Существует ли такой корпус, который бы не влиял на измерение деформации при изменении температуры?
Инструмент 0:
Инструмент 0:
В области волоконно-оптических датчиков деформации на основе волоконных брэгговских решеток (FBG) можно устранить влияние колебаний температуры окружающей среды на чистое измерение деформации за счет специальной конструкции корпуса датчика или использования многоканальных механизмов компенсации.
I. Анализ физических принципов
Длина волны Брэгговского отражения волоконной решетки \lambda_B зависит как от осевой деформации \varepsilon , так и от изменения температуры окружающей среды \Delta T . Основное уравнение смещения длины волны выглядит следующим образом:
\Delta \lambda_B = K_\varepsilon \varepsilon + K_T \Delta T
Где K_\varepsilon — коэффициент чувствительности решетки к деформации, а K_T — коэффициент чувствительности к температуре (определяется совокупным воздействием термооптического и терморасширенного эффектов материала волокна). Физически, одна отдельная волоконная решетка не может различить, вызвано ли смещение длины волны растяжением или изменением температуры. Следовательно, необходимо удалять температурную чувствительность посредством инженерной конструкции корпуса или системных алгоритмов демодуляции.
II. Конструкции самокомпенсации и механизмы реализации
В инженерном проектировании датчиков конструкции, способные устранить или компенсировать температурное влияние, обычно используют следующие подходы:
1. Встроенная конструкция самокомпенсации с двумя решетками (Dual-FBG Self-Compensating Structure)
Внутри одного и того же корпуса или трубки датчика инкапсулируются две или две группы волоконных решеток:
- Решетка деформации (Strain FBG): Предварительно закреплена на основе датчика или корпусе, воспринимает как механическую деформацию конструкции, так и изменение температуры окружающей среды. Смещение длины волны: \Delta \lambda_1 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon + K_{T1} \Delta T .
- Решетка температурной компенсации (Temperature Compensation FBG): Расположена в свободном подвешенном / бесконтактном пространстве внутри той же инкапсулирующей полости, воспринимает только изменение температуры окружающей среды и не подвергается механической деформации конструкции. Смещение длины волны: \Delta \lambda_2 = K_{T2} \Delta T .
Система демодуляции может точно устранить температурное влияние путем вычитания длин волн:
\Delta \lambda_{\text{pure strain}} = \Delta \lambda_1 - \frac{K_{T1}}{K_{T2}} \Delta \lambda_2 = K_{\varepsilon 1} \varepsilon
2. Механическая самокомпенсация теплового расширения (Mechanical Self-Compensation)
Используется комбинация двух материалов с разными коэффициентами теплового расширения (CTE) (например, различные металлы или сплавы) для изготовления основания корпуса датчика. При повышении температуры растяжение, вызванное тепловым расширением основного материала, компенсируется равным по величине перемещением в противоположном направлении, вызванным тепловым расширением вспомогательного материала. Это гарантирует, что механическая деформация волокна между фиксированными концами остается неизменной при чисто температурном изменении.
III. Официальные технические решения и рекомендации OFSCN®
В линейке продуктов OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) для решения проблемы перекрестной чувствительности температуры и деформации предлагаются два инженерных подхода: индивидуальная настройка встроенных структур самокомпенсации и внешняя независимая компенсация.
1. Индивидуальная настройка встроенных структур самокомпенсации
Основные трубчатые и плоские датчики деформации на основе волоконных решеток от OFSCN® поддерживают индивидуальную настройку встроенных структур самокомпенсации с температурной компенсацией:
- 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. Официальные инженерные рекомендации
Хотя все типы датчиков деформации могут быть изготовлены со встроенными структурами самокомпенсации, на практике более рекомендуется использовать комбинацию внешнего независимого волоконно-оптического датчика температуры и датчика деформации для температурной компенсации. Причина в том, что внешний независимый датчик температуры лучше прилегает к измеряемому компоненту, устраняя задержки теплопередачи или неравномерность температурного градиента внутри трубки. Это обеспечивает более высокую точность расчета в условиях больших перепадов или резких температурных колебаний.