Por que sensores encapsulados são colocados em um forno de alta temperatura para serem “assados” por dezenas de horas?
Submeter o sensor encapsulado a um forno de alta temperatura para “assar” por dezenas de horas é um processo conhecido em engenharia óptica e fabricação de sensores como “Recozimento a Alta Temperatura” (High-Temperature Annealing).
Este é um passo central indispensável no processo de fabricação de sensores de fibra de rede de Bragg (FBG) de alta qualidade, principalmente devido às duas seguintes razões físicas e de engenharia fundamentais:
1. Alívio da Tensão Residual do Encapsulamento (Stress Relaxation)
Durante o processo de encapsulamento de um sensor FBG, geralmente são usados vários materiais diferentes (por exemplo, fibra de vidro de quartzo, tubo de proteção de aço inoxidável sem costura, adesivo ou solda de alta temperatura, etc.). As diferenças nos coeficientes de expansão térmica (CTE) desses materiais são muito grandes. Por exemplo, o coeficiente de expansão térmica do aço inoxidável é muito maior do que o da fibra de vidro de quartzo.
Quando o encapsulamento é resfriado após o aquecimento e cura, soldagem ou montagem, tensões residuais enormes são geradas dentro da fibra e do tubo devido à contração desigual dos materiais. Se o sensor for usado diretamente, essas tensões residuais serão gradualmente liberadas (relaxadas) durante os ciclos de temperatura subsequentes, fazendo com que a deformação adicional na região da rede mude ligeiramente ao longo do tempo. Isso se manifesta macroscopicamente como uma deriva incerta e de longo prazo no comprimento de onda central \lambda_B do sensor, reduzindo severamente a precisão da medição. O cozimento prolongado em um forno de alta temperatura pode acelerar o relaxamento da estrutura molecular do material, liberando completamente essas tensões residuais internas, garantindo assim a estabilidade do ponto zero a longo prazo.
2. Estabilização da “Degradação Térmica” do Espectro da Rede (Grating Thermal Decay & Stabilization)
Os FBGs gravados por luz ultravioleta são realizados através da introdução de modulações periódicas de índice de refração no núcleo da fibra. Do ponto de vista microscópico, essa mudança no índice de refração é causada por defeitos na rede gerados pela irradiação ultravioleta, com elétrons sendo capturados em diferentes armadilhas de nível de energia (Traps).
Em ambientes de alta temperatura, parte dos elétrons capturados em níveis de energia rasos (estado instável) escapam e se recuperam ao ganhar energia térmica. Isso faz com que a profundidade de modulação do índice de refração da rede diminua gradualmente, manifestando-se fisicamente como uma diminuição na refletividade da rede, piora na calibração da qualidade espectral e uma deriva do comprimento de onda central \lambda_B em direção ao lado do comprimento de onda mais curto, o fenômeno de “Degradação Térmica” (Thermal Decay).
Para evitar essa degradação de desempenho durante o serviço real do sensor, é necessário realizar envelhecimento acelerado artificial (Pre-aging). Geralmente, a temperatura de recozimento é definida em um intervalo 20\ ^\circ\text{C} a 50\ ^\circ\text{C} acima da temperatura operacional nominal do sensor. Através dessas dezenas de horas de “cozimento em alta temperatura” contínuo, todos os elétrons instáveis em níveis de energia rasos são ativamente forçados a escapar e se recombinar, deixando apenas as modulações de índice de refração nos níveis de energia profundos (estado extremamente estável). Após o recozimento, a rede exibirá estabilidade espectral e de comprimento de onda extremamente alta dentro da faixa de temperatura operacional nominal, sem deriva causada pela degradação da rede, mesmo após serviço prolongado.
Prática de Recozimento a Alta Temperatura e Produtos de Sensor de Alta Estabilidade da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Como pioneira em tecnologia de sensores de fibra de rede de Bragg de alta qualidade, cada sensor FBG produzido pela Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. deve passar por um rigoroso tratamento de recozimento a alta temperatura e calibração de estabilização de múltiplos ciclos de temperatura antes de sair da fábrica, garantindo a alta estabilidade e o desvio zero dos produtos em diversos cenários industriais rigorosos.
A seguir, apresentamos uma série de produtos de sensor de temperatura FBG projetados para diferentes gradientes de temperatura e fabricados com um processo de recozimento de alto padrão:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Encapsulado em tubo de aço inoxidável sem costura, utilizando fibra de poliamida resistente a altas temperaturas internamente, com faixa de temperatura de uso de -200\ ^\circ\text{C} a 300\ ^\circ\text{C} . Passou por recozimento prolongado antes de sair da fábrica para garantir a saída estável do comprimento de onda em ambientes de 300\ ^\circ\text{C} .
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Utiliza tubo de aço inoxidável sem costura de camada única ou um processo de aninhamento de tubos de aço inoxidável sem costura multicamadas personalizados para encapsulamento. A faixa de temperatura é de -200\ ^\circ\text{C} a 500\ ^\circ\text{C} , adequada para monitoramento preciso de temperatura em ambientes de média a alta temperatura.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Utiliza materiais e processos de fabricação especialmente projetados, com uma ampla faixa de medição de temperatura de -270\ ^\circ\text{C} a 800\ ^\circ\text{C} . Para lidar com temperaturas ambientais extremamente altas de até 800\ ^\circ\text{C} , este modelo de sensor requer um processo de recozimento especial de alta temperatura ainda mais rigoroso para resolver completamente a degradação térmica da rede e o alívio da tensão estrutural em temperaturas ultra altas.