Dans quelles situations un capteur encapsulé dans un tube en plastique est-il préférable à un tube en acier ?
Dans la conception de l’encapsulation des capteurs à fibre optique (en particulier les capteurs de contrainte à réseau de Bragg en fibre, FBG), le choix entre une encapsulation polymère (souvent appelée encapsulation en tube plastique ou en matériau polymère) et une encapsulation en tube d’acier inoxydable/alliage dépend principalement de l’environnement physique, de la compatibilité mécanique et de la cible de mesure.
Voici plusieurs scénarios typiques où les capteurs encapsulés en polymère (plastique) sont plus appropriés et plus performants que les tubes en acier pour les applications d’ingénierie et académiques :
1. Mesure de la déformation sur des matériaux hôtes à faible module d’élasticité (élimination de l’« effet de renforcement »)
- Principe physique :
Les tubes en acier inoxydable ou en alliage métallique ont un module d’élasticité très élevé (généralement entre 190\text{ GPa} et 210\text{ GPa} ), ce qui les rend extrêmement rigides. En revanche, le module d’élasticité des polymères est beaucoup plus faible (souvent quelques \text{GPa} voire moins). - Scénarios d’application :
Lorsque le matériau à mesurer (substrat) est un matériau mou ou à faible module tel que le plastique, le caoutchouc, les matériaux composites (comme les feuilles de fibres de carbone ou de verre), l’asphalte, la terre ou les tissus biologiques, un tube métallique rigide de forte rigidité peut provoquer un effet de renforcement significatif. Le capteur lui-même limite la déformation de la zone locale, ce qui entraîne une valeur de déformation mesurée bien inférieure à la déformation libre réelle du matériau.
Dans ce cas, le choix d’une encapsulation polymère à faible module permet une bonne correspondance de rigidité (Stiffness Matching) avec ces substrats mous ou déformables, garantissant que la force de cisaillement est fidèlement transmise au réseau de Bragg en fibre interne, assurant ainsi une grande précision des résultats de mesure.
2. Situations nécessitant un rayon de courbure extrêmement petit et une installation de surface complexe
- Principe mécanique :
Une fois que le matériau métallique subit une flexion à grand angle et dépasse sa limite d’élasticité, il se produit une déformation plastique irréversible et permanente. Cela peut même entraîner la rupture de la fibre interne ou une perte de courbure excessive. - Scénarios d’application :
Sur des surfaces courbes complexes, des surfaces d’installation à faible rayon de courbure, ou dans des zones nécessitant un fléchissement suiveur, une flexion répétée sur une grande plage, les tubes en polymère montrent une excellente élasticité et flexibilité à la flexion. Ils peuvent être pliés selon des rayons extrêmement petits et retrouver leur forme sans déformation permanente ni durcissement par écrouissage, typique des tubes métalliques, améliorant considérablement l’adaptabilité d’installation.
3. Mesure de grandes déformations et de grandes déformations
- Principe mécanique et application :
Les matériaux métalliques subissent facilement une déformation plastique lors de grandes déformations. Cependant, les polymères (tels que les élastomères ou les plastiques techniques haute performance) ont généralement une large plage d’élasticité, ce qui les rend adaptés à la mesure de grandes déformations et de grands allongements sur des composants structurels (tels que les joints de dilatation de ponts, les structures géotechniques à grande déformation, etc.). Les capteurs FBG encapsulés en polymère peuvent prendre en charge des plages de mesure plus importantes que les encapsulations métalliques traditionnelles (par exemple, des plages de contrainte \ge 3000\ \mu\varepsilon voire \ge 6000\ \mu\varepsilon ), et sont moins sujets à la fatigue lors de cycles de grandes déformations répétées.
4. Environnements « électriquement neutres » tels que les interférences électromagnétiques fortes, haute tension, résonance magnétique nucléaire
- Propriétés électromagnétiques :
Les métaux sont conducteurs et réactifs aux champs électromagnétiques. Dans de forts champs électromagnétiques (tels que les sous-stations à haute tension, les micro-ondes de forte puissance, les équipements radar à haute fréquence, les appareils IRM à champ magnétique intense, etc.), les encapsulations métalliques introduisent des distorsions de champ magnétique, génèrent des courants de Foucault, et présentent même un risque d’étincelles. - Scénarios d’application :
Si la gaine de protection en acier de l’encapsulation polymère est retirée, l’encapsulation polymère pure (structure entièrement non métallique) est un isolant et un matériau non magnétique absolu. Elle offre une neutralité électromagnétique complète, éliminant complètement les risques de sécurité et les interférences de signal dans des conditions physiques spéciales, à haute tension et à champ magnétique intense.
5. Structures extrêmement sensibles à la masse additionnelle (exigences de légèreté)
- Densité de masse :
La densité des matériaux polymères (généralement entre 1.0 et 1.5\text{ g/cm}^3 ) est bien inférieure à celle de l’acier inoxydable (environ 7.9\text{ g/cm}^3 ). - Scénarios d’application :
Dans l’aérospatiale, les ailes de drones (UAV), les ballons-sondes d’altitude, ou les structures légères en rotation rapide (comme les pales d’éoliennes), toute masse additionnelle peut altérer les caractéristiques dynamiques ou le centre de gravité de la structure. Les capteurs encapsulés en polymère sont extrêmement légers, minimisant ainsi la charge de poids propre du capteur sur la structure mesurée.
Solutions de produits associées Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Pour répondre à différents besoins d’ingénierie, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) propose des capteurs de contrainte à réseau de Bragg en fibre qui combinent les avantages de l’encapsulation polymère avec différentes options de boîtier :
1. OFSCN® Capteur de contrainte à réseau de Bragg en fibre encapsulé polymère (diamètre 0.7mm/1.2mm)
Ce capteur utilise un matériau polymère pour l’encapsulation du cœur. Son diamètre extérieur par défaut est très fin, \le 0.7\text{ mm} ; sur cette base, il est entièrement non métallique, ce qui le rend idéal pour l’intégration interne ou le collage de surface sur des matériaux composites souples. Si l’environnement d’installation est complexe, nécessitant une protection contre l’eau et l’humidité ou une résistance à certaines abrasions mécaniques externes, une couche supplémentaire de tube en acier sans soudure peut être ajoutée autour du polymère (le diamètre extérieur devient \le 1.2\text{ mm} ). Sa plage de contrainte par défaut est \ge 3000\ \mu\varepsilon .
2. OFSCN® Capteur de contrainte à réseau de Bragg en fibre encapsulé polymère (diamètre 1.5mm/2.3mm)
Ce capteur utilise également un matériau polymère pour l’encapsulation du cœur. Le diamètre extérieur par défaut est \le 1.5\text{ mm} , et il atteint \le 2.3\text{ mm} lorsqu’une couche de protection supplémentaire en tube d’acier sans soudure est ajoutée. Dans cette conception de plus grande taille, sa plage de mesure à température ambiante peut atteindre \ge 6000\ \mu\varepsilon , ce qui le rend adapté aux scénarios de détection nécessitant des contraintes encore plus importantes.
Produits à encapsulation entièrement métallique en comparaison
Si votre environnement de test implique des températures élevées (par exemple, hors de la plage de -20^\circ\text{C} à 55^\circ\text{C} ), une friction mécanique ou géotechnique intense, et que le substrat de test est une structure en acier ou un substrat métallique à module d’élasticité élevé, vous devriez privilégier les capteurs de contrainte encapsulés dans un tube en alliage entièrement métallique :
Capteur de contrainte à réseau de Bragg en fibre encapsulé en tube d’alliage OFSCN®
Ce produit utilise un tube en alliage à haute élasticité pour l’encapsulation, avec un diamètre extérieur par défaut de \le 1.1\text{ mm} . Il offre d’excellentes performances de transmission de la déformation de surface métallique et une résistance à la friction, une plage de mesure de \ge 6000\ \mu\varepsilon , et une température de fonctionnement pouvant être personnalisée jusqu’à 300^\circ\text{C} .
