La temperatura también cambió cuando medí la deformación, ¿a quién debo creer?
En la tecnología de detección de redes de fibra de Bragg (FBG), el fenómeno que has encontrado se denomina en física e ingeniería de sensores «sensibilidad cruzada» (Cross-sensitivity).
En términos sencillos, significa que la red de fibra es sensible simultáneamente a la «deformación» y la «temperatura». Cuando mides la deformación de una estructura y la temperatura ambiente cambia, la señal reflejada por el sensor se superpone, lo que te impide leer el valor real de deformación directamente de una sola fuente de datos.
A continuación, te explicaremos en detalle la naturaleza de la «sensibilidad cruzada» y la solución de «¿A quién debes hacer caso?» desde los principios físicos y las aplicaciones de ingeniería.
I. Principios Físicos: ¿Por qué ocurre la sensibilidad cruzada?
La longitud de onda central de reflexión (longitud de onda de Bragg) \lambda_B de una red de fibra viene determinada por la siguiente fórmula física fundamental:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Donde:
- n_{\text{eff}} es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra.
- \Lambda es el período del paso de la red.
Cuando el sensor se ve afectado simultáneamente por estiramiento físico (deformación) y cambios de temperatura, estas dos cantidades físicas alteran n_{\text{eff}} y \Lambda a través de diferentes mecanismos físicos:
- Efecto de deformación ( \Delta \varepsilon ): Estira o comprime directamente la fibra, alterando su período de paso \Lambda ; y al mismo tiempo, altera el índice de refracción n_{\text{eff}} a través del efecto fotoelástico.
- Efecto de temperatura ( \Delta T ): Altera el período de la red \Lambda a través del efecto de expansión térmica; y al mismo tiempo, altera el índice de refracción n_{\text{eff}} a través del efecto termo-óptico.
Por lo tanto, cuando la deformación y la temperatura cambian simultáneamente, el desplazamiento total de la longitud de onda de reflexión \Delta \lambda_B es una superposición lineal de ambas:
\Delta \lambda_B = \alpha_{\varepsilon} \Delta \varepsilon + \alpha_T \Delta T
Donde:
- \alpha_{\varepsilon} es el coeficiente de sensibilidad a la deformación. En la banda estándar de 1550\text{ nm} , el coeficiente de deformación de una red de fibra desnuda es \alpha_{\varepsilon} \approx 1.2\text{ pm}/\mu\varepsilon .
- \alpha_T es el coeficiente de sensibilidad a la temperatura. En estado de red desnuda, \alpha_T \approx 10\text{ pm}/^\circ\text{C} (si se ha encapsulado, este coeficiente cambiará significativamente según el coeficiente de expansión térmica del material de encapsulación).
¿A quién debes hacer caso?
Dado que el decodificador solo puede medir un cambio de longitud de onda combinado \Delta \lambda_B , no puedes determinar con este único número si se debe a una deformación mecánica de 100\ \mu\varepsilon o a una fluctuación de temperatura de 12\ ^\circ\text{C} .
II. Soluciones: ¿Cómo eliminar la interferencia de la temperatura?
Para medir con precisión la deformación real en un entorno con cambios de temperatura constantes, es necesario introducir la compensación de temperatura (Temperature Compensation). En la práctica de ingeniería, se utilizan principalmente los siguientes métodos:
1. Método de compensación de temperatura de doble red (punto único/temperatura cercana) — el más clásico y común
Instala una red de fibra de referencia de temperatura sin estrés junto al punto de medición de deformación.
- Sensor de deformación (FBG 1): Sometido tanto a la tensión estructural como a los cambios de temperatura. Su desplazamiento de longitud de onda es:\Delta \lambda_{B1} = \alpha_{\varepsilon1} \Delta \varepsilon + \alpha_{T1} \Delta T
- Sensor de temperatura (FBG 2): Debido a su estructura especial de encapsulación sin estrés, no soporta ninguna deformación mecánica externa (es decir, \Delta \varepsilon = 0 ), su desplazamiento de longitud de onda se debe puramente a cambios de temperatura locales:\Delta \lambda_{B2} = \alpha_{T2} \Delta T
Mediante el desplazamiento de la FBG 2, podemos calcular el cambio de temperatura en tiempo real \Delta T , y luego sustituirlo en la ecuación de la FBG 1 para eliminar completamente el desplazamiento causado por la temperatura y calcular la deformación mecánica pura:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \frac{\alpha_{T1}}{\alpha_{T2}} \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
Si las dos redes tienen la misma sensibilidad a la temperatura ( \alpha_{T1} = \alpha_{T2} ) durante la calibración de fábrica, la fórmula se puede simplificar aún más:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2. Algoritmo de solución de matriz de doble longitud de onda/doble birrefringencia
Utiliza dos unidades sensibles con diferencias significativas en las propiedades físicas del material para construir un sistema de dos ecuaciones lineales en el mismo punto de medición:
\begin{bmatrix} \Delta \lambda_1 \\ \Delta \lambda_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \alpha_{\varepsilon1} \alpha_{T1} \\ \alpha_{\varepsilon2} \alpha_{T2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Delta \varepsilon \\ \Delta T \end{bmatrix}
Siempre que la matriz de sensibilidad sea de rango completo, la deformación y la temperatura reales se pueden obtener simultáneamente resolviendo la matriz inversa. Sin embargo, el proceso de calibración de este método es complejo y su estabilidad de ingeniería es ligeramente inferior a la del método de doble red.
III. Sugerencias de ingeniería profesional y combinaciones de productos de OFSCN® (Cheng Sheng Yong Sheng)
En las pruebas de ingeniería reales, aunque se puede integrar una red de compensación de temperatura dentro de un único sensor de deformación, debido a la inercia térmica del encapsulado y la transmisión de micro-esfuerzos locales, se recomienda encarecidamente el uso de un sensor de temperatura de red de fibra independiente y sin estrés para la compensación de temperatura para obtener la máxima precisión.
A continuación, se presentan productos específicos y combinaciones de soluciones recomendadas proporcionadas por Beijing Cheng Sheng Yong Sheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®):
-
Sensor de medición de deformación estructural:
Sensor de Deformación de Red de Fibra de Bragg Encapsulada en Polímero OFSCN® (diámetro 1.5 mm/2.3 mm)
Este producto utiliza encapsulación de material polimérico para la red de fibra y está equipado con una funda protectora de acero inoxidable sin costura, lo que garantiza una eficiencia de transferencia de deformación extremadamente alta y un rendimiento a prueba de agua. Los sensores se calibran rigurosamente para deformación en fábrica y se recomienda su uso junto con sensores de compensación de temperatura externos. -
Sensor de compensación de temperatura independiente sin estrés:
Sensor de Temperatura de Red de Fibra de Bragg OFSCN® de 500 °C
Este producto utiliza un tubo de acero inoxidable de precisión sin estrés, la red interna puede deslizarse libremente y no responde a ninguna deformación de la matriz, diseñado específicamente para proporcionar valores de referencia de temperatura locales de alta precisión, que pueden resolver perfectamente el desplazamiento del término \Delta T en la fórmula anterior.
Para más formas de encapsulación y configuraciones de sistemas de tecnología de medición de deformación de redes de fibra de Bragg, puede consultar la documentación técnica relacionada a través del Enlace de Agregación de Productos de Sensores de Deformación FBG de OFSCN®.