La cubierta de poliimida se expande en un ambiente húmedo? Esto causa el desplazamiento de la longitud de onda?
Mecanismo de Absorción de Humedad y Expansión del Recubrimiento de Poliimida
Los materiales de poliimida (PI) poseen anillos de imida polares en su estructura de cadena macromolecular, lo que les confiere una cierta afinidad por el agua. Cuando la fibra óptica recubierta de poliimida (por ejemplo, con un diámetro exterior de 155\ \mu\text{m} ) se expone a un ambiente húmedo o al agua, absorbe humedad.
Tras la absorción de agua, el recubrimiento de poliimida experimenta una expansión volumétrica, un fenómeno determinado por el Coeficiente de Expansión Higroscópica (Coefficient of Hygroscopic Expansion, CHE, usualmente denotado por \beta ) del material.
¿Esto Provoca Desviación de Longitud de Onda?
Sí, definitivamente provoca desviación de longitud de onda.
1. Mecanismo de Transmisión Física
Debido a que el recubrimiento de poliimida está firmemente adherido a la superficie exterior de la capa de vidrio de sílice (con un diámetro de 125\ \mu\text{m} ) de la fibra óptica, cuando el recubrimiento se expande por absorción de agua, su elongación mecánica axial se transmite al núcleo de la fibra a través del estrés cortante en la interfaz entre ambas capas.
Esto genera una deformación de tracción axial \varepsilon_h en el núcleo de la fibra.
2. Fórmula de Desviación de Longitud de Onda
Para una Red de Bragg de Fibra Óptica (FBG), la tensión axial aplicada al núcleo provoca un aumento en su espaciado de rejilla \Lambda , al tiempo que reduce el índice de refracción efectivo n_{eff} del núcleo debido al efecto fotoelástico. La acción combinada de ambos factores provoca una desviación de la longitud de onda central de reflexión \lambda_B de la FBG hacia longitudes de onda más largas en el infrarrojo (desplazamiento al rojo).
La relación se puede expresar como:
\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon_h
Donde P_e es la constante fotoelástica efectiva de la fibra (para una fibra de sílice monomodo estándar, P_e \approx 0.22 ) y \varepsilon_h es la deformación de tracción axial inducida por la expansión higroscópica.
El Efecto de “Espada de Doble Filo” de este Fenómeno en Ingeniería
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Como Sensor de Humedad en Fibra Óptica (Aplicación Beneficiosa):
En el diseño de sensores de fibra óptica, esta característica se puede utilizar activamente. Por ejemplo, al recubrir una FBG desnuda con una capa uniforme de poliimida, debido a que la cantidad de desplazamiento de longitud de onda exhibe una buena relación lineal con la humedad relativa (RH) ambiental en un amplio rango de temperatura, se puede fabricar un sensor de humedad de red de Bragg de fibra óptica. A temperatura ambiente, su sensibilidad típica a la humedad suele estar entre \sim 2 - 5\ \text{pm/\%RH} . -
Como Fuente de Error en Mediciones de Temperatura o Tensión (Ruido a Eliminar):
Al realizar mediciones puras de temperatura o tensión en entornos de alta temperatura y humedad o con grandes variaciones de humedad, el desplazamiento de longitud de onda causado por la humedad se mezcla con el desplazamiento causado por la temperatura y la tensión mecánica, generando errores de sensibilidad cruzada y distorsionando los datos de medición.Métodos para Eliminar y Suprimir la Interferencia de la Hinchazón por Humedad:
- Materiales de Recubrimiento No Absorbentes de Agua:
En entornos de alta humedad como en condiciones de humedad o bajo el agua, se pueden usar fibras ópticas recubiertas con metales no absorbentes de agua y a prueba de humedad (como oro, cobre, etc.). - Protección de Sellado Hermético:
Si se utilizan fibras de poliimida, es necesario realizar un encapsulado exterior a prueba de humedad o hermético (por ejemplo, insertarlas en un tubo de acero inoxidable y sellarlas con adhesivos especiales o soldadura) para evitar que las moléculas de agua entren en contacto con el recubrimiento de la fibra.
- Materiales de Recubrimiento No Absorbentes de Agua:
Productos OFSCN® (大成永盛) Oficiales Relacionados
En la línea de productos de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), las fibras y redes recubiertas de poliimida son las principales para aplicaciones de alta temperatura y sensores especiales:
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Fibra Óptica Monomodo con Recubrimiento de Poliimida:
OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber utiliza un recubrimiento de poliimida resistente a altas temperaturas de 300℃. Esta fibra tiene un diámetro exterior compacto ( 125/155\ \mu\text{m} ) y opera en el rango de temperatura de -270^\circ\text{C} a +350^\circ\text{C} , pero conserva las características físicas inherentes de expansión por humedad del material de poliimida.
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Redes de Bragg de Fibra Óptica Desnudas con Recubrimiento de Poliimida:
Las OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) grabadas en esta fibra, cuando no están selladas herméticamente, muestran una ligera sensibilidad a la humedad ambiental, lo cual es una ley general determinada por las propiedades físicas.
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Sensores de Red Encapsulados a Prueba de Humedad:
Si se desea eliminar completamente los errores de desplazamiento de longitud de onda causados por la humedad, se pueden seleccionar sensores encapsulados a prueba de humedad de 大成永盛 que utilizan tubos de acero sin costura, como el OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter). Este sensor, al agregar un tubo de acero metálico sin costura en la capa exterior y utilizar un proceso especial de sellado impermeable y a prueba de humedad, puede aislar eficazmente la humedad y evitar el desplazamiento de longitud de onda causado por la hinchazón por humedad.
