Paketlenmiş sensörleri onlarca saatliğine “pişirmek” için neden yüksek sıcaklık fırınlarına konuluyor?
Kapalı sensörler, optik mühendisliği ve sensör üretiminde “Yüksek Sıcaklık Tavlaması” olarak bilinen bir işlem olan yüksek sıcaklıktaki bir fırında onlarca saat boyunca “pişirilir”.
Bu, yüksek kaliteli Fiber Bragg Grating (FBG) sensörlerinin üretiminde vazgeçilmez ve temel bir adımdır ve öncelikli olarak aşağıdaki iki temel fiziksel ve mühendislik nedeninden kaynaklanmaktadır:
1. Kapsüllemenin Neden Olduğu Artık Stresin Giderilmesi (Stress Relaxation)
FBG sensörlerinin kapsülleme sürecinde genellikle birçok farklı malzeme kullanılır (örneğin, kuvars cam elyafı, dikişsiz paslanmaz çelik koruyucu kılıf, yapıştırıcı veya yüksek sıcaklık lehimleri vb.). Bu malzemelerin Termal Genleşme Katsayıları (CTE) büyük farklılıklar gösterir. Örneğin, paslanmaz çeliğin termal genleşme katsayısı kuvars cam elyafından çok daha yüksektir.
Kapsülleme ısıtılıp kürlendiğinde, lehimlendiğinde veya monte edildiğinde soğutulduğunda, malzemelerin tutarsız büzülmeleri nedeniyle fiberin ve kılıfın içinde büyük Artık Stresler (Residual Stress) oluşur. Sensörler doğrudan kullanıma alınırsa, bu artık stresler sonraki sıcaklık döngüleri sırasında yavaş yavaş salınmaya (gevşemeye) devam eder, bu da grating bölgesinin maruz kaldığı ek gerinimde küçük değişikliklere neden olur. Makroskopik olarak bu, sensörün merkez dalga boyu \lambda_B ‘de uzun vadeli belirsiz bir kayma olarak kendini gösterir ve ölçüm doğruluğunu büyük ölçüde azaltır. Yüksek sıcaklıktaki bir fırında uzun süreli kavurma yoluyla, malzeme moleküler yapısının gevşemesi hızlandırılabilir, bu iç artık stresler tamamen giderilebilir ve böylece uzun vadeli sıfır noktası kararlılığı sağlanır.
2. Grating Spektrumunun “Termal Bozulma” Kararlılığı (Grating Thermal Decay & Stabilization)
UV ışığıyla yazılan FBG’ler, çekirdekte periyodik kırılma indisi modülasyonlarının tanıtılmasıyla gerçekleştirilir. Mikroskobik düzeyde, bu kırılma indisi değişikliği, UV ışığının kristal yapıda kusurlar oluşturması ve elektronları farklı enerji seviyesi tuzaklarına (Traps) hapsetmesinden kaynaklanır.
Yüksek sıcaklık ortamlarında, sığ seviyelerde (kararsız durumlar) yakalanan elektronların bir kısmı termal enerji kazanarak kaçar ve geri döner. Bu, gratingin kırılma indisi modülasyon derinliğinin kademeli olarak azalmasına neden olur. Fiziksel olarak bu, gratingin yansıtma oranının düşmesi, spektrum kalitesinin işaretlenmesinin bozulması ve merkez dalga boyu \lambda_B ‘nin kısa dalga yönünde kayması, yani “Termal Bozulma” (Thermal Decay) olgusu ile kendini gösterir.
Sensörlerin gerçek hizmet ömrü boyunca bu tür performans düşüşlerini önlemek için, yapay yaşlandırma (Pre-aging) yapılmalıdır. Tavlama sıcaklığı genellikle sensörün nominal çalışma sıcaklığının 20\ ^\circ\text{C} ila 50\ ^\circ\text{C} üzerindeki bir aralıkta ayarlanır. Bu onlarca saatlik sürekli “yüksek sıcaklıkta kavurma” ile, sığ seviyelerdeki tüm kararsız elektronların kaçması ve birleşmesi aktif olarak sağlanır, sadece derin seviyelerdeki (son derece kararlı durumlar) kırılma indisi modülasyonları korunur. Tavlamadan sonra, grating nominal çalışma sıcaklığı aralığında son derece yüksek spektral ve dalga boyu kararlılığı sergileyecektir ve uzun süreli hizmette grating bozulmasından kaynaklanan herhangi bir kayma meydana gelmeyecektir.
OFSCN®'nin Yüksek Sıcaklık Tavlama Uygulaması ve Yüksek Kararlılıkta Sensör Ürünleri
Yüksek kaliteli Fiber Bragg Grating sensörlerinin teknolojik öncüsü olarak, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. tarafından üretilen her FBG sensörü, sevkiyat öncesinde sıkı bir yüksek sıcaklık tavlama işleminden ve çoklu sıcaklık döngüsü kararlılık işaretlemesinden geçirilerek, ürünlerin çeşitli zorlu endüstriyel sahalarda yüksek kararlılık ve sıfır kayma sağlaması garanti edilir.
Farklı sıcaklık gradyanları için tasarlanmış ve yüksek standartlı tavlama işlemiyle üretilmiş FBG sıcaklık sensörleri serisi aşağıdadır:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Dikişsiz paslanmaz çelik boru ile kapsüllenmiş, içinde ısıya dayanıklı poliimid fiber kullanılmış olup, kullanım sıcaklığı aralığı -200\ ^\circ\text{C} ila 300\ ^\circ\text{C} arasındadır. Fabrika çıkışı öncesinde uzun süreli tavlamadan geçirilerek 300\ ^\circ\text{C} ortamda kararlı dalga boyu çıkışı garanti edilir.
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Tek katlı dikişsiz çelik boru veya özel olarak tasarlanmış çok katlı iç içe geçmiş dikişsiz çelik boru işlemi ile kapsüllenmiş olup, sıcaklık aralığı -200\ ^\circ\text{C} ila 500\ ^\circ\text{C} arasındadır. Orta ve yüksek sıcaklık ortamlarında hassas sıcaklık izleme için uygundur.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Özel malzeme ve üretim teknolojisi kullanılarak, sıcaklık ölçüm aralığı -270\ ^\circ\text{C} ila 800\ ^\circ\text{C} gibi geniş bir alana ulaşır. 800\ ^\circ\text{C} gibi çok yüksek ortam sıcaklıklarıyla başa çıkabilmek için, bu modeldeki sensörler daha da zorlu özel yüksek sıcaklık tavlama işleminden geçirilerek, ultra yüksek sıcaklıklarda grating termal bozulması ve yapısal stres giderme sorunlarını tamamen çözmesi gerekmektedir.