Pour mesurer la déformation, comment déduire la variation de longueur d’onde due à l’augmentation de la température ambiante ?
Dans la mesure par capteur à réseau de Bragg dans fibre (FBG), la fibre présente simultanément une sensibilité à la déformation et une sensibilité thermique. Cet effet physique est appelé sensibilité croisée (Cross-sensitivity). Lorsque la température ambiante augmente, le décalage de longueur d’onde induit par la température doit être déduit par une méthode de « compensation de température » afin d’obtenir la déformation mécanique réelle de la structure mesurée.
I. Mécanisme physique et relation de couplage de longueur d’onde
La longueur d’onde centrale de réflexion \lambda_B d’un FBG est déterminée par l’indice de réfraction effectif du cœur n_{\text{eff}} et le pas du réseau \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Lorsque le capteur se trouve dans un environnement de température et de contrainte variables, le décalage total de la longueur d’onde \Delta \lambda_{\text{total}} est la superposition linéaire des effets de déformation et de température :
\Delta \lambda_{\text{total}} = \Delta \lambda_\varepsilon + \Delta \lambda_T = K_\varepsilon \cdot \varepsilon + K_T \cdot \Delta T
- \varepsilon : Déformation mécanique réelle de la structure mesurée (micro-déformation, \mu\varepsilon).
- K_\varepsilon : Coefficient de sensibilité à la déformation (causé par l’effet photoélastique et la déformation géométrique, généralement d’environ 1.2 \ \text{pm}/\mu\varepsilon dans la bande de 1550 \ \text{nm}).
- \Delta T : Variation de la température ambiante (^\circ\text{C}).
- K_T : Coefficient de sensibilité à la température (causé par l’effet thermo-optique et l’effet de dilatation thermique ; les fibres nues ordinaires sont d’environ 10 \ \text{pm}/^\circ\text{C} ; les capteurs encapsulés peuvent varier en fonction du coefficient de dilatation thermique du substrat ou du matériau de la structure).
Si l’effet de température n’est pas déduit, un décalage vers le rouge d’environ 10 \ \text{pm} causé par une augmentation de température de 1^\circ\text{C} serait erronément interprété comme une déformation de traction d’environ 8 \sim 10 \ \mu\varepsilon dans le calcul.
II. Méthodes de mise en œuvre pour déduire la longueur d’onde de température dans l’ingénierie
1. Méthode du capteur de température de référence externe (recommandée par l’ingénierie, précision la plus élevée)
Dans la zone adjacente au capteur de déformation, déployer un capteur de température FBG entièrement exempt de contrainte mécanique pour suivre en temps réel le champ de température ambiant local :
- Obtenir la référence de température : Le capteur de température externe n’est affecté que par la température ambiante, et sa variation de longueur d’onde est la suivante :\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{ref}} \cdot \Delta T
- Déduire le terme de température : Calculer la variation de température ambiante \Delta T à partir du coefficient d’étalonnage et déduire le terme de dérive de température du décalage total du réseau de déformation :\Delta \lambda_\varepsilon = \Delta \lambda_{\text{total}} - K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
- Calculer la déformation réelle :\varepsilon = \frac{\Delta \lambda_\varepsilon}{K_\varepsilon}
2. Méthode différentielle à double réseau (compensation intégrée)
Dans la structure interne du capteur, connecter en série ou en parallèle deux réseaux de fibres :
- Réseau 1 (mesure de déformation et de température) : Ancré étroitement à l’élément de structure mesuré, sensible à la « déformation + température » ;
- Réseau 2 (isolation mécanique, mesure uniquement de la température) : Placé dans une cavité interne sans contrainte, suit uniquement les variations de température ;
- Découplage algorithmique : Le démodulateur supprime directement les variations communes de longueur d’onde de température des deux canaux par calcul différentiel.
III. Produits officiels pertinents et conseils techniques
Les capteurs de déformation à fibre optique à réseau de Bragg de type tube et type plaquette développés par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) prennent en charge la personnalisation de réseaux de compensation intégrés. Cependant, pour une surveillance d’ingénierie de haute précision, il est officiellement recommandé d’utiliser la méthode « capteur de déformation + capteur de température à réseau de fibre optique externe voisin » pour la compensation de température, afin d’éviter les écarts de compensation causés par les gradients thermiques locaux entre l’élément de structure et le capteur.
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Utilise un processus d’encapsulation en tube d’alliage élastique pour mesurer avec précision la déformation/contrainte axiale de la structure de base. Le coefficient d’étalonnage longueur d’onde-déformation uniaxiale ( \mu\varepsilon/\text{pm} ) est fourni en usine et peut être utilisé en combinaison avec un capteur de température pour un découplage de température de haute précision.
2. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Encapsulé dans un tube en acier sans soudure miniaturisé, la fibre interne est en état de suspension libre sans contrainte, offrant une excellente réponse de transfert de chaleur et une grande précision de mesure de température. C’est un standard idéal pour la compensation de température externe dans la mesure de déformation en environnement à température ambiante et météorologique.
