней механической деформации \Delta \varepsilon :

\Delta \lambda_B = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \varepsilon + K_T \cdot \Delta T

Где:

  • K_{\varepsilon} — коэффициент чувствительности решетки к деформации.
  • K_T — коэффициент чувствительности решетки к температуре.

Основная проблема:
Для одиночного датчика ОВБР во время работы мы можем измерить только общее изменение длины волны \Delta \lambda_B с помощью демодулятора. Поскольку это уравнение с «двумя неизвестными и одним уравнением», когда температура и напряжение изменяются одновременно, демодулятор не может различить, вызвано ли текущее смещение длины волны нагрузкой или колебаниями температуры окружающей среды. Это классическая «проблема перекрестной чувствительности температуры и деформации» в датчиках ОВБР.

II. Как «опорная решетка» разделяет факторы и решает проблему?

Если мы введем опорную решетку, которая не участвует в нагрузке (т.е. «бездействует»), решение системы уравнений становится чрезвычайно простым:

  1. Физическая изоляция:
    Опорная решетка и нагруженная решетка, воспринимающая механическую нагрузку, помещаются в одинаковое температурное поле (чтобы обеспечить одинаковое изменение температуры для обеих, т.е. \Delta T_{ref} = \Delta T_{str} ).
  2. Разделение механики:
    Поскольку опорная решетка не воспринимает никаких механических напряжений, внешняя механическая деформация, которую она воспринимает, равна \Delta \varepsilon_{ref} = 0 .

Исходя из вышеуказанных условий, мы можем объединить уравнения смещения длины волны для двух каналов:

  • Смещение длины волны опорной решетки:
    \Delta \lambda_{ref} = K_{T,ref} \cdot \Delta T
  • Смещение длины волны деформационной (нагруженной) решетки:
    \Delta \lambda_{str} = K_{\varepsilon} \cdot \Delta \varepsilon + K_{T,str} \cdot \Delta T

Исключив переменную температуры \Delta T путем объединения уравнений, мы можем точно вычислить чисто механическую деформацию, полностью свободную от температурных помех:

\Delta \varepsilon = \frac{1}{K_{\varepsilon}} \left( \Delta \lambda_{str} - \frac{K_{T,str}}{K_{T,ref}} \Delta \lambda_{ref} \right)

Если коэффициенты чувствительности к температуре обеих решеток полностью совпадают ( K_{T,str} = K_{T,ref} ), формула может быть упрощена до наиболее распространенной формы:

\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{str} - \Delta \lambda_{ref}}{K_{\varepsilon}}

Это и есть основная функция этой «бездействующей» опорной решетки: служить температурной базой для вычитания компоненты смещения длины волны, вызванной температурой, из общего смещения длины волны нагруженной решетки.

III. Ключевые трудности при инженерной реализации

Хотя физическая логика безупречна, для реального решения проблемы в инженерной практике необходимо обеспечить, чтобы эта опорная решетка абсолютно не воспринимала напряжения, вызванные деформацией конструкции.

Если просто приклеить открытую опорную решетку к поверхности измеряемой конструкции, даже если к ней не прикладывать внешнюю силу, тепловое расширение и сжатие самой конструкции через сдвиговое усилие клея передастся решетке, вызывая тепловую деформацию конструкции и приводя к неэффективности формулы температурной компенсации.

Поэтому опорная решетка должна быть упакована с использованием «технологии бездиформационной упаковки». Обычно решетку помещают в миниатюрную металлическую защитную трубку (например, бесшовную стальную трубу) или керамический корпус, чтобы внешние растягивающие, сжимающие или сдвиговые силы не передавались на зону решетки, но тепло быстро проводилось.

IV. Решения продуктов и инженерные рекомендации OFSCN®

В системах высокоточного мониторинга напряжений, деформаций и механики от Dachengyongsheng (OFSCN®), для обеспечения высокой точности результатов измерений, мы предлагаем специализированные продуктовые комбинации и руководство по технологиям для температурной компенсации:

  1. Почему предпочтительна внешняя температурная компенсация?
    Хотя некоторые датчики поддерживают настраиваемый внутренний температурный компенсационный канал, для приложений с чрезвычайно высокими требованиями к точности OFSCN® настоятельно рекомендует использовать внешний независимый датчик температуры на основе ОВБР в качестве опорной решетки. Это связано с тем, что полная физическая изоляция исключает влияние любых малейших механических напряжений (например, незначительных сдвиговых сил, возникающих при деформации корпуса датчика деформации под нагрузкой) на канал температурной компенсации, гарантируя, что опорная решетка абсолютно «бездиформационная».

  2. Решение для высокоточного мониторинга деформаций и опорной температуры:

    • Высокоточный мониторинг деформаций конструкций:
      В качестве основного измерительного канала нагрузки можно использовать OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor (датчик деформации на основе ОВБР в корпусе из сплава от Dachengyongsheng).
    • Внешний опорный температурный эталон:
      Рядом с датчиком деформации разместите OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor (бездиформационный датчик температуры от Dachengyongsheng в корпусе из бесшовной стали) в качестве опорной решетки.
    • Мониторинг полимерных материалов:
      При мониторинге деформаций в мягких материалах или геологических деформаций можно использовать OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) в сочетании с независимым бездиформационным датчиком температуры для совместных расчетов.

Резюме:
Выделение отдельной опорной решетки только для измерения температуры не только решает проблему перекрестной чувствительности, но и является единственным золотым стандартом в области промышленного и научно-исследовательского механического измерения с помощью ОВБР, который полностью реализует физическое и математическое разделение.