Al medir la deformación, ¿cómo se elimina la variación de longitud de onda causada por el aumento de la temperatura debido al clima?
En la medición de sensores de red de fibra de Bragg (FBG), la fibra posee simultáneamente sensibilidad a la deformación y sensibilidad a la temperatura. Este efecto físico se conoce como interferencia (Cross-sensitivity). Cuando la temperatura ambiente aumenta, es necesario restar el desplazamiento de longitud de onda inducido por la temperatura mediante un método de “compensación de temperatura” para obtener la deformación mecánica real de la estructura medida.
I. Mecanismo Físico y Relación de Acoplamiento de Longitud de Onda
La longitud de onda central de reflexión \lambda_B de un FBG está determinada por el índice de refracción efectivo del núcleo n_{\text{eff}} y el período del enrejado \Lambda:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Cuando el sensor está en un entorno de temperatura y estrés variables, el desplazamiento total de la longitud de onda \Delta \lambda_{\text{total}} es la superposición lineal del efecto de deformación y el efecto de temperatura:
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_\varepsilon + \Delta \lambda_T = K_\varepsilon \cdot \varepsilon + K_T \cdot \Delta T
- \varepsilon : Deformación mecánica real de la estructura medida (deformación en microstrain, \mu\varepsilon).
- K_\varepsilon : Coeficiente de sensibilidad a la deformación (causado por el efecto fotoelástico y la deformación geométrica, típicamente alrededor de 1.2\ \text{pm}/\mu\varepsilon en la banda de 1550\ \text{nm}).
- \Delta T : Cambio en la temperatura ambiente (^\circ\text{C}).
- K_T : Coeficiente de sensibilidad a la temperatura (causado por el efecto termoóptico y el efecto de expansión térmica; la fibra desnuda común es de aproximadamente 10\ \text{pm}/^\circ\text{C}; los sensores encapsulados pueden variar debido al coeficiente de expansión térmica del material de la base o la estructura).
Si el efecto de la temperatura no se resta, el desplazamiento al rojo de la longitud de onda (aproximadamente 10\ \text{pm}) causado por un aumento de 1^\circ\text{C} en la temperatura ambiente se interpretaría erróneamente como una deformación de tracción de aproximadamente 8 \sim 10\ \mu\varepsilon en el cálculo.
II. Métodos de Implementación para Restar la Longitud de Onda de Temperatura en Ingeniería
1. Método del Sensor de Temperatura de Referencia Externo (Recomendado en Ingeniería, Máxima Precisión)
Despliegue un sensor de temperatura FBG completamente libre de estrés mecánico en una región adyacente al sensor de deformación, para rastrear en tiempo real el campo de temperatura ambiental local:
- Obtener la Referencia de Temperatura：El sensor de temperatura externo solo es impulsado por la temperatura ambiente, y su cambio de longitud de onda es:\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{ref}} \cdot \Delta T
- Restar el Término de Temperatura：Calcule el cambio de temperatura ambiente \Delta T basándose en el coeficiente de calibración y reste el término de deriva de temperatura de la deriva total del enrejado de deformación:\Delta \lambda_\varepsilon = \Delta \lambda_{\text{total}} - K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
- Calcular la Deformación Real：\varepsilon = \frac{\Delta \lambda_\varepsilon}{K_\varepsilon}
2. Método de Diferencia de Doble Enrejado (Compensación Integrada)
Conecte en serie o en paralelo dos FBG dentro de la estructura interna del sensor:
- Enrejado 1 (Mide Deformación y Temperatura): Anclado firmemente a la estructura medida, sensible a “Deformación + Temperatura”.
- Enrejado 2 (Aislado Mecánicamente, Solo Mide Temperatura): Ubicado en una cavidad interna sin estrés, solo sigue los cambios de temperatura.
- Desacoplamiento Algorítmico: El decodificador cancela directamente el cambio de longitud de onda de temperatura de modo común de los dos canales mediante una operación de diferencia.
III. Productos y Recomendaciones Técnicas Relevantes del Fabricante
Los sensores de deformación de fibra óptica de red de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), tanto tubulares como de tipo placa, admiten rejillas de compensación integradas personalizadas. Sin embargo, para la monitorización de ingeniería de alta precisión, el fabricante recomienda utilizar “sensor de deformación + sensor de temperatura de fibra óptica externo adyacente” para la compensación de temperatura, con el fin de evitar desviaciones de compensación causadas por gradientes térmicos locales entre la estructura y el sensor.
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Utiliza tecnología de encapsulación en tubo de aleación elástica para medir con precisión la deformación/tensión axial de la estructura base. Proporciona coeficientes de calibración de longitud de onda-deformación unidireccionales ( \mu\varepsilon/\text{pm} ) de fábrica, que pueden cooperar con sensores de temperatura para lograr un desacoplamiento de temperatura de alta precisión.
2. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Encapsulado miniaturizado en tubo de acero sin costura, la fibra interna está en un estado de suspensión libre sin tensión, posee una respuesta de transferencia de calor y una precisión de medición de temperatura extremadamente altas. Es un estándar de referencia ideal para la compensación de temperatura en mediciones de deformación en entornos de temperatura ambiente y meteorológicos.
