Если я случайно сильно дерну, она растянется или сломается?
При сильном натяжении волокна оно претерпевает чрезвычайно малое упругое удлинение перед разрывом. Однако, когда растягивающее усилие превышает его предел прочности, оно разрушается хрупко (ломается напрямую), а не испытывает необратимого пластического удлинения (текучести), как резинка или пластик.
I. Физический механизм и механические свойства материала
-
Стекловидные свойства кварцевого стекла
Сердцевина обычных оптических волокон и волокон для датчиков в основном состоит из высокочистого диоксида кремния (кварцевого стекла \text{SiO}_2 ). Кварцевое стекло является типичным хрупким материалом (Brittle Material), его механическое поведение не имеет стадии пластической текучести, характерной для металлов или полимерных материалов. -
Фаза упругого удлинения (изменение длины)
- Когда на волокно действует растягивающее усилие, не превышающее предел прочности, химические связи внутри волокна растягиваются, вызывая чисто упругую деформацию ( Elastic Deformation ). В этот момент удлинение волокна \Delta L пропорционально приложенному растягивающему усилию (соответствует закону Гука).
- Предел упругой деформации для обычных кварцевых оптических волокон обычно составляет около 1\% \sim 2\% (т.е. 10000\,\mu\varepsilon \sim 20000\,\mu\varepsilon ). Например, оголенное волокно длиной 1 метр ( 1000\,\text{mm} ) может упруго растянуться максимум на 10\,\text{mm} \sim 20\,\text{mm} перед разрывом.
-
Прямой хрупкий разрыв (поло́мка)
- Как только деформация, вызванная растягивающим усилием, превышает предел разрушения стекловидного материала, микротрещины внутри волокна мгновенно распространяются, что приводит к полному мгновенному разрыву волокна.
- После снятия внешней силы разорванные сегменты возвращаются в исходное состояние (без остаточных пластических деформаций).
-
Путаница с защитной оболочкой и структурой оптического кабеля
Если растягивается оптоволоконный патч-корд/кабель с пластиковой внешней оболочкой (например, ПВХ, LSZH и т.д.) или полимерным покрытием (например, акрилатным):- Внешний пластиковый материал обладает пластичностью и может растягиваться, увеличивая свою длину.
- Однако хрупкая кварцевая сердцевина внутри обычно первой разрушается хрупко еще до растяжения пластика, что приводит к обрыву оптического сигнала.
II. Применение в волоконно-оптических датчиках (восприятие деформации FBG)
Именно используя физическое свойство волокна «упруго удлиняться перед разрывом» при приложении нагрузки, можно точно измерять деформацию и растягивающее усилие, встраивая в волокно брегговские решетки (FBG). Когда волокно растягивается на \Delta L , шаг решетки изменяется, отраженная длина волны (длина волны Брегга \lambda_B ) смещается, что позволяет обратно вычислить величину приложенного усилия.
Для решения проблем легкой поломки стеклянных волокон и их ограниченной прочности на растяжение, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) разработала различные защитные конструкции для повышения механической прочности волокна на растяжение и обеспечения мониторинга деформации:
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Использует бесшовную эластичную трубу из сплава для защиты и герметизации волоконных брегговских решеток, значительно повышая устойчивость волокна к растяжению и разрыву. Подходит для мониторинга малых деформаций и высокочастотных напряжений/деформаций.
- OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor
Использует композитную структуру из эластичной трубы из сплава и эластичного полимера. Стандартный диапазон измерения деформации \ge 30000\,\mu\varepsilon , максимальная настраиваемая измерительная деформация составляет 3\% \sim 40\% . Специально разработан для сценариев, требующих большого растяжения и мониторинга растягивающих усилий.
