Le serrage excessif d’un capteur à boulon modifie-t-il sa longueur d’onde initiale ?
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Oui, serrer excessivement un capteur à réseau de Bragg à fibre (FBG) de type boulon modifie sa longueur d’onde centrale initiale, et cela se manifeste principalement par un déplacement de la longueur d’onde vers des longueurs d’onde plus longues (c’est-à-dire 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 variation de la longueur d’onde et les phénomènes d’ingénierie sont les suivants :
1. Mécanisme physique : pré-contrainte 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 fibres est déterminée par l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre n_{eff} et le pas du réseau \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Lorsque le boulon est serré, le couple d’installation se transforme en une force de pré-contrainte axiale dans le corps du boulon, provoquant un allongement élastique du boulon (entraînant une déformation de traction axiale \varepsilon). Le réseau de fibres, intégré ou fixé dans le corps du boulon, est étiré de manière synchrone, augmentant son pas \Lambda. 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 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 de traction axiale est d’environ 1.2\text{pm}/\mu\varepsilon. Par conséquent, plus le serrage est important, plus la déformation de traction axiale est grande, et plus la longueur d’onde de réflexion initiale se décale vers la droite (vers les longueurs d’onde plus longues).
2. Impacts techniques sur le spectre en cas de serrage excessif (hors plage/surcharge)
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 être déclenchés :
- Biréfringence et distorsion du spectre de réflexion :
Si un cisaillement ou une torsion importants ou une compression latérale asymétrique accompagnent le processus de serrage, cela peut briser l’isotropie du cœur de la fibre, induisant des effets de biréfringence d’ordre supérieur. Cela entraîne un élargissement du pic du spectre de réflexion, une division du pic ou une atténuation de la puissance du pic, affectant la précision de la recherche du pic par le démodulateur. - Déformation plastique et décalage résiduel permanent :
- Dans la plage élastique : Après la suppression du couple de serrage, le boulon et le capteur retrouvent leur forme initiale, et la longueur d’onde centrale peut être complètement réinitialisée.
- 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’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 initiale.
- Dépassement de la plage du démodulateur :
Une pré-contrainte excessive peut amener la longueur d’onde de réflexion du capteur à dériver au-delà de la fenêtre de canal définie ou de la plage de mesure dynamique du système de démodulation.
3. Applications d’ingénierie et surveillance associées
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 de manière proactive pour la surveillance en temps réel de l’axe du boulon et de la force de pré-contrainte. Sur la base de principes physiques similaires de mesure de la déformation et de la contrainte, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) propose une gamme 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 haute précision par l’OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator et converti en un état de contrainte spécifique grâce à la relation pré-étalonnée entre déformation et longueur d’onde.
