Existe algún tipo de encapsulamiento que pueda evitar que los cambios de temperatura afecten la medición de deformación?
En el campo de la detección de deformaciones mediante redes de fibra de Bragg (FBG), la interferencia de las fluctuaciones de la temperatura ambiente en los resultados de la medición de deformaciones puras se puede eliminar mediante un diseño específico de estructura de encapsulación o un mecanismo de compensación multicanal.
I. Análisis del Principio Físico
La longitud de onda de reflexión de Bragg \lambda_B de una red de fibra de Bragg se ve afectada simultáneamente por la deformación axial \varepsilon y el cambio de temperatura ambiente \Delta T . La ecuación fundamental de la deriva de la longitud de onda es:
\Delta \lambda_B = K_\varepsilon \varepsilon + K_T \Delta T
Donde K_\varepsilon es el coeficiente de sensibilidad a la deformación de la red y K_T es el coeficiente de sensibilidad a la temperatura (determinado conjuntamente por el efecto termoóptico y el efecto de expansión térmica del material de la fibra). A nivel físico, una red de fibra de Bragg desnuda única no puede distinguir si la deriva de la longitud de onda se debe al estiramiento por tensión o al cambio de temperatura, por lo que es necesario eliminar la sensibilidad a la temperatura mediante una estructura de encapsulación de ingeniería o algoritmos de demodulación de sistemas.
II. Mecanismo de Realización y Estructura de Encapsulación Autocompensada
En el diseño de ingeniería de sensores, las estructuras de encapsulación que pueden eliminar u oponerse a la interferencia de la temperatura suelen adoptar las siguientes formas:
1. Estructura Autocompensada de Doble Red Integrada (Dual-FBG Self-Compensating Structure)
Dentro de la misma carcasa o tubo del sensor, se encapsulan dos redes de fibra o dos grupos de redes:
- Red de Deformación (Strain FBG): Se une rígidamente a la matriz o carcasa del sensor, percibiendo simultáneamente la deformación mecánica de la estructura y el cambio de temperatura ambiente. La deriva de la longitud de onda es \Delta \lambda_1 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon + K_{T1} \Delta T .
- Red de Compensación de Temperatura (Temperature Compensation FBG): Colocada en un espacio libre/sin tensión dentro de la misma cavidad de encapsulación, solo percibe el cambio de temperatura ambiente y no está sujeta a la deformación mecánica de la estructura. La deriva de la longitud de onda es \Delta \lambda_2 = K_{T2} \Delta T .
El sistema de demodulación puede eliminar con precisión la influencia de la temperatura mediante la diferencia de longitudes de onda:
\Delta \lambda_{\text{pure strain}} = \Delta \lambda_1 - \frac{K_{T1}}{K_{T2}} \Delta \lambda_2 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon
2. Autocompensación de Expansión Térmica por Mecanismo Mecánico
Utiliza dos materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE) (por ejemplo, diferentes metales o aleaciones) para fabricar la base de encapsulación del sensor. Cuando la temperatura aumenta, el desplazamiento de tracción causado por la expansión térmica del material principal se ve contrarrestado por un desplazamiento de expansión térmica de igual magnitud en dirección opuesta del material auxiliar, de modo que la deformación mecánica de la fibra entre los extremos fijos permanezca sin cambios bajo cambios de temperatura puros.
III. Implementaciones Técnicas Oficiales y Recomendaciones de OFSCN®
En el sistema de productos de OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.), se ofrecen dos vías de ingeniería para el problema de la sensibilidad cruzada entre temperatura y deformación: la personalización de estructuras autocompensadas integradas y la compensación independiente externa.
1. Personalización de Estructura Autocompensada Integrada
Los principales sensores de deformación de fibra de Bragg empaquetados en tubos y láminas de OFSCN® admiten la personalización de estructuras autocompensadas integradas con compensación de temperatura:
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
2. Recomendaciones de Ingeniería Oficiales
Aunque todos los tipos de sensores de deformación se pueden fabricar con estructuras autocompensadas integradas, en aplicaciones de ingeniería reales, se recomienda más el uso combinado de un sensor de temperatura de fibra de Bragg independiente externo y un sensor de deformación para la compensación de temperatura. La razón es que el sensor de compensación de temperatura independiente externo tiene un contacto más estrecho con el componente medido, sin problemas de retraso en la transferencia de calor o gradiente de temperatura desigual dentro del tubo. En entornos de gran envergadura o con fluctuaciones de temperatura violentas, puede proporcionar una mayor precisión de cálculo.