Le serrage excessif d’un capteur à boulon modifie-t-il sa longueur d’onde initiale ?
Oui, un capteur à fibre optique à réseau de Bragg (FBG) à boulonnement excessif modifiera sa longueur d’onde centrale initiale, principalement en la déplaçant vers les longueurs d’onde plus longues (un « décalage vers le rouge »).
Du point de vue des mécanismes physiques de l’optique et de la mécanique des solides, les raisons spécifiques de la modification de la longueur d’onde et les phénomènes d’ingénierie sont les suivants :
1. Mécanisme Physique : Précontrainte de Traction et Décalage vers le Rouge de la Longueur d’Onde
La longueur d’onde centrale de réflexion de Bragg \lambda_B d’un réseau de fibre optique est déterminée par l’indice de réfraction effectif du cœur n_{eff} et la période du réseau \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Lorsque le boulon est serré, le couple d’installation est converti en une force de précontrainte axiale dans le corps du boulon, provoquant une dilatation élastique du boulon (générant une déformation axiale de traction \varepsilon). Le réseau FBG, intégré ou fixé dans le corps du boulon, est étiré de manière synchrone, sa période de réseau \Lambda augmente. Le déplacement de la longueur d’onde \Delta \lambda_B satisfait :
\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Où P_e est le coefficient photoélastique effectif de la fibre (généralement d’environ 0,22). Dans la bande de fonctionnement de 1550 \text{nm}, la sensibilité de la réponse en longueur d’onde due à la déformation axiale de traction est d’environ 1,2 \text{pm}/\mu\varepsilon. Par conséquent, plus le serrage est important, plus la déformation axiale de traction est grande, et plus la longueur d’onde de réflexion initiale se décale vers la droite (vers les longueurs d’onde plus longues).
2. Effets d’Ingénierie du Serrage Excessif (Surcharge/Surcharge) sur le Spectre
Si le couple d’installation dépasse la plage de conception ou si le serrage est excessif, en plus du décalage linéaire de la longueur d’onde vers le rouge, les effets physiques suivants peuvent également être déclenchés :
- Biréfringence et Distorsion du Spectre de Réflexion :
Si des contraintes de cisaillement et de torsion importantes ou une compression latérale asymétrique accompagnent le processus de serrage, l’isotropie du cœur de la fibre peut être perturbée, induisant des effets de biréfringence de haut ordre. Cela peut entraîner un élargissement du pic, une division du pic ou une atténuation de la puissance du pic dans le spectre de réflexion, affectant la précision du repérage du chercheur de pic. - Déformation Plastique et Décalage Résiduel Permanent :
- Dans la plage élastique : Une fois le couple de serrage relâché, le boulon et le capteur retrouvent leur forme d’origine, et la longueur d’onde centrale peut être complètement restaurée.
- Au-delà de la limite élastique : Si le couple de serrage excessif provoque une déformation plastique du matériau de base du boulon, de la couche d’adhésif d’encapsulation ou de la fibre elle-même, la longueur d’onde ne pourra pas revenir à sa valeur d’origine même après avoir complètement desserré le boulon, entraînant un décalage permanent de la longueur d’onde centrale initiale.
- Dépassement de la Plage de Mesure du Démodulateur :
Une précontrainte excessive peut faire en sorte que la longueur d’onde de réflexion du capteur dérive en dehors de la fenêtre de canal définie ou de la plage de mesure dynamique du système de démodulation.
3. Applications d’Ingénierie et Surveillance Connexes
Dans les applications d’ingénierie réelles, le phénomène de décalage vers le rouge de la longueur d’onde pendant le processus de serrage des boulons est souvent utilisé positivement pour la surveillance en temps réel de la force axiale et de la précontrainte des boulons. Sur la base de principes physiques similaires de mesure de la déformation et de la contrainte, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) propose des gammes de produits pour la surveillance de la déformation/contrainte des structures d’ingénierie, tels que le OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor et le OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor.
Le déplacement de la longueur d’onde \Delta \lambda_B généré par le capteur est collecté en temps réel avec une grande précision par le OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator, et l’état de contrainte spécifique est calculé via la relation déformation-longueur d’onde étalonnée au préalable.
