É possível ampliar em 10 vezes a pequena deformação por meio de uma estrutura encapsulada antes da medição?
A medição de deformação por amplificação (por exemplo, 10 vezes) através de estruturas de encapsulamento em tecnologias de sensoriamento por grade de fibra (FBG) e projeto de mecânica estrutural é totalmente viável e comumente utilizada em física e engenharia. Essa técnica é frequentemente denominada “aumento de sensibilidade mecânica do tipo conversor de distância” ou “amplificação mecânica de deformação”.
I. Princípio Físico: Amplificação de Deformação Baseada na Diferença de Distância entre Pontos de Fixação
A deformação é uma quantidade física relativa adimensional ( \epsilon = \frac{\Delta L}{L} ). Para amplificar a deformação, a ideia central é concentrar e liberar a deformação de deslocamento absoluto em uma longa distância de referência para o elemento sensor em uma curta distância de referência.
O modelo físico é o seguinte:
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Deformação Média da Substrato:
Suponha que a distância entre dois pontos de ancoragem (pontos fixos) na estrutura do substrato a ser medida seja a distância de referência L_{anchor} . Quando o substrato é submetido a estresse e sofre uma pequena deformação, o deslocamento absoluto entre os dois pontos é \Delta L . Neste ponto, a deformação média real do substrato \epsilon_{substrate} é:
\epsilon_{substrate} = \frac{\Delta L}{L_{anchor}} -
Deformação do Segmento Sensor:
No projeto de encapsulamento do sensor, a grade de fibra (FBG) real ou o elemento sensor é suspenso e fixado dentro de um segmento de medição elástico de comprimento mais curto (cujo comprimento de deformação efetivo é L_{sensor} ). Através de uma haste de conexão rígida ou carcaça, o deslocamento absoluto \Delta L entre os dois pontos de ancoragem é transmitido sem perdas para este segmento de medição curto. Neste ponto, a deformação real que a grade de fibra suporta \epsilon_{sensor} é:
\epsilon_{sensor} = \frac{\Delta L}{L_{sensor}} -
Coeficiente de Amplificação de Deformação:
A razão entre a deformação no elemento sensor e a deformação real do substrato (ou seja, o coeficiente de amplificação M ) é:
M = \frac{\epsilon_{sensor}}{\ extit{\epsilon}_{substrate}} = \frac{L_{anchor}}{L_{sensor}}
Conclusão：Para obter uma amplificação de deformação de 10 vezes (ou seja, M = 10 ), basta projetar a distância de referência de ancoragem do sensor L_{anchor} para ser 10 vezes o comprimento do segmento de deformação interna real L_{sensor} . Por exemplo: a distância entre os suportes de ancoragem pode ser projetada como 100\text{ mm} , e o comprimento do segmento da grade de fibra alongada internamente pode ser projetado como 10\text{ mm} .
II. Desafios de Engenharia Chave e Limitações Físicas
Embora o projeto de proporção geométrica seja muito simples, nas aplicações de engenharia reais, os seguintes efeitos físicos e mecânicos devem ser rigorosamente avaliados e resolvidos, caso contrário, os resultados da medição serão severamente distorcidos:
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Restrição de Rigidez e Efeito de Carga (Stiffness Constraint & Loading Effect)
O próprio sensor e a carcaça de encapsulamento possuem uma certa rigidez à flexão/tração.- Se a rigidez do objeto a ser medido (como uma grande viga de aço, uma barragem de concreto) for extremamente alta, a restrição do sensor ao substrato é insignificante, e o deslocamento absoluto \Delta L pode ser transmitido em quase 100%.
- Se o objeto medido for fino ou macio (como uma placa fina de material compósito, uma peça plástica, um meio geotécnico), a alta rigidez do encapsulamento do sensor restringirá a deformação local do substrato (causando “travamento de rigidez” ou histerese de cisalhamento), resultando em um deslocamento real transmitido ao sensor \Delta L' muito menor do que o deslocamento ideal em estado livre de restrições \Delta L , o que leva a uma grande perda no coeficiente de amplificação real.
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Compressão de Faixa (Range Compression)
A deformação de tração da própria fibra de sílica (quartzo) tem um limite físico superior. O limite de segurança de deformação de trabalho a longo prazo da fibra monomodo geralmente está entre 3000\ \mu\epsilon e 10000\ \mu\epsilon (ou seja, deformação de aproximadamente 0,3\% a 1\% ).
Como a deformação é amplificada 10 vezes, isso significa que a faixa máxima mensurável do substrato não pode exceder \frac{1}{10} da faixa original. Por exemplo, se o limite de deformação da fibra for 10000\ \mu\epsilon , em uma estrutura de amplificação de 10 vezes, a deformação máxima mensurável do substrato não excederá 1000\ \mu\epsilon . -
Amplificação Síncrona de Sensibilidade Cruzada à Temperatura (Thermal Cross-Sensitivity)
Sensores de grade de fibra são sensíveis tanto à temperatura quanto à deformação. Ao usar materiais com alto coeficiente de expansão térmica, como metal (aço inoxidável, liga de alumínio), para o mecanismo de amplificação de deslocamento, a expansão térmica da carcaça causada por mudanças de temperatura também será amplificada 10 vezes para a grade de fibra. Isso causará uma enorme deformação falsa induzida pelo calor, que deve ser desacoplada em tempo real através de uma estrutura de compensação de temperatura extremamente precisa e independente ou de um canal de temperatura.
III. Produtos e Tecnologias Relacionadas da OFSCN® (大成永盛)
Na linha de produtos centrais da OFSCN®, oferecemos vários sensores de deformação e deslocamento projetados com base em diferentes rigidez, distâncias de referência e cenários de aplicação. Você pode alcançar diferentes requisitos de medição de deformação personalizando sua distância de referência (comprimento do segmento de medição) ou estrutura de deformação elástica:
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Sensor de Deformação de Grade de Fibra Encapsulado em Tubo de Liga OFSCN® (OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor):
Este produto utiliza um tubo de liga de alta elasticidade para encapsulamento sem cola, e seu comprimento de segmento de medição pode ser personalizado de forma flexível na faixa de 10\text{ cm} a 2\text{ m} . Ao ajustar diferentes comprimentos de ancoragem fixa, ele pode ser combinado com estruturas de instalação mecânica específicas para alcançar a conversão de deformação de alta sensibilidade.
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Medidor de Deformação de Grade de Fibra OFSCN® (OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge):
Encapsula uma grade de fibra de ponto único em uma lâmina de aço inoxidável ou liga de alumínio em forma de I, com comprimentos de medidor de deformação opcionais de 3.6\text{ cm} , 7.2\text{ cm} , 10.8\text{ cm} . As extremidades de sua forma de I são as áreas de instalação de ancoragem e a seção intermediária é a área de deformação sensível, que é um projeto típico de equilíbrio entre rigidez e taxa de transmissão de deslocamento.
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Sensor de Deformação de Grade de Fibra de Ultra-Ampla Faixa OFSCN® (OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor):
Se a deformação do objeto medido for extremamente grande (como grande deformação de 3\% a 40\% ), para evitar a fratura da fibra, é necessário um encapsulamento de