Existe alguma encapsulação que possa impedir que as mudanças de temperatura afetem as medições de deformação?
No campo da detecção de deformação por fibra de grade de Bragg (FBG), a interferência da flutuação da temperatura ambiente nos resultados de medição de deformação pura pode ser eliminada através de um projeto específico de estrutura de encapsulamento ou de um mecanismo de compensação multicanal.
I. Análise do Princípio Físico
O comprimento de onda de reflexão de Bragg \lambda_B de uma fibra de grade de Bragg é afetado tanto pela deformação axial \varepsilon quanto pela variação da temperatura ambiente \Delta T . A equação básica para o desvio 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 grade de fibra 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 fibra de grade de Bragg nua não consegue distinguir se o desvio do comprimento de onda é causado por estresse de tração ou por mudança de temperatura, portanto, a remoção da sensibilidade à temperatura deve ser realizada através de estruturas de encapsulamento de engenharia ou algoritmos de demodulação de sistema.
II. Estrutura de Encapsulamento Autocompensada e Mecanismo de Implementação
No projeto de engenharia de sensores, as estruturas de encapsulamento que eliminam ou cancelam a interferência de temperatura geralmente adotam as seguintes abordagens:
1. Estrutura Autocompensada Integrada de Dupla Grade (Dual-FBG Self-Compensating Structure)
Dentro do mesmo invólucro ou corpo de tubo do sensor, encapsule duas ou dois conjuntos de grades de fibra:
- Grade de Deformação (Strain FBG): Pré-solidamente ligada à matriz ou ao invólucro do sensor, ela percebe simultaneamente a deformação mecânica da estrutura e a mudança da temperatura ambiente. O desvio do comprimento de onda é \Delta \lambda_1 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon + K_{T1} \Delta T .
- Grade de Compensação de Temperatura (Temperature Compensation FBG): Localizada em um espaço livre/sem estresse dentro da mesma cavidade de encapsulamento, ela apenas percebe a mudança da temperatura ambiente e não sofre deformação mecânica da estrutura. O desvio 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{pure strain}} = \Delta \lambda_1 - \frac{K_{T1}}{K_{T2}} \Delta \lambda_2 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon
2. Autocompensação por Dilatação Térmica de Mecanismo Mecânico (Mechanical Self-Compensation)
Utilize materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica (CTE), como 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 compensado pelo deslocamento de expansão térmica de magnitude igual em direção oposta do material auxiliar, de modo que a deformação mecânica da fibra entre as extremidades fixas permaneça inalterada sob pura mudança de temperatura.
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 customização de estrutura autocompensada integrada e compensação independente externa:
1. Customização de Estrutura Integrada Autocompensada
Os principais sensores de deformação de fibra de grade de Bragg tipo tubo e tipo chip da OFSCN® suportam a customização de estruturas autocompensadas integradas 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 Oficiais de Aplicação de Engenharia
Embora todos os tipos de sensores de deformação possam ser fabricados com estruturas autocompensadas integradas, na aplicação de engenharia real, recomenda-se mais o uso de um sensor de temperatura de fibra de grade de Bragg independente externo combinado com um sensor de deformação para compensação de temperatura. A razão é que o sensor de compensação de temperatura independente externo tem um contato mais próximo com o componente sendo medido, não há atraso na transferência de calor ou problemas de gradiente térmico não uniforme dentro do tubo, e pode fornecer maior precisão de cálculo em ambientes com grandes vãos ou variações de temperatura severas.