Почему оптическое волокно помещают в трубку, наполненную гелем? Защищает ли это оптическое волокно от нагрузки?
Структура, в которой оптоволокно помещается в трубку (гильзу) с внутренним диаметром, значительно превышающим внешний диаметр волокна, и заполняется вязким гелем, в области оптической связи и оптоволоконных датчиков известна как «структура со свободной укладкой» (Loose-Tube Structure).
Эта конструкция предназначена не для фиксации волокна; напротив, ее основная физическая и инженерная цель заключается в обеспечении механического разделения (Mechanical Decoupling) между оптоволокном и внешней гильзой, а также обеспечении долгосрочной химической и физической защиты.
Ниже приведены основные физические и механические принципы этой конструкции:
I. Механическое разделение: как предотвратить нагрузку на оптоволокно?
В оптоволокне со свободной укладкой внутренний диаметр гильзы D значительно превышает внешний диаметр волокна d (например, внешний диаметр волокна составляет всего от 125\ \mu\text{m} до 250\ \ \mu\text{m}, в то время как внутренний диаметр защитной трубки обычно составляет 1.0\ \text{mm} до 2.0\ \text{mm} и более).
- Использование «избыточной длины волокна» (Excess Fiber Length, EFL)
При производстве кабелей со свободной укладкой технологически контролируется длина волокна таким образом, чтобы оно было немного длиннее защитной трубки (то есть имело избыточную длину, обычно от 0.1\ \% до 1.0\ \%). Это означает, что волокно в полости трубки не натянуто, а имеет небольшую спиральную или волнистую форму. - Снятие растягивающих напряжений
Когда кабель подвергается растяжению (например, из-за внешних нагрузок, тяги при прокладке или теплового расширения/сжатия), наружная защитная гильза удлиняется. Благодаря большому пространству внутри трубки, оптоволокно может свободно скользить в полости и высвобождать избыточную длину, «распрямляясь» из спирального состояния. Пока удлинение гильзы находится в пределах расчетного запаса длины, само оптоволокно не несет никаких растягивающих напряжений, его осевая нагрузка всегда остается равной 0. - Компенсация разницы коэффициентов теплового расширения
Разница в коэффициентах линейного теплового расширения различных материалов (таких как кварцевое стекло и наружные слои из нержавеющей стали, пластика) очень велика. При резких изменениях температуры окружающей среды наружная гильза значительно сжимается или расширяется. Конструкция со свободной укладкой позволяет оптоволокну автоматически адаптироваться к изменению длины гильзы, изменяя степень спиральной кривизны в просторной полости трубки, предотвращая обрыв волокна или возникновение потерь на микроизгибах из-за сжатия.
II. Ключевая роль заполняющего геля (Fiber Gel)
Гель, заполняющий трубку (обычно гидрофобный тиксотропный гель), предназначен не для жесткой фиксации волокна. Это полужидкая среда с высокой вязкостью и гидрофобными свойствами, играющая важнейшую роль:
- Предотвращение «стрессовой коррозии» (Stress Corrosion), вызываемой молекулами воды
Кварцевое стекло (диоксид кремния SiO_2) при наличии слабого напряжения и контакта с молекулами воды (H_2O) подвергается химической реакции:SiO_2 + H_2O \rightarrow 2SiO-HЭто приводит к разрыву химических связей в диоксиде кремния, вызывая быстрое расширение микротрещин на поверхности волокна, что приводит к внезапному хрупкому разрушению волокна при гораздо меньшей нагрузке, чем его теоретический предел. Гель является сильно гидрофобным, он полностью обволакивает оптоволокно, полностью изолируя его от влаги и предотвращая осевое проникновение воды при повреждении гильзы. - Механическое демпфирование и буферизация микроизгибов
Вязкоупругость геля обеспечивает волокну мягкую подушку. Когда кабель подвергается внешним высокочастотным вибрациям, ударам или локальному боковому давлению, гель поглощает и рассеивает часть механической энергии, действуя как демпфер и амортизатор. Это предотвращает возникновение локальных сильных микроскопических изгибов (потери на микроизгибы), обеспечивая стабильность передачи оптического сигнала.
III. Промышленные бесшовные стальные гильзы для оптоволокна со свободной укладкой
В высокопроизводительных оптоволоконных и распределенных сенсорных приложениях Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) мы сочетаем этот принцип «свободной укладки» с высокопрочными технологиями металлообработки, предлагая серию кабелей на основе бесшовных труб из нержавеющей стали (то есть оптоволокно в металлической трубе, FIMT - Fiber in Metal Tube).
В этой конструкции трубка из нержавеющей стали служит превосходным физическим защитным барьером, выдерживая большую часть внешних давящих и растягивающих напряжений, в то время как высокотемпературный гель или специальный воздушный зазор внутри трубки обеспечивают свободное, без напряжений состояние оптоволокна в суровых промышленных условиях (например, при нефтегазовых разработках, геотермальном мониторинге).
Типичные продукты включают:
- OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Использует бесшовную трубу из нержавеющей стали для инкапсуляции, заполненную гидрофобным гелем, способную вмещать одномодовое или многомодовое оптоволокно, обеспечивая превосходную защиту от влаги и внешних растягивающих/сжимающих сил.
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Для средне- и высокотемпературных условий использует конструкцию со свободной укладкой в бесшовной стальной трубе для защиты оптоволокна с покрытием из полиимида, предотвращая повреждение от термических и механических напряжений в суровых условиях эксплуатации.