Почему некоторые растровые изображения чувствительны к температуре, а другие — к давлению?
Это очень классический вопрос о принципе и практическом применении датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (FBG).
По своей физической сути, незащищенные волоконные брэгговские решетки (Bare FBG) естественно чувствительны как к температуре, так и к механическим деформациям (а следовательно, к давлению, напряжению, силе и т. д.). Причина, по которой мы видим в реальных инженерных приложениях «некоторые решетки чувствительны к температуре, а другие — к давлению», кроется в конструкции корпуса датчика (Packaging Design) и механизме передачи деформации (Strain Transfer Mechanism).
Ниже представлен подробный анализ с точки зрения физических формул и конструкции корпуса:
I. Физический механизм и формула смещения длины волны
Центральная длина волны отражения \lambda_B волоконной брэгговской решетки определяется следующей основной формулой:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Где n_{eff} — эффективный показатель преломления волокна, а \Lambda — период решетки. Любой физический фактор, изменяющий эти две переменные, вызовет смещение отраженной длины волны \lambda_B .
1. Механизм отклика на изменение температуры
При изменении температуры ( \Delta T ) изменение длины волны выражается следующей формулой:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( \alpha + \xi ) \Delta T
- ** \alpha (коэффициент теплового расширения)**: При повышении температуры тепловое расширение/сжатие материала волокна изменяет период решетки \Lambda .
- ** \xi (термооптический коэффициент)**: Изменение температуры вызывает изменение показателя преломления n_{eff} диоксида кремния в волокне. Для обычного кварцевого волокна термооптический коэффициент является основной составляющей температурной чувствительности длины волны (более 90%).
2. Механизм отклика на деформацию и давление
При воздействии на волоконную брэгговскую решетку осевой деформации ( \epsilon ) или внешней силы изменение длины волны выражается следующей формулой:
\Delta \lambda_B = \lambda_B ( 1 - p_e ) \epsilon
- ** \epsilon (осевая деформация)**: Физическое растяжение непосредственно приводит к физическому удлинению периода решетки \Lambda .
- ** p_e (фотоупругий коэффициент)**: Волоконно-оптический эффект (Photoelastic Effect) при приложении силы изменяет его показатель преломления n_{eff} .
II. Почему одни чувствительны к температуре, а другие — к давлению? (Секреты корпуса)
Поскольку незащищенная волоконная брэгговская решетка чувствительна как к температуре, так и к деформации (т. е. существует перекрестная чувствительность), при непосредственном использовании для измерений невозможно различить, вызвано ли изменение длины волны изменением температуры или приложением силы. Поэтому необходимо «развязать» или «селективно усилить» эти воздействия с помощью технологии инкапсуляции.
1. Почему «некоторые чувствительны только к температуре»?
Чтобы датчик реагировал только на температуру и не подвергался влиянию внешних сил (деформаций, давления), при изготовлении корпуса датчика используется конструкция без защиты от деформаций (Strain-Free Packaging).
-
Принцип конструкции корпуса:
Волоконная брэгговская решетка помещается внутрь защитной трубки, и сама решетка находится в свободном скользящем (несвязанном) состоянии, не будучи жестко закрепленной с внешним корпусом на концах. -
Эффект:
Когда внешняя структура растягивается, изгибается или подвергается давлению, деформация полностью приходится на жесткий внешний корпус и не передается на внутреннюю решетку. Внутренняя решетка испытывает свободное тепловое расширение и изменение показателя преломления только за счет теплопередачи окружающей среды, поэтому она становится чисто температурным датчиком. -
Соответствие официальной продукции OFSCN®:
Высокоточные температурные датчики, разработанные Dachengshengsheng, такие как OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor и OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor , достигают чисто температурной чувствительности путем бесшовного инкапсулирования в однослойную стальную трубу без деформаций, что исключает помехи от деформации для температурного сигнала.
2. Почему «некоторые чувствительны к давлению или деформации»?
Чтобы датчик высокочувствительно реагировал на давление, напряжение или деформацию, при изготовлении корпуса используется конструкция с жестким соединением (Rigid-Coupled Packaging).
-
Принцип конструкции корпуса:
Концы или вся длина волоконной брэгговской решетки надежно закрепляются на эластичной чувствительной основе (например, на эластичной легированной трубе, диафрагме, твердом сплаве или полимерном композите) с помощью высокопрочного клея, металлизированной сварки или механических зажимов. -
Эффект:
Когда чувствительная основа подвергается внешнему напряжению, растяжению или поверхностному давлению, небольшая деформация, возникающая в основе, напрямую и без потерь передается на волоконную брэгговскую решетку, заставляя ее период \Lambda растягиваться или сжиматься, что обеспечивает высокую чувствительность к механическим сигналам. -
Соответствие официальной продукции OFSCN®:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor : Использует высокопрочную легированную трубу для инкапсуляции, преобразуя давление и напряжение внутри материала в деформацию решетки для точной калибровки.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensor : С помощью твердосплавной основы и трех измерительных участков волоконной брэгговской решетки, расположенных по окружности под углом 120 градусов, эффективно передает многомерное давление на решетку; часто используется для измерения многонаправленного давления на поверхности твердых тел и силы прокола в медицине.
III. Температурная компенсация датчиков давления
Поскольку решетка, чувствительная к давлению/деформации, одновременно подвергается воздействию силы, а ее диоксид кремния также испытывает смещение длины волны из-за температуры, в реальных измерениях механических величин нам требуется температурная компенсация (Temperature Compensation).
В реальных инженерных приложениях внутри механического датчика или рядом с ним обычно размещают волоконно-оптический датчик температуры на брэгговской решетке, находящийся в безнагрузочном состоянии (скользящем состоянии) (например, внешний OFSCN® Fiber Bragg Grating Temperature Sensor). При обработке данных:
\Delta \lambda_{measured} = \Delta \lambda_{strain} + \Delta \lambda_{temp}
Вычитая смещение датчика температуры из общего изменения длины волны, можно устранить ложные помехи от изменения температуры, вызванные деформацией, и получить абсолютные точные значения давления или деформации.