То жарко, то очень холодно, не треснут ли оптоволокно и его оболочка?
В условиях экстремальных перепадов температур (так называемых термоциклов) оптоволокно и его корпус могут треснуть или повредиться в зависимости от совместимости материалов, класса термостойкости и конструкции корпуса.
I. Основные физические механизмы, вызывающие растрескивание оптоволокна и корпуса
-
Несоответствие коэффициентов теплового расширения (CTE) и сдвиговые напряжения
- Кварцевое стекло ( \text{SiO}_2 ) имеет очень низкий коэффициент теплового расширения: \alpha_{\text{glass}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} .
- Материалы, обычно используемые в корпусах (например, нержавеющая сталь \alpha_{\text{steel}} \approx 16 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} , полимерный клей \alpha_{\text{polymer}} \approx 30 \sim 100 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} ), имеют коэффициент теплового расширения, отличающийся на порядок от кварцевого оптоволокна.
- При быстром нагреве и охлаждении металлические или полимерные конструкции значительно расширяются и сжимаются. Если внутренняя часть корпуса жестко зафиксирована клеем, на границе раздела возникает переменное термическое сдвиговое напряжение (Thermal Shear Stress), которое легко может привести к отслоению покрытия, растрескиванию клея или даже к перерезанию оптоволокна.
-
Низкотемпературное охрупчивание и высокотемпературный термический разложение материалов
- Отказ покрытия：Стандартное коммуникационное оптоволокно имеет УФ-отверждаемое акрилатное покрытие, которое при температурах ниже -40\ ^{\circ}\text{C} стеклообразно переходит, становясь твердым и хрупким, а при температурах выше +85\ ^{\circ}\text{C} оно легко размягчается и разлагается. Повторные циклы могут привести к растрескиванию и отслоению защитного слоя.
- Специальные покрытия：Полиимидное покрытие может выдерживать температуры от -270\ ^{\circ}\text{C} до +300\ ^{\circ}\text{C} , а металлизированное покрытие – экстремальные температуры выше -270\ ^{\circ}\text{C} до +700\ ^{\circ}\text{C} .
II. Конструкторские решения для предотвращения растрескивания при термоциклировании
Для обеспечения структурной целостности и стабильности оптических характеристик в условиях экстремальных испытаний на термоциклирование (например, от криогенного жидкого азота -196\ ^{\circ}\text{C} до сотен градусов Цельсия) в корпусах оптических датчиков обычно применяются следующие инженерные стратегии:
- Свободная (без натяжения) конструкция с зазором：При проектировании температурных датчиков сердечник оптоволокна/область решетки помещаются в миниатюрную металлическую защитную трубку и находятся в свободном состоянии. Между стенкой трубки и оптоволокном остается зазор для теплового расширения, так что тепловое расширение и сжатие металлической трубки не оказывают прямого осевого воздействия на оптоволокно.
- Специальное оптоволокно для высоких температур：Используется полиимидное или металлизированное оптоволокно, устойчивое к широкому диапазону температур, чтобы исключить растрескивание покрытия при низких температурах или его обугливание при высоких температурах с самого начала.
- Цельнотянутые металлические капиллярные корпуса：Устранение сварочных напряжений и стыков материалов, предотвращение распространения микротрещин, вызванных механической усталостью при термоциклировании.
III. Официальные продукты для работы в широком диапазоне температур
OFSCN® разработала полную линейку датчиков с корпусом из бесшовной стальной трубы для работы в условиях экстремального термоциклирования и перепадов температур:
1. Серия точечных датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (FBG)
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Диапазон рабочих температур: -200\ ^{\circ}\text{C} \sim +300\ ^{\circ}\text{C} . Использует однослойный бесшовный стальной корпус и полиимидное оптоволокно, обладает отличной стойкостью к термическому удару и термической усталости.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Диапазон рабочих температур: -270\ ^{\circ}\text{C} \sim +800\ ^{\circ}\text{C} . Применяется технология корпуса из жаропрочного бесшовного сплава/стальной трубы, подходит для экстремальных термоциклов от криогенных до сверхвысоких температур.
2. Серия распределенных оптических датчиков температуры в металлическом корпусе
- OFSCN® 700°C Distributed Fiber Temperature Sensor
- Диапазон рабочих температур: -270\ ^{\circ}\text{C} \sim +700\ ^{\circ}\text{C} . Внутренне используется оптоволокно с золотым покрытием (Gold-coated Fiber) в сочетании с миниатюрным бесшовным корпусом из нержавеющей стали 316L, что полностью исключает риск отказа органического покрытия в условиях переменных температур.
