¿El tubo de acero y la fibra óptica pegados se aflojarán después de diez años, lo que provocará imprecisiones?
Este es un problema de sensorización física y ciencia de materiales muy clásico y de gran interés en el ámbito de la ingeniería.
Respuesta corta y directa: Si se utiliza un adhesivo orgánico tradicional (como resina epoxi, pegamento de curado UV, etc.) para unir una fibra desnuda a un tubo de acero inoxidable, después de diez años de servicio continuo (o incluso unos pocos años, meses, dependiendo de la temperatura ambiental, la humedad y las cargas dinámicas), debido a la degradación física del propio adhesivo, casi inevitablemente se producirá aflojamiento, desadhesión y fluencia, lo que provocará una descalibración severa de la medición.
Esta “inestabilidad a largo plazo” está determinada por las propiedades físicas de los adhesivos orgánicos poliméricos, cuyas raíces mecánicas y de ciencia de materiales específicas son las siguientes:
1. Raíces físicas del aflojamiento del adhesivo y la imprecisión de la medición
- Fluencia bajo tensión (Stress Creep) y Relajación de tensiones (Stress Relaxation):
Los adhesivos poliméricos orgánicos son materiales viscoelásticos típicos. Bajo tensión de tracción o compresión a largo plazo (\sigma), incluso si la deformación externa es constante, las cadenas moleculares del adhesivo se deslizarán lentamente, liberando gradualmente la tensión de cizallamiento dentro de la capa adhesiva (relajación de tensiones). Bajo una fuerza de tracción constante, el adhesivo experimentará una deformación plástica que aumenta con el tiempo (fluencia). En la medición de deformación, esto provoca que la deformación real del tubo de acero no se transfiera al 100% a la fibra, lo que resulta en un desplazamiento de punto cero o una atenuación de la sensibilidad significativa en la longitud de onda medida por la fibra. - Envejecimiento y degradación física del adhesivo (Polymer Aging):
Durante un período prolongado como diez años, los cambios cíclicos de temperatura, la corrosión del medio y la exposición a la luz, entre otros factores externos, pueden provocar la ruptura de enlaces químicos en el adhesivo orgánico, lo que lleva a fragilidad, agrietamiento y encogimiento. Esto provoca la pérdida de la fuerza de cizallamiento físico entre el adhesivo y el tubo de acero, y entre el adhesivo y la fibra de cuarzo. - Hinchazón por absorción de humedad (Moisture Swelling) y desadhesión interfacial:
Las moléculas de agua son extremadamente pequeñas. En un período de diez años, pequeñas cantidades de agua penetrarán gradualmente en la capa adhesiva por difusión, o se acumularán en la interfaz de unión entre el adhesivo y el vidrio de cuarzo (dióxido de silicio) / el tubo de acero. El agua romperá los enlaces de hidrógeno preexistentes, lo que provocará una rápida disminución de la fuerza de unión y una micro-delaminación.
2. ¿Cómo resuelve la industria el problema de la estabilidad a largo plazo de diez años?
Para lograr una “estabilidad a largo plazo” excepcional de diez años, en el campo de la sensórica de fibra óptica profesional, es imperativo utilizar el encapsulado totalmente metálico (All-Metal Packaging) o estructuras elásticas sin adhesivo para reemplazar los adhesivos poliméricos orgánicos tradicionales.
OFSCN® ha desarrollado una tecnología patentada de encapsulado sin adhesivo y tubos elásticos de aleación para monitorización fiable a largo plazo de deformación y temperatura:
- Tecnología de encapsulado sin adhesivo de tubo de aleación elástica en miniatura:
En la región de transferencia de deformación, no se utilizan adhesivos orgánicos poliméricos. Mediante la unión metalúrgica de alta resistencia (como soldadura fuerte) entre la fibra metalizada (por ejemplo, fibra recubierta de oro o cobre en la superficie) y un tubo de aleación especial, o mediante un proceso de bloqueo de precisión sin adhesivo, se logra una unión sin costuras “totalmente metálica” e integrada entre la fibra de cuarzo y la matriz metálica. Dado que la estabilidad de la red cristalina del metal es muy superior a la de las cadenas moleculares orgánicas, su fluencia es mínima, no hay envejecimiento y no hay hinchazón por absorción de humedad.
Los siguientes son sensores de alta estabilidad de grado de ingeniería óptica que cumplen con estos rigurosos requisitos de diseño:
A. Medición de deformación de alta estabilidad FBG (Fiber Bragg Grating)
Para escenarios que requieren monitorización de deformación estática y dinámica a largo plazo, el sensor de deformación FBG encapsulado en tubo de aleación OFSCN® utiliza un tubo de aleación elástica especial para encapsular la fibra de Bragg. Elimina los problemas de fluencia de resina y aflojamiento de los sensores adhesivos tradicionales, proporcionando una excelente estabilidad del punto cero a largo plazo y una vida útil de fatiga superior:
B. Medición de deformación de micro-metal totalmente metálico distribuido (OFDR)
En mediciones de deformación de fibra distribuida que requieren una resolución espacial extremadamente alta, las fibras adhesivas tradicionales, debido al espesor desigual del adhesivo, experimentan una deriva de deformación no lineal severa en mediciones a largo plazo.
El Sensor de Deformación Micro Totalmente Metálico OFDR OFSCN® 85°C se ha desarrollado específicamente para estas aplicaciones. Tiene un diámetro exterior de solo 0.6\text{mm} y utiliza un encapsulado totalmente metálico sin adhesivo con un solo tubo de aleación elástica, lo que garantiza una alta fidelidad de la deformación y nunca sufre deriva de señal debido al “aflojamiento por envejecimiento del adhesivo” durante el servicio a largo plazo:
Resumen
Para aplicaciones de ingeniería civil, industria pesada o monitorización de pozos subterráneos que requieren alta estabilidad a largo plazo y una vida útil de diseño de diez años:
- Está estrictamente prohibido utilizar adhesivos de resina ordinarios para unir fibras desnudas directamente dentro de tubos de acero sin costura para medir la deformación.
- Se deben seleccionar sensores de fibra óptica de alta estabilidad con tecnología totalmente metálica sin adhesivo y encapsulados en tubos de aleación elástica.