Влияет ли чрезмерное сжатие оболочки на точность измерения оптического волокна?
Да, слишком сильное сдавливание оболочки (то есть чрезмерное напряжение при инкапсуляции или чрезмерное радиальное/боковое напряжение) может серьезно повлиять на точность зондирования оптоволокна и даже привести к полному отказу датчика или повреждению волокна.
В области оптики и оптоволоконного зондирования чрезмерное сдавливание оптоволокна внешней оболочкой или корпусом нарушает точность зондирования посредством следующих основных физических механизмов:
1. Индуцированное напряжением двойное лучепреломление (Stress-induced Birefringence)
Сердцевина одномодового оптоволокна в отсутствие напряжения обладает вращательной симметрией (изотропностью). Когда внешняя оболочка слишком туго сдавливает волокно, особенно неравномерно по радиальному направлению, внутри волокна возникают поперечные касательные напряжения, нарушающие симметрию и вызывающие индуцированное напряжением двойное лучепреломление.
- Влияние на датчики FBG (оптические решетки волокна): Двойное лучепреломление приводит к расщеплению изначально единого пика отражения оптической решетки на два поляризационных пика отражения (явление расщепления пика). Демодулятор оптической решетки испытывает смещение или путаницу при фиксации длины волны, что приводит к скачкам измеренной длины волны и, следовательно, к серьезному снижению точности измерения температуры или деформации.
- Влияние на распределенные оптоволоконные датчики (например, OFDR, BOTDA): Резкое изменение состояния поляризации увеличивает шум, связанный с поляризацией, снижает отношение сигнал/шум (SNR) демодулированного сигнала, что снижает пространственное разрешение и точность измерения физических величин.
2. Потери на микроизгибах (Microbending Loss)
Слишком тугое сдавливание оболочки, наличие микроскопических частиц внутри нее или сжатие материала оболочки при изменении температуры приводят к возникновению микроскопических неравномерных изгибов (микроизгибов) вдоль оси оптоволокна.
- Микроизгибы вызывают связь распространяющихся мод из сердцевины оптоволокна с модами оболочки, что приводит к значительному затуханию оптической мощности.
- При чрезмерных оптических потерях интенсивность сигнала, возвращающегося к демодулятору, ослабевает, а шум в системе демодуляции при слабом сигнале возрастает, что быстро ухудшает стабильность и точность измерений.
3. Гистерезис и нелинейность передачи напряжения (Hysteresis & Nonlinearity)
В датчиках деформации (Strain) или напряжения (Stress) точность зондирования зависит от «плавной и неповрежденной передачи внешних деформаций к внутреннему оптоволокну».
- Если оболочка сдавливает слишком сильно, между оболочкой и оптоволокном возникают чрезмерные локальные силы трения или даже необратимые пластические деформации.
- При снятии внешней деформации или снижении температуры оптоволокно не может полностью синхронно вернуться в исходное состояние из-за ограничения силами трения. Это вызывает серьезное явление гистерезиса (Hysteresis), делающее недействительным заводскую калибровку «длина волны – деформация/температура» (например, \mu\epsilon/\text{pm}).
Как избежать этой проблемы при проектировании и инкапсуляции?
Для устранения ненужного «напряжения при инкапсуляции» и предотвращения влияния внешнего бокового сдавливания на оптоволокно, компания DaCheng YongSheng (OFSCN®) разработала специальные металлические и полимерные защитные структуры:
-
Жесткая защита и изоляция металлической трубкой:
Датчики деформации OFSCN® Fiber Bragg Grating strain sensor и напряжения OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor, инкапсулированные в прецизионные эластичные сплавные трубки. Эта серия датчиков использует высокоэластичные сплавные трубки для блокирования радиальных и боковых сдавливающих сил, гарантируя, что оптическая решетка внутри подвергается только осевому растяжению или сжатию, что обеспечивает чрезвычайно стабильную зависимость длины волны.
-
Гибкая буферизация и сочетание с металлической внешней оболочкой:
Датчики деформации OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) используют полимерные материалы для равномерной обмотки оптической решетки, а затем добавляют бесшовную стальную трубку снаружи. Полимерный материал действует как буферный слой для радиальных нагрузок, а бесшовная стальная трубка выдерживает чрезвычайно высокие нагрузки на сжатие (защищая оптоволокно от внешнего жесткого сдавливания), обеспечивая высокоточный вывод зондирования даже в суровых условиях.
