Оказывает ли влияние на результаты измерений то, что датчики имеют длину 10 см и 1 м?
В технологии волоконно-оптических решеток (FBG) для зондирования, длина инкапсуляции датчика (в механических измерениях часто называемая базовой длиной, англ.: Gauge Length) является ключевым параметром, определяющим его физические измерительные свойства. Изготовление датчика длиной 10\text{ см} или 1\text{ м} оказывает решающее физическое влияние на результаты измерений, проявляющееся в следующих трех аспектах:
1. Влияние на физическое измерение: локальная деформация против усредненной региональной деформации
Волоконно-оптический решетчатый датчик деформации измеряет среднюю деформацию в пределах своей эффективной длины инкапсуляции (базовой длины L). Основная физическая зависимость выглядит следующим образом:
\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}
Где \varepsilon — измеренная датчиком деформация, \Delta L — общее смещение деформации между двумя точками крепления (анкеровки) этого измерительного участка, а L — базовая длина.
- Датчик 10\text{ см} (измерение локальной деформации):
Он отражает уровень деформации в очень малом локальном участке. Если в измеряемой конструкции имеется локальная концентрация напряжений, развитие микротрещин или деформация края сварного шва, датчик длиной 10\text{ см} обеспечивает очень высокое пространственное разрешение, точно фиксируя пик локальной деформации. - Датчик 1\text{ м} (измерение усредненной региональной деформации):
Он отражает макроскопическую тенденцию деформации в пределах одного метра. Если в этом одном метре существует локальное изменение деформации, датчик с большой базовой длиной «сгладит» или разбавит это локальное изменение. Он очень подходит для использования с неоднородными средами, такими как бетон или грунты, для экранирования помех, вызванных локальной неоднородностью материала, и получения общего макроскопического состояния нагрузки.
2. Разрешение измерения и чувствительность обнаружения смещения
Когда датчик деформации используется для квази-распределенного мониторинга смещений, поскольку:
\text{Смещение} = L \times \varepsilon
Предположим, что измеряемая конструкция (например, стык плотины или трещина моста) испытывает фиксированное, локальное микроскопическое смещение (например, трещина раскрылась на \Delta L = 0.1\text{ mm}):
-
Для датчика 10\text{ см} (L = 100\text{ mm}):
Результирующая деформация будет:\varepsilon = \frac{0.1\text{ mm}}{100\text{ mm}} = 1000\ \mu\varepsilon
Это вызовет чрезвычайно значительный сдвиг длины волны отраженного света (\Delta \lambda).
-
Для датчика 1\text{ м} (L = 1000\text{ mm}):
Результирующая деформация будет только:\varepsilon = \frac{0.1\text{ mm}}{1000\text{ mm}} = 100\ \mu\varepsilon
Величина сдвига длины волны уменьшится в десять раз по сравнению с предыдущим случаем. Поэтому при измерении фиксированного локального смещения датчики с короткой базовой длиной обладают более высоким разрешением по смещению и более высоким соотношением сигнал/шум.
3. Тепловой поток и эффект теплопроводности при измерении температуры
Если речь идет о волоконно-оптическом решетчатом датчике температуры, чувствительная область самой решетки (FBG) обычно составляет всего около 10\text{ мм}, что соответствует точечным измерениям. Длина инкапсуляции в 10\text{ см} или 1\text{ м} зависит в основном от общей длины защитной гильзы:
- Ошибка теплопроводности (эффект теплоотвода/тепловой утечки):
Если между измеряемой средой и окружающей средой существует значительная разница температур, металлическая защитная гильза, такая как нержавеющая сталь, будет проводить тепло вдоль своей длины. Если общая длина инкапсуляции датчика составляет всего 10\text{ см} и глубина погружения недостаточна, температура окружающей среды быстро передастся через короткую гильзу к точке измерения температуры решетки внутри, что приведет к заниженным или завышенным показаниям температуры. Гильза длиной 1\text{ м} обеспечивает более глубокое погружение, гарантируя, что точка измерения температуры решетки будет полностью погружена в измеряемое температурное поле, устраняя внешние помехи, вызванные теплопроводностью.
Официальные рекомендации по продукции Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Для удовлетворения разнообразных инженерных потребностей в мониторинге от мельчайших локальных до крупномасштабных макроскопических объектов, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) предлагает линейку продуктов, охватывающих различные длины инкапсуляции (базовые длины):
- Макроскопический мониторинг на большие расстояния/большие базовые длины (диапазон заказных размеров от 10\text{ см} до 5\text{ м}):
Рекомендуется использовать OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter), инкапсулированный в бесшовную полимерную композитную стальную трубу, отличающуюся высокой прочностью, водонепроницаемостью и влагостойкостью.
- Мониторинг конструкций со средними базовыми длинами (диапазон заказных размеров от 10\text{ см} до 2\text{ м}):
Рекомендуется использовать OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor, инкапсулированный в эластичную сплавную трубку, подходящую для обычного мониторинга деформаций или квази-распределенного мониторинга деформаций с несколькими точками измерения.
- Локальный высокоразрешающий мониторинг на очень короткие расстояния (базовая длина опционально 3.6\text{ см}, 7.2\text{ см}, 10.8\text{ см}):
Рекомендуется использовать OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge, металлическую пластину H-образного сечения для поверхностного монтажа, специально разработанную для прецизионного измерения локальных деформаций на коротких расстояниях, где трубчатые датчики не могут быть использованы.
