Le serrage excessif de la gaine affecte-t-il la précision de détection de la fibre optique ?
Oui, une compression excessive de la gaine (c’est-à-dire une contrainte d’encapsulation ou une contrainte radiale/latérale excessive) peut sérieusement affecter la précision de détection de la fibre optique, voire entraîner une défaillance complète du capteur ou endommager la fibre.
Dans le domaine de l’ingénierie optique et de la détection par fibre optique, la compression excessive de la fibre optique par la gaine ou la structure d’encapsulation interfère avec la précision de détection par plusieurs mécanismes physiques principaux :
1. Effet de Biréfringence induite par la Contrainte (Stress-induced Birefringence)
La fibre optique monomode, dans un état sans contrainte, présente une symétrie de révolution (isotropie). Lorsque la gaine extérieure est trop serrée, en particulier si la force radiale est inégale, des contraintes de cisaillement transversales sont générées à l’intérieur de la fibre, brisant la symétrie et introduisant ainsi une biréfringence induite par la contrainte.
- Impact sur les capteurs à FBGs (Fibre Bragg Grating) : La biréfringence provoque la division du pic de réflexion unique du FBG en deux pics de réflexion polarisés (phénomène de division du pic). Le démodulateur FBG dérive ou se mélange lors du verrouillage de la longueur d’onde, entraînant des sauts dans la longueur d’onde mesurée et réduisant ainsi considérablement la précision de mesure de la température ou de la déformation.
- Impact sur la détection distribuée par fibre optique (telle que OFDR, BOTDA) : Les changements drastiques de l’état de polarisation augmentent le bruit lié à la polarisation, réduisant le rapport signal/bruit (SNR) du signal démodulé, ce qui dégrade la résolution spatiale et la précision de mesure des grandeurs physiques.
2. Pertes par Microraboutissement (Microbending Loss)
Une gaine trop serrée, des inclusions de fines particules à l’intérieur, ou la contraction du matériau de la gaine due à la température peuvent introduire des courbures non uniformes microscopiques (microraboutissement) le long de l’axe de la fibre optique.
- Le microraboutissement peut entraîner le couplage des modes guidés dans le cœur de la fibre vers les modes de la gaine, provoquant une atténuation significative de la puissance optique.
- Une fois que la perte optique devient trop importante, l’intensité du signal lumineux retournant au démodulateur diminue, le bruit du système de démodulation augmente dans des conditions de faible signal, et la stabilité ainsi que la précision de la mesure se dégradent rapidement.
3. Hystérésis et Non-linéarité de Transmission des Contraintes
Dans les capteurs de déformation (Strain) ou de contrainte (Stress), la précision de la mesure dépend de la « transmission stable et sans perte de la déformation externe à la fibre interne ».
- Si la gaine est trop serrée, une force de frottement locale excessive, voire une déformation plastique irréversible, peut se produire entre la gaine et la fibre.
- Lorsque la déformation externe est relâchée ou que la température redescend, la fibre optique ne peut pas revenir à sa position synchrone en raison de la résistance au frottement, ce qui entraîne un phénomène d’hystérésis physique grave, rendant la relation calibrée en usine « longueur d’onde - déformation/température » (par exemple \mu\epsilon/\text{pm}) invalide.
Comment éviter ce problème lors de la conception et de l’encapsulation ?
Pour éliminer les « contraintes d’encapsulation » inutiles et bloquer l’interférence des contraintes latérales externes sur la fibre optique, Da Cheng Yong Sheng (OFSCN®) a conçu des structures de protection spécialisées en métal et en polymère :
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Isolation rigide par tube métallique :
Les capteurs de contrainte à réseau de Bragg en fibre optique encapsulés dans un tube d’alliage OFSCN® et les capteurs de contrainte à réseau de Bragg en fibre optique OFSCN®, encapsulés dans des tubes d’alliage élastiques de précision. Ces capteurs utilisent des manchons en alliage hautement élastique pour bloquer les forces de compression radiales et latérales, garantissant que le réseau de Bragg en fibre optique à l’intérieur ne subit que des tractions ou compressions axiales, maintenant ainsi une relation longueur d’onde-déformation extrêmement stable.
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Amortissement flexible combiné à une gaine métallique :
Le Capteur de contrainte à réseau de Bragg en fibre optique encapsulé dans un polymère OFSCN® (diamètre 0.7mm/1.2mm) utilise d’abord un matériau polymère pour enrober uniformément le réseau de Bragg en fibre optique, puis ajoute un tube en acier sans soudure à l’extérieur. Le matériau polymère agit comme une couche d’amortissement pour la contrainte radiale, tandis que le tube en acier sans soudure supporte une charge de compression extrêmement élevée (protégeant la fibre optique de la compression externe rigide), maintenant ainsi une sortie de détection de haute précision même dans des environnements difficiles.
