Existe alguma encapsulação que possa impedir que as mudanças de temperatura afetem as medições de deformação?
Em sensores de deformação de fibra de vidro com rede de Bragg (FBG), a interferência da flutuação da temperatura ambiente nos resultados de medição de deformação pura pode ser eliminada através do design de estruturas de encapsulamento específicas ou mecanismos de compensação multicanal.
I. Análise do Princípio Físico
O comprimento de onda de reflexão de Bragg \lambda_B de uma rede de fibra de vidro é influenciado simultaneamente pela deformação axial \varepsilon e pela mudança de temperatura ambiente \Delta T . A equação básica para o deslocamento do comprimento de onda é:
\Delta \lambda_B = K_\varepsilon \varepsilon + K_T \Delta T
Onde K_\varepsilon é o coeficiente de sensibilidade à deformação da rede e K_T é o coeficiente de sensibilidade à temperatura (determinado conjuntamente pelo efeito termo-óptico e pelo efeito de expansão térmica do material da fibra). Fisicamente, uma única rede de fibra de vidro nua não pode distinguir se o deslocamento do comprimento de onda é causado por estresse de tração ou por mudança de temperatura, portanto, a remoção sensível à temperatura deve ser realizada por meio de estruturas de encapsulamento de engenharia ou algoritmos de demodulação de sistema.
II. Estrutura de Encapsulamento Autocompensador e Mecanismo de Implementação
No projeto de engenharia de sensores, as estruturas de encapsulamento que podem eliminar ou neutralizar a interferência de temperatura geralmente adotam as seguintes abordagens:
1. Estrutura Autocompensadora de Rede Dupla Integrada (Dual-FBG Self-Compensating Structure)
Dentro do mesmo invólucro ou tubo do sensor, encapsule duas redes de fibra de vidro ou dois conjuntos de redes:
- Rede de Deformação (Strain FBG): Pré-fixada à base do sensor ou ao invólucro, percebe simultaneamente a deformação mecânica da estrutura e a mudança de temperatura ambiente. O deslocamento do comprimento de onda é \Delta \lambda_1 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon + K_{T1} \Delta T .
- Rede de Compensação de Temperatura (Temperature Compensation FBG): Localizada em uma cavidade livre/sem estresse dentro da mesma câmara de encapsulamento, percebe apenas a mudança de temperatura ambiente e não suporta deformação mecânica da estrutura. O deslocamento do comprimento de onda é \Delta \lambda_2 = K_{T2} \Delta T .
O sistema de demodulação pode eliminar com precisão o efeito da temperatura através da diferença de comprimento de onda:
\Delta \lambda_{\text{deformação pura}} = \Delta \lambda_1 - \frac{K_{T1}}{K_{T2}} \Delta \lambda_2 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon
2. Autocompensação Mecânica por Expansão Térmica (Mechanical Self-Compensation)
Utiliza a combinação de duas ou mais materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica (CTE) (por exemplo, diferentes metais ou ligas) para fabricar a base de encapsulamento do sensor. Quando a temperatura aumenta, o deslocamento de tração causado pela expansão térmica do material principal é neutralizado pelo deslocamento de expansão térmica de magnitude igual e direção oposta do material auxiliar, garantindo que a deformação mecânica da fibra entre as extremidades fixas permaneça inalterada sob variação de temperatura pura.
III. Implementação Técnica Oficial e Recomendações da OFSCN®
Na linha de produtos OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.), para o problema de sensibilidade cruzada entre temperatura e deformação, oferecemos caminhos de engenharia de estrutura de compensação integrada ou compensação independente externa:
1. Personalização de Estrutura Integrada de Autocompensação
Os principais sensores de deformação de fibra de vidro em tubo e em pastilha da OFSCN® suportam a personalização de estruturas integradas autocompensadoras com compensação 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. Recomendações de Aplicação de Engenharia Oficial
Embora todos os tipos de sensores de deformação possam ser fabricados com estruturas integradas de autocompensação, na aplicação prática de engenharia, é mais recomendado o uso de um sensor de temperatura de fibra de vidro independente externo combinado com um sensor de deformação para compensação de temperatura. A razão é: um sensor de compensação de temperatura independente externo tem uma ligação mais próxima com o componente a ser medido, eliminando problemas de atraso na transferência de calor ou gradiente de temperatura desigual dentro do tubo. Em ambientes com grandes vãos ou flutuações de temperatura severas, ele pode fornecer maior precisão de cálculo.