Будет ли сигнал решетки прыгать, если инкапсулированная трубка будет скручена?
В области датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (FBG) вопрос о том, будет ли сигнал решетки «прыгать» или смещаться после скручивания (закручивания) инкапсулирующей трубки, в основном зависит от конструкции инкапсуляции датчика (плотная посадка с муфтой или свободная без напряжения) и физических эффектов, вызываемых крутящим моментом, действующим на сердцевину волокна.
I. Физические механизмы и принцип смещения длины волны
Формула центральной длины волны отражения брэгговской решетки в оптическом волокне:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Где:
- n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления сердцевины;
- \Lambda — период решетки.
Когда внешняя инкапсулирующая трубка подвергается воздействию крутящего момента, флуктуации сигнала определяются следующими механизмами силового и оптического воздействия:
1. Фотоупругий эффект и двулучепреломление (Birefringence)
При скручивании в поперечном сечении волокна возникают неаксиальные касательные напряжения (Shear Stress), которые через фотоупругий эффект нарушают изотропное распределение показателя преломления в сердцевине, вызывая оптическое двулучепреломление. В этом случае два ранее совпадающих пика отражения для разных поляризаций расщепляются (Peak Splitting). Если алгоритм поиска пиков демодулятора распознает прыжки между расщепленными двойными пиками, это проявится как явление «прыгающих» данных.
2. Компонент осевого натяжения (Axial Strain)
В случае плотно посаженных или затвердевших конструкций скручивание трубки обычно сопровождается незначительным компонентом осевого удлинения или растяжения. Это осевое натяжение напрямую передается на сердцевину, изменяя период \Lambda и вызывая заметное смещение центральной длины волны \lambda_B .
3. Затухание оптической мощности и потери на микроизгибах (Microbending Loss)
Если скручивание приводит к микроизгибам или чрезмерному сдавливанию волокна внутри инкапсулирующей трубки, потери при передаче света резко возрастают, а соотношение сигнал/шум (SNR) спектра отражения ухудшается. Когда интенсивность пика отражения падает ниже порога демодулятора, данные демодуляции могут сильно скакать или теряться.
II. Фактическое поведение в различных инкапсулирующих структурах
1. Датчик натяжения (плотная, затвердевшая структура) — сигнал может прыгать или постоянно смещаться
В датчиках натяжения решетка и инкапсулирующая трубка (например, из эластичного сплава или полимерного материала) плотно скреплены и затвердевают.
- Влияние скручивания:
Скручивание инкапсулирующей трубки напрямую передает касательные и крутильные напряжения на сердцевину. Если в процессе скручивания происходит неравномерное приложение силы или микродеформации трубки, сигнал длины волны может демонстрировать значительные флуктуации, скачки, и даже не восстанавливаться после снятия крутящего момента.
Например, OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor использует эластичную трубку из сплава для плотного закрепления решетки Брэгга, что обеспечивает точную передачу малых деформаций:
2. Датчик температуры (свободная, без натяжения структура) — сигнал в основном стабилен, но чрезмерное скручивание все же влияет
В датчиках температуры решетка обычно имеет одностороннее крепление и свободно висит внутри трубки, без приложения напряжения.
- Влияние скручивания:
При незначительном закручивании внешней бесшовной стальной трубки напряжения стенки трубки не передаются напрямую на внутреннее подвешенное волокно, и длина волны решетки обычно остается стабильной. - Аномальные ситуации:
Если угол скручивания слишком велик, что приводит к локальному изгибу или сдавливанию волокна внутри трубки, вызывая приложение силы к сердцевине или изменение поляризации, форма отражения может исказиться, а сигнал — флуктуировать.
Например, OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor использует однослойную бесшовную стальную трубку для инкапсуляции без приложения напряжения:
III. Инженерные рекомендации
- Избегайте приложения чистого крутящего момента:
Волоконные брэгговские решетки предназначены в основном для измерения осевых натяжений/сжатий или температуры. Скручивание является сложным напряжением, выходящим за пределы расчетных измерений. При установке следует использовать специальные зажимы, чтобы предотвратить скручивание датчика. - Диагностика «прыгающих» сигналов:
Если после закручивания сигнал начинает скакать, можно наблюдать спектр отражения (Reflectance Spectrum) с помощью демодулятора. Если наблюдается расщепление пика отражения или значительное ослабление его интенсивности, это подтверждает, что инкапсулирующая структура подверглась крутильным напряжениям или сдавливанию волокна.