O aperto excessivo do parafuso pode causar um desvio no comprimento de onda inicial do sensor? Como corrigir isso?
Sim, apertar excessivamente ou apertar de forma desigual os parafusos inevitavelmente causará um desvio no comprimento de onda inicial dos sensores de fibra de rede de Bragg (FBG). Essa tensão parasita e desvio de comprimento de onda introduzidos durante a instalação mecânica são comumente chamados de Tensão de Instalação (Installation Stress) na engenharia de sensoriamento óptico.
I. Mecanismo Físico: Por que o aperto excessivo do parafuso causa desvio no comprimento de onda inicial?
O comprimento de onda central de reflexão \lambda_B de uma Rede de Bragg de Fibra (FBG) é determinado pelo índice de refração efetivo da fibra n_{\text{eff}} e pelo espaçamento da grade \Lambda:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Quando o sensor é fixado ao substrato a ser medido através de parafusos, placas de pressão ou grampos mecânicos, o aperto do parafuso induz os seguintes efeitos físicos:
- Deformação por Transferência Estrutural: A força de pré-carga e o torque de aperto do parafuso causam deformação elástica localizada nos suportes da extremidade de fixação, nas arruelas ou no substrato a ser medido. Para sensores de deformação/tensão fixados em ambas as extremidades, pequenas alterações na distância entre os pontos de fixação são transferidas diretamente para o núcleo da grade através da estrutura de encapsulamento rígido, causando alongamento ou compressão física do espaçamento da grade \Lambda.
- Efeito Fotoelástico: A deformação de tração causa um desvio para o vermelho do comprimento de onda da grade (desvio na direção do comprimento de onda mais longo), enquanto a deformação de compressão causa um desvio para o azul (desvio na direção do comprimento de onda mais curto). Em fibras ópticas de sílica monomodo convencionais, a sensibilidade à deformação axial é de aproximadamente 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon (na banda de 1550\ \text{nm}).
- Distorção Espectral Devido à Torção e Pressão Lateral: Se a fixação não for simétrica durante o aperto do parafuso, ou se o torque for transmitido diretamente para o segmento sensível do sensor através do grampo, isso pode causar compressão transversal e aumento da birrefringência na fibra. Isso não só causa um desvio no comprimento de onda inicial, mas também pode levar ao alargamento do espectro de reflexão, deterioração da simetria ou até mesmo ao aparecimento de picos duplos/divididos.
II. Métodos de Correção e Controle de Engenharia
Para o desvio do comprimento de onda causado pela tensão de instalação, a correção geralmente é feita a partir de duas perspectivas: controle do processo de instalação e calibração da linha de base pelo algoritmo de software:
1. Redefinição da Linha de Base do Software (Calibração de Zero)
As fórmulas de calibração de fábrica para sensores de deformação/tensão FBG geralmente são relações lineares ou de primeira ordem (em unidades de \mu\varepsilon/\text{pm}). Se o espectro após a instalação não apresentar picos duplos/divididos e o desvio do comprimento de onda inicial estiver dentro do alcance elástico projetado do sensor:
- Redefinir o Comprimento de Onda de Referência \lambda_0: Após o aperto do parafuso ser concluído e o escoamento mecânico transiente ser liberado, o comprimento de onda estável atual é definido como o comprimento de onda de referência inicial medido \lambda_0'.
- Cálculo da Quantidade Relativa: A deformação monitorada posteriormente é calculada como \Delta\lambda = \lambda(t) - \lambda_0', subtraindo diretamente a tensão estática de instalação.
- Verificar o Alcance Efetivo: É necessário confirmar o desvio de comprimento de onda ocupado pela tensão de instalação, para evitar a ocupação do alcance de medição unidirecional nominal do sensor ou do demodulador (por exemplo, se o alcance nominal do sensor for \ge 6000\ \mu\varepsilon ou \ge 10000\ \mu\varepsilon, a margem dinâmica restante deve atender às necessidades de medição).
2. Monitoramento de Comprimento de Onda Online e Controle de Torque
- Monitoramento de Instalação com Demodulação em Tempo Real: Conecte o sensor a um demodulador FBG (Interrogator) e leia o valor do comprimento de onda em tempo real durante o aperto do parafuso.
- Aperto Simétrico e Gradual: Use uma chave de torque e aperte de forma simétrica e em etapas incrementais (por exemplo, 30\% \rightarrow 60\% \rightarrow 100\% do torque alvo), observando a mudança no comprimento de onda para evitar carga excêntrica unilateral.
- Ajuste Fino de Pré-tensão: Se o projeto do sensor exigir uma quantidade específica de pré-tensão inicial, o comprimento de onda inicial pode ser precisamente bloqueado na janela alvo ajustando a posição do parafuso, monitorando a leitura do comprimento de onda no demodulador.
3. Desacoplamento e Isolamento da Estrutura Mecânica
- Uso Correto de Grampos de Acoplamento: Para sensores encapsulados em tubo (como estruturas encapsuladas em tubo de liga), os pontos de fixação devem ser estritamente limitados às flanges ou grampos de instalação dedicados nas extremidades do sensor. É proibido aplicar força de aperto de parafuso radial no meio do tubo de proteção que abriga a área da grade sensível.
- Eliminar Torque de Rotação: Ao apertar a porca do parafuso, use uma chave auxiliar para fixar a estrutura da extremidade do sensor. É estritamente proibido aplicar diretamente a força de torque de cisalhamento rotacional gerada pela rotação do parafuso no corpo do sensor.
III. Produtos Padrão e Referências Estruturais Relacionadas
No sistema de sensoriamento da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), as estruturas de encapsulamento para sensores de deformação e tensão possuem características de transferência de força bem definidas:
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor: Adota encapsulamento de transferência rígida com tubo de liga elástico sem costura, com um alcance de medição padrão de \ge 6000\ \mu\varepsilon. Possui boa consistência de transferência axial e capacidade de resistência ao cisalhamento lateral ao ser fixado com grampos de parafuso.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor: Construído com base na estrutura de deformação do tubo de liga, a tensão do componente medido é obtida pela relação entre o módulo de elasticidade do material e a deformação medida (\sigma = E \cdot \varepsilon). Sob condições de pré-carga de parafuso, os mesmos princípios de acoplamento de deformação e correção de linha de base se aplicam.
