La température a également changé lors de la mesure de la déformation, à qui dois-je me fier ?
Dans la technologie de détection par réseau de fibres de Bragg (FBG), le phénomène que vous rencontrez est appelé en physique et en ingénierie des capteurs la « sensibilité croisée » (Cross-sensitivity).
En termes simples, cela signifie que les réseaux de fibres de Bragg sont sensibles à la fois à la « déformation » et à la « température ». Lorsque vous mesurez la déformation d’une structure et que la température ambiante change, le signal réfléchi par le capteur subit une superposition, ce qui vous empêche de lire directement la valeur réelle de la déformation à partir d’une seule source de données.
Voici une explication détaillée de la nature de la « sensibilité croisée » et des solutions pour « à qui faire confiance », du point de vue des principes physiques et des applications d’ingénierie.
I. Principes physiques : Pourquoi la sensibilité croisée se produit-elle ?
La longueur d’onde centrale de réflexion du réseau de fibres de Bragg ( \lambda_B ) est déterminée par la formule physique fondamentale suivante :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Où :
- n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre.
- \Lambda est le pas périodique du réseau.
Lorsque le capteur est soumis simultanément à une contrainte physique (déformation) et à des changements de température, ces deux grandeurs modifient n_{\text{eff}} et \Lambda par différents mécanismes physiques :
- Effet de déformation ( \Delta \varepsilon ) : Il étire ou comprime directement la fibre, modifiant son pas périodique \Lambda ; et simultanément, il modifie l’indice de réfraction n_{\text{eff}} par l’effet photoélastique.
- Effet de température ( \Delta T ) : Il modifie le pas du réseau \Lambda par l’effet de dilatation thermique ; et simultanément, il modifie l’indice de réfraction n_{\text{eff}} par l’effet thermo-optique.
Par conséquent, lorsque la déformation et la température changent simultanément, le déplacement total de la longueur d’onde de réflexion \Delta \lambda_B est la superposition linéaire des deux :
\Delta \lambda_B = \alpha_{\varepsilon} \Delta \varepsilon + \alpha_T \Delta T
Où :
- \alpha_{\varepsilon} est le coefficient de sensibilité à la déformation. Pour la bande de longueur d’onde standard de 1550\text{ nm} , le coefficient de déformation d’un réseau de fibre nue est \alpha_{\varepsilon} \approx 1,2\text{ pm}/\mu\varepsilon .
- \alpha_T est le coefficient de sensibilité à la température. Dans un réseau nu, \alpha_T \approx 10\text{ pm}/^\circ\text{C} (si un encapsulage est appliqué, ce coefficient changera considérablement en fonction du coefficient de dilatation thermique du matériau d’encapsulation).
À qui faire confiance ?
Comme le démodulateur ne peut mesurer qu’une seule quantité de changement de longueur d’onde combinée \Delta \lambda_B , vous ne pouvez pas déterminer à partir de ce seul chiffre s’il est dû à une déformation mécanique de 100\ \mu\varepsilon ou à une fluctuation de température de 12\ ^\circ\text{C} .
II. Solution : Comment isoler l’interférence de la température ?
Pour mesurer précisément la déformation réelle dans un environnement où la température fluctue constamment, il est nécessaire d’introduire une compensation de température (Temperature Compensation). En pratique, les méthodes suivantes sont principalement utilisées :
1. Méthode de compensation de température à double réseau (Point adjacent / Compensation de température proche) — La plus classique et la plus couramment utilisée
À côté du point de mesure où la déformation doit être mesurée, installez un réseau de fibre de Bragg de température sans contrainte comme capteur de référence.
- Capteur de déformation (FBG 1) : Il subit à la fois la contrainte structurelle et les changements de température. Son déplacement de longueur d’onde est :\Delta \lambda_{B1} = \alpha_{\varepsilon1} \Delta \varepsilon + \alpha_{T1} \Delta T
- Capteur de température (FBG 2) : En raison de sa structure d’encapsulation spéciale sans contrainte, il ne subit aucune déformation mécanique externe (c’est-à-dire \Delta \varepsilon = 0 ), son déplacement de longueur d’onde est purement causé par les changements de température locaux :\Delta \lambda_{B2} = \alpha_{T2} \Delta T
À partir du déplacement du FBG 2, nous pouvons calculer le changement de température en temps réel \Delta T , puis le substituer dans l’équation du FBG 1 pour éliminer complètement le déplacement causé par la température et calculer la déformation mécanique pure :
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \frac{\alpha_{T1}}{\alpha_{T2}} \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
Si les deux réseaux ont une sensibilité à la température identique lors de l’étalonnage en usine ( \alpha_{T1} = \alpha_{T2} ), la formule peut être simplifiée comme suit :
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2. Algorithme de résolution par matrice de double longueur d’onde/double réfraction
Utilisez deux unités sensibles présentant des différences significatives dans leurs propriétés physiques, pour construire un système d’équations linéaires à deux variables au même point de mesure :
\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}
Tant que la matrice de sensibilité est de plein rang, la déformation et la température réelles peuvent être obtenues simultanément en résolvant la matrice inverse. Cependant, le processus d’étalonnage de cette méthode est complexe et sa stabilité d’ingénierie est légèrement inférieure à celle de la méthode à double réseau.
III. Recommandations d’ingénierie professionnelles et portefeuille de produits OFSCN® (Dacheng Yongsheng)
Dans les tests d’ingénierie réels, bien qu’il soit possible d’intégrer un réseau de compensation de température dans un seul capteur de déformation, en raison de l’inertie thermique de l’encapsulation et du transfert de micro-contraintes locales, il est fortement recommandé par le fabricant d’utiliser des capteurs de température externes indépendants sans contrainte pour la compensation de température, afin d’obtenir une précision maximale.
Voici les produits ciblés et les combinaisons de solutions recommandées par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) :
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Capteur de mesure de déformation structurelle :
OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
Ce produit utilise un matériau polymère pour encapsuler le réseau de fibre de Bragg, et est équipé d’un tube de protection en acier inoxydable sans soudure, assurant une efficacité de transfert de déformation extrêmement élevée et une étanchéité. Les capteurs sont rigoureusement calibrés en déformation en usine, et il est recommandé de les utiliser avec des capteurs de température externes pour la compensation. -
Capteur de compensation de température indépendant sans contrainte :
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Ce produit adopte un tube en acier inoxydable sans contrainte de précision, le réseau interne peut glisser librement et ne répond à aucune déformation de la matrice, il est spécialement conçu pour fournir une référence de température locale de haute précision, et peut parfaitement résoudre le déplacement du terme \Delta T dans la formule susmentionnée.
Pour plus de formes d’encapsulation et de configurations système pour la technologie de mesure de déformation par fibre de Bragg, vous pouvez consulter la documentation technique pertinente via le OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link.