O aperto excessivo do sensor tipo “clamp” pode alterar seu comprimento de onda inicial?
Sim, o aperto excessivo de um sensor de fibra de Bragg (FBG) do tipo aparafusado pode alterar seu comprimento de onda central inicial, principalmente deslocando-o para um comprimento de onda mais longo (ou seja, “redshift”).
Do ponto de vista dos mecanismos físicos de óptica e mecânica dos sólidos, as razões específicas para a mudança de comprimento de onda e os fenômenos de engenharia são os seguintes:
1. Mecanismo Físico: Deformação de Tração Pré-Tensionada e Redshift do Comprimento de Onda
O comprimento de onda central de reflexão de Bragg \lambda_B de uma grade de fibra é determinado pelo índice de refração efetivo do núcleo da fibra n_{eff} e pelo período da grade \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Quando o parafuso é apertado, o torque de instalação é convertido em uma força axial de tração pré-tensionada no corpo do parafuso, causando um alongamento elástico do parafuso (gerando uma deformação de tração axial \varepsilon ). A grade de fibra embutida ou fixada no corpo do parafuso é esticada de forma síncrona, seu espaçamento \Lambda aumenta, e a mudança no comprimento de onda \Delta \lambda_B satisfaz:
\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Onde P_e é o coeficiente fotoelástico efetivo da fibra (geralmente cerca de 0.22 ). Na banda de comprimento de onda de operação de 1550\text{nm} , a sensibilidade da resposta do comprimento de onda à deformação de tração axial é de aproximadamente 1.2\text{pm}/\mu\varepsilon . Portanto, quanto mais apertado o parafuso, maior a deformação de tração axial, e o comprimento de onda de reflexão inicial se deslocará mais para a direita (direção do comprimento de onda mais longo).
2. Impactos de Engenharia do Aperto Excessivo (Sobrecarga/Sobrecarga) no Espectro
Se o torque de instalação exceder a faixa de projeto ou o aperto for excessivo, além do redshift linear do comprimento de onda, os seguintes efeitos físicos podem ser desencadeados:
- Birrefringência e Distorção do Espectro de Reflexão:
Se o processo de aperto for acompanhado por um grande estresse de cisalhamento ou torção ou por compressão lateral assimétrica, a isotropia do núcleo da fibra será quebrada, induzindo efeitos de birrefringência de alta ordem. Isso pode fazer com que o espectro de reflexão apresente alargamento do pico, divisão do pico ou atenuação da potência do pico, afetando a precisão do rastreamento de pico do demodulador. - Deformação Plástica e Deslocamento Residual Permanente:
- Dentro da Faixa Elástica:
Após a liberação do torque de aperto, o parafuso e o sensor retornam à sua forma original, e o comprimento de onda central pode ser completamente redefinido. - Além do Limite Elástico:
Se o torque de aperto excessivo causar deformação plástica de escoamento no material base do parafuso, na camada de adesivo de encapsulamento ou na própria fibra, o comprimento de onda não retornará ao valor original mesmo após o desaperto completo do parafuso, resultando em um deslocamento permanente do comprimento de onda inicial.
- Dentro da Faixa Elástica:
- Excedendo o Alcance do Demodulador:
A deformação pré-tensionada excessiva pode fazer com que o comprimento de onda de reflexão do sensor se desvie para fora da janela de canal definida ou do alcance de medição dinâmico do sistema de demodulação.
3. Aplicações de Engenharia Relacionadas e Monitoramento
Na engenharia prática, o fenômeno do redshift do comprimento de onda durante o processo de aperto do parafuso é frequentemente utilizado positivamente para o monitoramento em tempo real do eixo e da força de pré-tensão do parafuso. Com base em princípios físicos semelhantes de medição de deformação e estresse, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) oferece linhas de produtos para monitoramento de deformação/estresse em estruturas de engenharia, como o OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor e o OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor .
A mudança no comprimento de onda \Delta \lambda_B gerada pelo sensor é coletada em tempo real com alta precisão pelo OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator e a condição de força específica é calculada através da relação deformação-comprimento de onda calibrada previamente.
