Температура тоже изменилась во время измерения деформации, кому мне верить?
В технологии зондирования на основе брэгговских решеток в оптическом волокне (FBG) явление, с которым вы столкнулись, известно в физике и инженерии датчиков как «перекрестная чувствительность» (Cross-sensitivity).
Проще говоря, это означает, что оптические брэгговские решетки чувствительны одновременно к «деформации» и «температуре». Когда вы измеряете деформацию конструкции, если температура окружающей среды изменяется, сигнал, отраженный от датчика, будет перекрываться, что не позволит вам напрямую определить истинное значение деформации только по одному источнику данных.
Ниже приводится подробное объяснение сути «перекрестной чувствительности» и решение «кому верить» с точки зрения физических принципов и инженерного применения.
I. Физические принципы: почему возникает перекрестная чувствительность?
Центральная длина волны отражения брэгговской решетки (Bragg wavelength) \lambda_B определяется следующей фундаментальной физической формулой:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Где:
- n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления сердцевины волокна.
- \Lambda — период решетки.
Когда датчик подвергается одновременному воздействию физического растяжения (деформации) и изменения температуры, эти два физических параметра изменяют n_{\text{eff}} и \Lambda через различные физические механизмы:
- Эффект деформации ( \Delta \varepsilon ): прямо растягивает или сжимает оптическое волокно, изменяя его период решетки \Lambda ; одновременно изменяет показатель преломления n_{\text{eff}} через фотоупругий эффект (Photoelastic effect).
- Температурный эффект ( \Delta T ): изменяет период решетки \Lambda через эффект теплового расширения; одновременно изменяет показатель преломления n_{\text{eff}} через термооптический эффект (Thermo-optic effect).
Таким образом, когда деформация и температура изменяются одновременно, общее смещение длины волны отражения \Delta \lambda_B является линейной суммой обоих:
\Delta \lambda_B = \alpha_{\varepsilon} \Delta \varepsilon + \alpha_T \Delta T
Где:
- \alpha_{\varepsilon} — коэффициент чувствительности к деформации. Для стандартного диапазона волн 1550\text{ nm} коэффициент деформации для оголенной брэгговской решетки \alpha_{\varepsilon} \approx 1.2\text{ pm}/\mu\varepsilon .
- \alpha_T — коэффициент температурной чувствительности. В состоянии оголенной решетки \alpha_T \approx 10\text{ pm}/^\circ\text{C} (если выполнено инкапсулирование, этот коэффициент значительно изменится в зависимости от коэффициента теплового расширения инкапсулирующего материала).
Кому верить?
Поскольку демодулятор в конечном итоге может измерить только одно комбинированное изменение длины волны \Delta \lambda_B , вы не можете определить только по этому числу, вызвано ли оно механической деформацией 100\ \mu\varepsilon или температурным колебанием 12\ ^\circ\text{C} .
II. Решение: как устранить температурное влияние?
Для точного измерения истинной деформации в условиях постоянно меняющейся температуры необходимо внедрить температурную компенсацию (Temperature Compensation). В инженерной практике используются следующие основные методы:
1. Метод температурной компенсации с двумя решетками (метод одновременного/соседнего температурного компенсатора) — самый классический и часто используемый
Рядом с точкой измерения деформации устанавливается эталонный датчик температуры на основе оптической брэгговской решетки, не подверженный деформации.
- Датчик деформации (FBG 1): подвергается как деформации конструкции, так и температурным изменениям. Его смещение длины волны:\Delta \lambda_{B1} = \alpha_{\varepsilon1} \Delta \varepsilon + \alpha_{T1} \Delta T
- Датчик температуры (FBG 2): благодаря своей специальной конструкции, не подверженной деформации, он полностью не подвергается внешним механическим деформациям конструкции (т.е. \Delta \varepsilon = 0 ), и его смещение длины волны вызвано исключительно локальными температурными изменениями:\Delta \lambda_{B2} = \alpha_{T2} \Delta T
По величине смещения длины волны FBG 2 мы можем рассчитать фактическое изменение температуры \Delta T , а затем подставить его в уравнение для FBG 1, чтобы полностью устранить смещение, вызванное температурой, и рассчитать чистое механическое напряжение:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \frac{\alpha_{T1}}{\alpha_{T2}} \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
Если две решетки имеют одинаковую температурную чувствительность при заводской калибровке ( \alpha_{T1} = \alpha_{T2} ), формула может быть далее упрощена:
\Delta \varepsilon = \frac{\Delta \lambda_{B1} - \Delta \lambda_{B2}}{\alpha_{\varepsilon1}}
2. Алгоритм решения с использованием двух длин волн/двух показателей преломления
Используются два чувствительных элемента со значительно отличающимися физическими свойствами материала. В одной и той же точке измерения строится система двух линейных уравнений:
\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}
До тех пор, пока матрица чувствительности не вырождена, истинные деформация и температура могут быть получены путем решения обратной матрицы. Однако этот метод сложен в калибровке, а его инженерная стабильность несколько уступает методу двух решеток.
III. Профессиональные инженерные рекомендации и портфель продуктов OFSCN® (DaCheng YongSheng)
При фактических инженерных испытаниях, хотя температурную компенсацию можно интегрировать в один датчик деформации, из-за тепловой инерционности инкапсуляции и передачи локальной микродеформации, официально настоятельно рекомендуется использовать внешний независимый датчик температуры на основе оптической брэгговской решетки без деформации для температурной компенсации, чтобы добиться максимальной точности.
Ниже представлены специализированные продукты и рекомендуемые комплексные решения от Beijing DaCheng YongSheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®):
-
Датчик деформации конструкции:
OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter)
Этот продукт использует полимерное инкапсулирование брэгговской решетки оптического волокна и оснащен бесшовной защитной гильзой из нержавеющей стали, что обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность передачи деформации и водонепроницаемость. Датчики проходят строгую калибровку деформации на заводе, рекомендуется использовать в сочетании с внешним датчиком температурной компенсации. -
Независимый датчик температурной компенсации без деформации:
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Этот продукт использует точное бесшовное инкапсулирование в трубу из нержавеющей стали. Внутренняя решетка может свободно скользить и не реагирует на деформацию основного материала, предназначен для предоставления высокоточных локальных значений температуры, что позволяет идеально решить проблему смещения члена \Delta T в вышеуказанной формуле.
Для получения дополнительной информации о формах инкапсуляции и конфигурациях систем для технологий измерения деформации с использованием оптических брэгговских решеток, вы можете ознакомиться с соответствующей технической документацией по ссылке OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link.