O aperto excessivo do sensor tipo “clamp” pode alterar seu comprimento de onda inicial?
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Sim, apertar excessivamente um sensor de fibra de rede de Bragg (FBG) tipo parafuso pode alterar seu comprimento de onda central inicial, principalmente causando um deslocamento para comprimentos de onda mais longos (ou seja, um “desvio para o vermelho”).
Do ponto de vista dos mecanismos físicos de óptica e mecânica dos sólidos, as razões específicas para a mudança no comprimento de onda e os fenômenos de engenharia são os seguintes:
1. Mecanismo Físico: Pré-tensão de Tração e Desvio para o Vermelho 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 (n_{eff}) e pelo período da grade (\Lambda):
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Quando um parafuso é apertado, o torque de instalação é convertido em uma força axial de pré-tensão 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, aumentando seu período (\Lambda). 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 operação de 1550\text{nm}, a sensibilidade da resposta do comprimento de onda à deformação axial de tração 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 (em direção a comprimentos de onda mais longos).
2. Impactos de Engenharia do Apertar Excessivo (Sobrecarga/Sobrecarga) no Espectro
Se o torque de instalação exceder a faixa de projeto ou se o parafuso for apertado demais, além do desvio linear do comprimento de onda para o vermelho, os seguintes efeitos físicos podem ser induzidos:
- Birrefringência e Distorção do Espectro de Reflexão:
Se tensões de cisalhamento ou torção significativas ou compressão lateral assimétrica acompanharem o processo de aperto, a isotropia do núcleo da fibra pode ser violada, induzindo efeitos de birrefringência de alta ordem. Isso pode levar a um alargamento do pico, divisão do pico ou atenuação da potência do pico no espectro de reflexão, afetando a precisão de busca do demodulador. - Deformação Plástica e Desvio Residual Permanente:
- Dentro da Faixa Elástica:
Após a liberação do torque de aperto, o parafuso e o sensor retornam ao seu estado original, e o comprimento de onda central pode ser completamente restaurado. - Além do Limite de Elasticidade:
Se o torque de aperto excessivo causar deformação plástica por escoamento no material base do parafuso, na camada de encapsulamento adesivo ou na própria fibra, o comprimento de onda não retornará ao valor original mesmo após o desaperto completo do parafuso, resultando em um desvio permanente do comprimento de onda inicial.
- Dentro da Faixa Elástica:
- Excedendo a Faixa de Operação do Demodulador:
A deformação de pré-tensão excessiva pode fazer com que o comprimento de onda de reflexão do sensor desvie para fora da janela de canal definida ou da faixa de medição dinâmica do sistema de demodulação.
3. Aplicações e Monitoramento de Engenharia Relacionados
Na engenharia prática, o fenômeno do desvio do comprimento de onda para o vermelho durante o processo de aperto de parafusos é frequentemente utilizado positivamente para o monitoramento em tempo real da força axial e da pré-tensão em parafusos. Com base em princípios físicos semelhantes de medição de deformação e tensão, a Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) oferece linhas de produtos para monitoramento de deformação/tensão 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 estresse específica é calculada por meio da relação deformação-comprimento de onda calibrada previamente.
