Повлияет ли чрезмерное затягивание болтового датчика на его начальную длину волны?
Да, чрезмерное затягивание болтовых датчиков волоконно-оптической решетки (FBG) может изменить их начальную центральную длину волны, в основном вызывая смещение в сторону более длинных волн (т. е. «красное смещение»).
С точки зрения оптических и твердотельных механических физических принципов, конкретные причины изменения длины волны и инженерные явления заключаются в следующем:
1. Физический механизм: Предварительное натяжение растягивающего напряжения и красное смещение длины волны
Центральная длина волны отражения Брэгга волоконно-оптической решетки \lambda_B определяется эффективным показателем преломления сердцевины n_{eff} и периодом решетки \Lambda:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
При затягивании болта крутящий момент преобразуется в осевую силу предварительного натяжения болтового стержня, вызывая упругое удлинение болта (создавая осевую растягивающую деформацию \varepsilon). Волокно с решеткой, встроенное или закрепленное в болтовом элементе, синхронно растягивается, увеличивая шаг решетки \Lambda. Смещение длины волны \Delta \lambda_B удовлетворяет:
\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Где P_e — эффективный фотоупругий коэффициент волокна (обычно около 0.22). В рабочем диапазоне волн 1550\text{nm} чувствительность отклика длины волны к осевой растягивающей деформации составляет примерно 1.2\text{pm}/\mu\varepsilon. Следовательно, чем сильнее затянут болт, тем больше осевая растягивающая деформация, и тем сильнее начальная длина волны отражения смещается вправо (в сторону более длинных волн).
2. Инженерные последствия чрезмерного затягивания (перегрузка/перегрузка) для спектра
Если крутящий момент при установке превышает расчетный диапазон или болт затянут слишком сильно, помимо линейного красного смещения длины волны могут возникнуть следующие физические эффекты:
- Двулучепреломление и искажение спектра отражения:
Если в процессе затягивания возникают значительные напряжения сдвига-кручения или несимметричное боковое сжатие, это нарушает изотропию сердцевины оптического волокна, вызывая высокопорядковое двулучепреломление. Это приводит к уширению пика, расщеплению пика или снижению мощности пика в спектре отражения, что влияет на точность определения пика демодулятором. - Пластическая деформация и постоянное остаточное смещение:
- В пределах упругости:
После снятия крутящего момента затяжки болт и датчик возвращаются в исходное состояние, и центральная длина волны полностью восстанавливается. - Превышение предела упругости:
Если чрезмерный крутящий момент затяжки вызывает пластическую деформацию текучести основного материала болта, герметизирующего клея или самого волокна, даже после полного ослабления болта длина волны не сможет вернуться к исходному значению, что приведет к постоянному смещению начальной длины волны.
- В пределах упругости:
- Превышение диапазона демодулятора:
Чрезмерная предварительная деформация может привести к смещению длины волны отражения датчика за пределы заданного окна канала или диапазона динамических измерений системы демодуляции.
3. Связанные инженерные применения и мониторинг
В реальных инженерных приложениях явление красного смещения длины волны при затяжке болтов часто используется для прямого мониторинга осевой силы и силы предварительного натяжения болтов. Основываясь на аналогичных физических принципах измерения деформации и напряжения, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) предлагает линейку продуктов для мониторинга деформации/напряжения инженерных конструкций, таких как OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor и OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor.
Величина смещения длины волны \Delta \lambda_B, генерируемая датчиком, высокоточно собирается в реальном времени OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator и преобразуется в конкретное силовое состояние посредством предварительно калиброванной зависимости деформации от длины волны.
