La tensión de encapsulación se libera lentamente con el tiempo, ¿lo que provoca que los valores medidos cambien?
Sí, la liberación de la tensión de encapsulación es de hecho uno de los mecanismos físicos centrales que causan la evolución temporal de los valores medidos de los sensores de red de fibra de Bragg (FBG) (es decir, la “deriva del punto cero”).
A continuación, se presenta un análisis riguroso de este proceso físico desde las perspectivas de la mecánica de materiales, los principios ópticos y el diseño de la estructura del sensor:
1. Mecanismo Físico: Liberación de Tensión de Encapsulación y Deriva de Longitud de Onda
Durante el proceso de fabricación del sensor de red de fibra, para lograr una transmisión precisa de la deformación o la tensión, la red de fibra (FBG) generalmente necesita fijarse dentro de una carcasa protectora. En este proceso de encapsulación (como unión adhesiva, soldadura fuerte de metal, estiramiento pretensado, etc.), inevitablemente se introduce cierta pre-tensión (Pre-strain) o tensión de cizallamiento residual en el área de la red.
La longitud de onda central de reflexión de la red de fibra, \lambda_B, se determina mediante la siguiente fórmula:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Donde, n_{eff} es el índice de refracción efectivo de la fibra y \Lambda es el período de la red.
Cuando el sensor se encuentra en un estado de operación a largo plazo, el material de encapsulación (como adhesivos poliméricos, sustratos metálicos) experimenta un cambio menor en el módulo de elasticidad, fluencia viscoelástica (Creep) o relajación de tensión de la microestructura (Relaxation). Con el tiempo, esta pre-tensión o tensión residual se liberará (disminuirá) gradualmente, lo que provocará un cambio absoluto en la microdeformación mecánica real ( \varepsilon ) soportada por la parte de la red, que no es causado por una carga externa. Esta microdeformación dimensional provoca directamente un cambio en el período de la red \Lambda o en el índice de refracción efectivo n_{eff}, lo que a su vez hace que la longitud de onda central de la red \lambda_B se desvíe del estado inicial.
Dado que el demodulador de red de fibra calcula la cantidad física medida (como deformación, tensión) midiendo el cambio relativo en la longitud de onda de reflexión \Delta \lambda:
\Delta \lambda = k_1 \cdot \Delta \varepsilon + k_2 \cdot \Delta T
Cuando la temperatura ambiente es constante (es decir, el cambio de temperatura \Delta T = 0), la deriva de la longitud de onda causada por la liberación de la tensión de encapsulación será malinterpretada por el sistema de demodulación como una deformación de la estructura medida ( \Delta \varepsilon ), lo que se manifestará en los datos macroscópicos como “deriva del punto cero”, es decir, el “número medido ha cambiado” al que usted se refiere.
2. Influencia de Diferentes Procesos de Encapsulación en la Deriva del Punto Cero
La velocidad y la magnitud final de la liberación de tensión están directamente relacionadas con el material y el proceso de fabricación seleccionados para la encapsulación:
- Encapsulación con material polimérico o adhesivo:
Por ejemplo, unión con adhesivos químicos como resinas epoxi. Los materiales poliméricos son extremadamente sensibles a la temperatura y la humedad, y presentan una fluencia viscoelástica significativa. Especialmente bajo carga térmica o cíclica, la liberación de la tensión de encapsulación es más pronunciada, mostrando una mayor deriva del punto cero a largo plazo. - Encapsulación con tubo de aleación elástica sin adhesivo / Encapsulación totalmente metálica:
La fibra se sella mediante piezas metálicas de precisión (como tubos de aleación elástica). Dado que las propiedades mecánicas y la estructura de los límites de grano de los materiales metálicos son mucho más estables que las de los polímeros a temperatura ambiente, su deformación por fluencia a largo plazo es mínima y la tasa de liberación de la tensión de encapsulación es extremadamente baja, lo que resulta en una excelente estabilidad del punto cero.
Soluciones Tecnológicas Clave de OFSCN®
En la línea de productos de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), para superar en la mayor medida posible la deriva del punto cero causada por la liberación de tensión en la medición de microdeformación y tensión, se adopta principalmente el proceso de encapsulación sin adhesivo con tubo de aleación metálica.
Por ejemplo, el Sensor de Deformación de Red de Fibra de Bragg Encapsulado en Tubo de Aleación OFSCN® utiliza tubos de aleación altamente elástica para encapsular redes de fibra de punto único o multipunto. A través de la calibración de longitud de onda de deformación de alta precisión y un control de envejecimiento preciso, este sensor puede suprimir eficazmente la deriva del punto cero causada por la degradación del material de encapsulación o la relajación de tensión.
Se muestran imágenes reales del sensor de deformación encapsulado en tubo de aleación elástica:
3. ¿Cómo Reducir o Calibrar la Deriva del Punto Cero en Ingeniería?
En aplicaciones de ingeniería reales y en el diseño de sensores, se suelen emplear los siguientes métodos para suprimir y corregir este fenómeno físico:
- Envejecimiento y Recocido Térmico (Thermal Annealing):
Antes de que el sensor salga de fábrica, generalmente se somete a múltiples ciclos de alta y baja temperatura y tratamiento de recocido a alta temperatura para acelerar artificialmente la liberación de su tensión residual, de modo que su microestructura y la interfaz de encapsulación alcancen un estado estable antes de la calibración. - Calibración Cero en Carga (Zero-load Calibration):
Para escenarios que requieren monitoreo a muy largo plazo, cuando el sistema se encuentra en un estado de carga cero definido, se puede usar el software de demodulación para leer la longitud de onda central actual del sensor como la nueva longitud de onda de referencia ( \lambda_0 ), eliminando así la deriva del punto cero que ya ha ocurrido.