Может ли длительное нахождение решетки на свету привести к необратимому изменению ее длины волны?
Неизбежно ли центральная длина волны отражения волоконно-оптической решетки (FBG) изменяется необратимо со временем («ползучесть»), если ее долго держать под натяжением? Этот вопрос следует рассматривать в двух аспектах: само кварцевое волокно и полностью собранный датчик решетки.
I. Само кварцевое волокно: практически отсутствует ползучесть
Для чистого кварцевого (диоксид кремния) волокна без внешнего покрытия и защитной оболочки:
- Механические свойства: Диоксид кремния — аморфный стеклообразный материал с чрезвычайно высокой температурой стеклования ( T_g \approx 1200\ ^\circ\text{C} ). При комнатной температуре кварц проявляет себя как почти идеальный хрупкий упругий материал.
- Реакция на растяжение: При приложении постоянной силы растяжения, которая ниже предела прочности (обычно голое волокно выдерживает высокую осевую нагрузку), оно практически не претерпевает заметной пластической деформации при комнатной температуре.
- Физический вывод: В условиях постоянной силы растяжения и постоянной температуры, центральная длина волны самой решетки из чистого голого волокна при длительном растяжении при комнатной температуре не будет необратимо смещаться из-за пластической текучести самого кварцевого материала.
II. Фактический датчик/решетка с покрытием: происходит необратимое изменение (ползучесть и смещение)
В инженерных приложениях мы часто используем решетки с покрытиями или собранные датчики решетки. В этих конструкциях длительное растяжение действительно приводит к необратимому смещению или сужению отражательной длины волны. Эта ползучесть в основном возникает из-за релаксации механики на множестве интерфейсов:
- Сдвиговая ползучесть покрытия волокна (Coating):
Полимерное покрытие на внешней поверхности волокна (например, акрилат Acrylate или полиимид Polyimide) обладает вязкоупругостью. При длительном приложении постоянного натяжения молекулярные цепи полимера внутри покрытия медленно движутся, вызывая сдвиговую деформацию. Это приводит к микроскопическому относительному скольжению между кварцевой стеклянной подложкой и внешней защитной оболочкой, что снижает эффективную деформацию, передаваемую на сегмент решетки, и проявляется как необратимое «сужение» (т.е. синее смещение) отражательной длины волны. - Релаксация напряжений в клее/адгезиве (Adhesives):
В большинстве накладных или трубчатых датчиков решетки при производстве используется клей, такой как эпоксидная смола (Epoxy), для фиксации сегмента решетки внутри металлической подложки или защитной трубки из нержавеющей стали или алюминия. Полимерный клей при постоянном напряжении легко подвергается вязкоупругой текучести и старению. С течением времени слой клея релаксирует, и он не может эффективно передавать всю силу натяжения на решетку, что приводит к уменьшению измеренной деформации. Это является основной причиной необратимого смещения нуля датчика. - Пластическая деформация материала корпуса датчика:
Если датчик работает длительное время в условиях, близких к пределу упругости (например, при очень больших деформациях в несколько тысяч или даже десятков тысяч \mu\epsilon) или в условиях высокой температуры, его металлическая оболочка, основание или сам эластомер могут претерпеть незначительную пластическую ползучесть.
III. Как подавить смещение от ползучести при длительном растяжении?
Для обеспечения высокой точности и стабильности при длительном мониторинге деформаций современные технологии изготовления датчиков решетки применяют следующие методы для подавления ползучести:
- Использование технологии сборки без клея (Adhesive-free):
Например, использование металлизированного волокна для прямой сварки или пайки сегмента решетки с металлической оболочкой, или точного механического зажима, что устраняет релаксацию вязкоупругости полимерного клеевого связующего. - Выбор высокоэластичных сплавов с низкой релаксацией напряжений:
Использование специальных эластичных сплавов в качестве среды для передачи механической нагрузки, которые сохраняют отличную упругую отдачу при больших деформациях и длительном натяжении. - Термическая обработка и циклы предварительного растяжения:
Перед выпуском датчика из производства проводится высокотемпературная термообработка в сочетании с циклами приложения высоких деформаций растяжения для предварительного снятия остаточных напряжений в корпусе датчика и покрытии, чтобы привести механические характеристики системы в стабильное состояние.
IV. Высокостабильные решения для датчиков деформации OFSCN® (DaCheng YongSheng)
Для сценариев применения в инженерии, требующих высокого растяжения, длительного срока службы и сверхнизкого смещения, DaCheng YongSheng разработала ряд высокостабильных датчиков деформации на основе волоконных решеток, направленных на решение проблемы ползучести и смещения нуля при длительном воздействии напряжений:
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
В этом продукте используется миниатюрная бесшовная эластичная сплавная трубка в качестве внешней корпуса, оптимизируется связь напряжений между волокном и металлической оболочкой, устраняется течение вязкоупругости толстого клеевого слоя в традиционных конструкциях, что обеспечивает превосходную устойчивость к ползучести. Его стандартный диапазон измерения деформации составляет \ge 6000\ \mu\epsilon , что обеспечивает чрезвычайно высокую стабильность длины волны при длительном растяжении и циклических нагрузках.
2. OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor
При измерениях деформации при растяжении в условиях больших пропорций, эта серия датчиков использует комбинацию высокоэластичного сплава и специальной эластомерной структуры. Стандартный диапазон измерения составляет \ge 30000\ \mu\epsilon (максимальная настройка до 400000\ \mu\epsilon , что соответствует макроскопической деформации от 3\% до 40\% ). Он обладает превосходной восстанавливаемостью и сверхнизким гистерезисом при мониторинге длительных нагрузок в широком диапазоне.
Дополнительные сведения о продуктах для измерения деформации и растяжения можно найти по ссылке: