Si l’on étire un réseau sur une longue période, sa longueur d’onde subira-t-elle lentement un changement irréversible ?
La question de savoir si la longueur d’onde centrale de réflexion d’une fibre à réseau de Bragg (FBG) soumise à une traction prolongée subira une modification irréversible (c’est-à-dire un “fluage” ou “creep”) dépend de la distinction entre la fibre de quartz elle-même et le capteur à réseau réellement encapsulé.
I. La fibre de quartz nue elle-même : presque pas de fluage
Pour une fibre de quartz (dioxyde de silicium) nue, sans revêtement extérieur ni protection d’encapsulation :
- Propriétés mécaniques : Le dioxyde de silicium est un matériau amorphe non cristallin avec une température de transition vitreuse extrêmement élevée ( T_g \approx 1200\ ^\circ\text{C} ). À température ambiante, le quartz se comporte comme un corps élastique cassant quasi parfait.
- Comportement en traction : Si une force de traction constante, inférieure à sa limite de rupture (la fibre nue peut généralement supporter une traction axiale de haute intensité), est appliquée, elle ne subira pratiquement aucune déformation plastique observable à température ambiante.
- Conclusion physique : Dans des conditions de traction et de température constantes, la longueur d’onde centrale du réseau de Bragg lui-même, soumis à une traction prolongée à température ambiante, ne dérivera pas de manière irréversible en raison du fluage plastique du matériau de quartz.
II. Capteurs réels / Réseaux avec revêtement : des modifications irréversibles (dérive par fluage) se produisent
Dans les applications d’ingénierie, nous utilisons souvent des réseaux à revêtement ou des capteurs à réseau encapsulés. Dans ces structures, une traction prolongée entraîne effectivement une dérive irréversible ou une rétraction de la longueur d’onde de réflexion. Ce fluage provient principalement du relâchement mécanique multi-interfaces suivant :
- Fluage par cisaillement du revêtement de la fibre (Coating) :
Le revêtement polymère à l’extérieur de la fibre (comme l’acrylate ou le polyimide) a des propriétés viscoélastiques. Sous une tension constante prolongée, les chaînes moléculaires du polymère à l’intérieur du revêtement subissent un mouvement lent, provoquant une déformation par cisaillement. Cela entraîne un glissement relatif microscopique entre le substrat de verre de quartz et la couche de protection extérieure, réduisant ainsi la déformation effective transmise à la section du réseau. Cela se manifeste par une “rétraction” irréversible de la longueur d’onde de réflexion (c’est-à-dire un décalage vers le bleu). - Relaxation de contrainte des colles/adhésifs d’encapsulation (Adhesives) :
Dans la plupart des capteurs à réseau montés en surface ou tubulaires, les colles comme la résine époxy sont utilisées pour fixer la section du réseau à un substrat métallique ou à un tube de protection en acier inoxydable, en aluminium, etc., lors de la fabrication. Les colles polymères sont très sujettes au fluage viscoélastique et au vieillissement sous contrainte continue. Avec le temps, la couche de colle se relâche et ne parvient pas à transmettre efficacement toute la force de traction au réseau, ce qui entraîne une sous-estimation de la déformation mesurée. C’est la principale cause de la dérive irréversible du point zéro du capteur. - Déformation plastique du matériau de base d’encapsulation :
Si le capteur fonctionne à long terme près de sa limite élastique (par exemple, sous des contraintes extrêmes de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de \mu\epsilon ) ou dans un environnement à haute température, son manchon métallique, sa plaque de base ou le matériau élastomère lui-même peuvent subir une légère déformation plastique.
III. Comment supprimer la dérive par fluage sous traction prolongée ?
Pour garantir une haute précision et une grande stabilité dans la surveillance des déformations à long terme, les procédés d’encapsulation avancés des réseaux adoptent les mesures suivantes pour supprimer le fluage :
- Utilisation de procédés d’encapsulation sans colle (Adhesive-free) : Par exemple, l’utilisation de fibres métallisées pour souder directement la section du réseau au manchon métallique, par soudage à l’étain, ou par serrage mécanique de précision, éliminant ainsi le relâchement mécanique des adhésifs polymères à la source.
- Sélection de matériaux d’alliage à haute élasticité et à faible relaxation de contrainte : Utilisation de tubes en alliage élastique spéciaux comme milieu de transmission mécanique, qui conservent une excellente récupération élastique sous de grandes déformations et une tension prolongée.
- Traitement de recuit et de cycles de pré-traction : Avant la sortie d’usine du capteur, le stress résiduel à l’intérieur de la structure d’encapsulation et du revêtement est éliminé par recuit thermique à haute température et cycles de traction alternée à haute contrainte, afin que les performances mécaniques du système entrent dans une phase stable.
IV. Solution de capteur de déformation à haute stabilité OFSCN® (Da Sheng Yong Sheng)
Pour les scénarios d’application d’ingénierie nécessitant une traction élevée, une longue durée de vie et une dérive ultra-faible, Da Sheng Yong Sheng a développé une série de capteurs de déformation à fibre à réseau de Bragg à haute stabilité, dédiés à résoudre le fluage et la dérive du point zéro sous contrainte prolongée :
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Ce produit utilise un tube élastique en alliage sans soudure miniature comme boîtier d’encapsulation, optimisant le couplage de contraintes entre la fibre et le manchon métallique, et éliminant le flux viscoélastique causé par la couche de colle épaisse dans les structures traditionnelles, offrant ainsi d’excellentes performances anti-fluage. Sa plage de mesure de déformation par défaut peut atteindre \ge 6000\ \mu\epsilon , maintenant une stabilité de longueur d’onde extrêmement élevée sous traction prolongée et charge cyclique.
2. OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor
Face à la mesure de déformation par traction à grande échelle, cette série de capteurs utilise un alliage à haute élasticité associé à une structure élastomère spéciale. Sa plage de mesure par défaut atteint \ge 30000\ \mu\epsilon (personnalisable jusqu’à 400000\ \mu\epsilon , correspondant à des déformations macroscopiques de 3\% à 40\% ). Ils offrent d’excellentes performances de rappel et une hystérésis ultra-faible dans la surveillance des forces de traction à grande échelle et à long terme.
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