¿Por qué algunos rasters son sensibles a la temperatura y otros a la presión?
Esta es una pregunta clásica sobre los principios de detección de la red de Bragg de fibra (FBG) y sus aplicaciones de ingeniería.
En esencia física, las FBG desnudas (FBG desnudas) son naturalmente sensibles tanto a la temperatura como a la deformación mecánica (y por lo tanto, a la presión, el esfuerzo, la tensión, etc.). La razón por la que vemos en aplicaciones prácticas que “algunas redes son sensibles a la temperatura y otras a la presión” radica en el diseño de la estructura de encapsulación del sensor y el mecanismo de transferencia de deformación.
A continuación, le ofrecemos un análisis profesional desde las perspectivas de las fórmulas físicas y el encapsulado estructural:
I. Mecanismo Físico y Fórmula de Desplazamiento de Longitud de Onda
La longitud de onda central de reflexión \lambda_B de una FBG está determinada por la siguiente fórmula básica:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Donde n_{eff} es el índice de refracción efectivo de la fibra y \Lambda es el espaciado de la rejilla (período). Cualquier factor físico que cause cambios en estas dos variables provocará un desplazamiento de la longitud de onda de reflexión \lambda_B .
1. Mecanismo de Respuesta al Cambio de Temperatura
Cuando la temperatura cambia ( \Delta T ), el cambio en la longitud de onda se expresa mediante la siguiente fórmula:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( \alpha + \xi ) \Delta T
- ** \alpha (Coeficiente de expansión térmica)**: Cuando la temperatura aumenta, la expansión y contracción térmica del material de la fibra causan un cambio en el espaciado de la rejilla \Lambda .
- ** \xi (Coeficiente termoóptico)**: El cambio de temperatura provoca un cambio en el índice de refracción n_{eff} del material de sílice de la fibra. Para las fibras de sílice ordinarias, el coeficiente termoóptico es la parte principal de la sensibilidad de la longitud de onda a la temperatura (representa más del 90%).
2. Mecanismo de Respuesta a la Deformación y la Presión
Cuando la FBG está sujeta a deformación axial ( \epsilon ) o fuerza externa, el cambio en la longitud de onda se expresa mediante la siguiente fórmula:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( 1 - p_e ) \epsilon
- ** \epsilon (Deformación axial)**: El estiramiento físico alarga físicamente el espaciado de la rejilla \Lambda .
- ** p_e (Coeficiente fotoelástico)**: La fibra sufre el efecto fotoelástico bajo fuerza, lo que hace que su índice de refracción n_{eff} cambie.
II. ¿Por qué algunos son sensibles a la temperatura y otros a la presión? (El secreto del encapsulado)
Dado que las FBG desnudas son sensibles tanto a la temperatura como a la deformación (es decir, existe un problema de sensibilidad cruzada), es imposible distinguir si el cambio en la longitud de onda se debe a un cambio de temperatura o a un cambio de fuerza cuando se utilizan directamente para la medición. Por lo tanto, es necesario “desacoplar” o “mejorar selectivamente” ambos mediante tecnología de encapsulación.
1. ¿Por qué “algunos solo son sensibles a la temperatura”?
Para que el sensor solo responda a la temperatura y no se vea afectado por ninguna fuerza externa (deformación, presión), se utiliza un diseño de encapsulación libre de tensiones (Encapsulado libre de tensiones).
-
Principio de encapsulación:
La FBG se coloca dentro de un tubo protector, y la red en sí está en un estado de deslizamiento libre (sin restricciones), sin fijación rígida a los extremos del tubo exterior. -
Efecto:
Cuando la estructura externa se estira, se dobla o soporta presión, la deformación es asumida completamente por la carcasa protectora rígida y no se transmite a la red interna. La red interna solo experimenta expansión térmica libre y cambios de índice de refracción debido a la conducción de la temperatura ambiente, por lo que se convierte en un sensor de temperatura puro. -
Correspondencia de producto oficial OFSCN®:
Los sensores de temperatura de alta precisión desarrollados por Dacheng Yongsheng, como el Sensor de Temperatura FBG OFSCN® de 300 °C y el Sensor de Temperatura FBG OFSCN® de 500 °C, logran una sensibilidad de temperatura pura a través de un proceso de incrustación sin costuras de tubo de acero de una sola capa, evitando la interferencia de la deformación en la señal de temperatura.
2. ¿Por qué “algunos son sensibles a la presión o la deformación”?
Para que el sensor sea altamente sensible a la presión, el esfuerzo o la deformación, se debe utilizar un diseño de acoplamiento rígido (Encapsulado con acoplamiento rígido) durante el encapsulado.
-
Principio de encapsulación:
Los extremos o toda la sección de la FBG se fijan firmemente a un sustrato sensible elástico (como un tubo de aleación elástica, un diafragma, una aleación dura o un polímero) mediante adhesivos de alta resistencia, soldadura metalizada o abrazaderas mecánicas. -
Efecto:
Cuando el sustrato sensible está sujeto a tensión externa, estiramiento o presión superficial, la pequeña deformación generada por el sustrato se transmite directa e inofensivamente a la FBG, forzando su período \Lambda a estirarse o comprimirse, mostrando así una alta sensibilidad a las señales mecánicas. -
Correspondencia de producto oficial OFSCN®:
- Sensor de Esfuerzo FBG OFSCN®: Utiliza un tubo de aleación de alta resistencia para el encapsulado, convirtiendo la presión y el esfuerzo dentro del material en deformación de la red para una calibración precisa.
- Sensor de Fuerza 3D FBG OFSCN®: A través de un sustrato de aleación dura y tres segmentos de medición de FBG distribuidos circunferencialmente a 120 grados, la presión multidimensional se transmite eficientemente a la red, utilizada comúnmente para medir la presión multidireccional en superficies sólidas y la fuerza de punción médica.
III. Compensación de Temperatura para Sensores de Presión
Dado que la red sensible a la presión/deformación, mientras está bajo carga, todavía experimenta un desplazamiento de longitud de onda debido a los cambios de temperatura en su material de sílice, necesitamos realizar una compensación de temperatura en la medición mecánica real.
En aplicaciones de ingeniería prácticas, normalmente se coloca un sensor de temperatura FBG en un estado libre de tensiones (estado de deslizamiento) con una estructura idéntica cerca o dentro del sensor mecánico (por ejemplo, un Sensor de Temperatura FBG OFSCN® externo). Durante la desmodulación de datos:
\Delta \lambda_{measured} = \Delta \lambda_{strain} + \Delta \lambda_{temp}
Al restar la deriva causada por el cambio de temperatura del sensor de compensación de temperatura de la cantidad total de cambio de longitud de onda, se pueden eliminar las interferencias falsas de deformación causadas por los cambios de temperatura, obteniendo valores de presión o deformación absolutos y precisos.