Измерение деформаций: оптоволоконные сенсоры компании HBM
Т. Клекерс (T.Kleckers), Б.Гюнтер (B.Gunther)
Сегодня для измерения деформации успешно применяются электрические сенсоры деформации (тензорезисторы). Разработанные более 50 лет назад, сегодня они технически усовершенствованы и доступны в различных вариантах исполнения. Не так давно для измерения деформации стали использовать и оптические (оптоволоконные) сенсоры. Во многих областях они стали хорошей альтернативой тензорезисторам.
В оптоволоконных сенсорах деформации [1] используется дифракционная решетка Брэгга, которая включает большое количество точек отражения, расположенных внутри волокна с определенным интервалом. При прохождении лазерного излучения через волокно часть его на определенной длине волны отражается от решетки. Этот пик отраженного излучения регистрируется измерительной аппаратурой. В результате деформации изменяется интервал между узлами решетки Брэгга, а также коэффициент преломления волокна. Соответственно, изменяется длина волны излучения, отраженного от решетки. По изменению длины волны можно определить величину деформации.
Посмотрим, каковы характеристики оптических сенсоров деформации в сравнении тензорезисторами, и где их применение наиболее эффективно.
Изменение сопротивления тензорезистора обусловлено двумя физическими эффектами [2]. Когда металлический проводник подвергается деформации, изменяется его длина и поперечное сечение. Если коэффициент Пуассона для материала измерительной решетки тензорезистора равен 0,3, то результирующий коэффициент тензочувствительности, определяемый изменением геометрических размеров сенсора, принимает значение 1,6. Удельное сопротивление материала измерительной решетки также изменяется в зависимости от степени деформации. Поэтому чувствительность измерительных решеток из разных материалов различается. Вклад изменения удельного сопротивления в коэффициент тензочувствительности составляет от 0,4 до 0,6. Оба эффекта могут накладываться друг на друга. Поэтому коэффициент тензочувствительности для тензорезисторов обычно приближен к двум.
Чувствительность оптических датчиков определяется изменением расстояния между точками отражения в решетке Брэгга и коэффициента преломления оптоволокна вследствие деформации. Коэффициент тензочувствительности k, обусловленный первым фактором, равен единице – в данном случае влиянием изменения поперечного сечения волокна, которое для тензорезисторов учитывается через коэффициент Пуассона, можно пренебречь. В результате изменения коэффициента преломления значение k уменьшается примерно на 0,22. Таким образом, коэффициент тензочувствительности волоконной решетки Брэгга составляет около 0,78.
Полный текст статьи в приложенном pdf файле.
КонтроллВахенд а Техника (КВТ) 2019
