Почему сначала натягивают оптоволокно, а затем запаивают его в трубу? Что произойдет, если его не натянуть?
В процессе изготовления оптических инженерных изделий и оптоволоконных датчиков (особенно волоконно-оптических решеток) процесс натяжения оптоволоконного сенсорного сегмента (приложение постоянного осевого натяжения) перед его герметизацией в защитную трубку или базовую структуру называется «Предварительное напряженное инкапсулирование» (Pre-strained Packaging) или «Предварительное растянутое инкапсулирование».
Ниже мы подробно объясним научную необходимость этого процесса с трех точек зрения: физического механизма, характеристик датчика и последствий отсутствия растяжения.
I. Физический механизм: механические свойства кварцевого волокна и потеря устойчивости (Buckling)
Само по себе кварцевое волокно представляет собой чрезвычайно тонкую стеклянную нить (например, внешний диаметр стеклянного покрытия стандартного одномодового волокна составляет всего 125\ \mu\text{m} , даже с учетом покрытий, таких как полиимид, он составляет всего 155\ \mu\text{m} ). Эта геометрия с большим соотношением длины к диаметру определяет его уникальные механические свойства:
- Высокая прочность на растяжение：При осевом растяжении волокна его модуль упругости демонстрирует превосходные характеристики, а деформация имеет высокую линейную зависимость от смещения длины волны.
- Низкая прочность на сжатие：В свободном или расслабленном состоянии осевая жесткость волокна на изгиб (Bending Stiffness) практически равна нулю. При возникновении даже малейшего осевого давления волокно мгновенно подвергается потере устойчивости (Buckling) или изгибу, вместо того чтобы создавать равномерную осевую сжимающую деформацию внутри стеклянной среды.
II. Зачем предварительно растягивать (прикладывать предварительное напряжение)?
Основной принцип предварительно напряженного инкапсулирования заключается в том, что в процессе изготовления и закрепления с помощью высокоточных зажимов для контроля натяжения к волокну прикладывается заданное начальное осевое растягивающее напряжение (обычно от 1000\ \mu\varepsilon до 3000\ \mu\varepsilon ), после чего два конца волокна (или весь сегмент) склеиваются или сплавляются с металлической защитной трубкой.
Его основные функции заключаются в следующем:
1. Устранение «мертвой зоны» (Dead Zone) и свободного хода
Если волокно в трубке находится в расслабленном состоянии, то при растяжении внешнего защитного кожуха расслабленное волокно сначала проходит через свободный ход от «изгиба к выпрямлению». До полного выпрямления волокна волоконная решетка (FBG) не ощущает никакого растягивающего деформирования. Это приводит к серьезной мертвой зоне измерения и нелинейному гистерезису датчика в диапазоне низких нагрузок. Предварительное натяжение гарантирует, что волокно и внешний защитный кожух синхронно и мгновенно реагируют на деформацию в нулевой точке.
2. Реализация двунаправленного (растяжение и сжатие) измерения деформации
Измерение деформации обычно требует охвата как растяжения (положительная деформация, $ \varepsilon
0 ), так и сжатия (отрицательная деформация, \varepsilon
< 0 $ ).
- При измерении растяжения：Внешняя сила растяжения вызывает дальнейшее растяжение предварительно натянутого волокна, и длина волны отражения волоконной решетки (FBG) продолжает смещаться в красную сторону относительно длины волны предварительного натяжения.
- При измерении сжатия：Внешнее давление вызывает сжатие металлической трубки, уменьшая расстояние между фиксированными концами, что приводит к снижению начального предварительного натяжения волокна. Поскольку волокно изначально находится в натянутом состоянии, оно просто «ослабляет натяжение», но остается прямым. Следовательно, волоконная решетка может равномерно ощущать осевое сжатие, вызывая смещение длины волны отражения в синюю сторону.
Без предварительного растяжения, при сжатии датчика, из-за неспособности волокна выдерживать сжимающие напряжения, оно немедленно подвергнется нерегулярному изгибу внутри трубки, что приведет к полной потере возможности измерения отрицательной деформации.
3. Стабилизация рабочего опорного значения
Предварительное натяжение стабилизирует начальную длину волны отражения волоконной решетки на известном смещенном значении ( \lambda_{\text{start}} = \lambda_0 + \Delta\lambda_{\text{pre}} ). Отслеживая взаимные смещения длины волны относительно этой базовой линии ( $ \Delta\lambda
0 или \Delta\lambda
< 0 $ ), демодулятор может точно калибровать величину и направление приложенной силы.
III. Что произойдет, если не растягивать?
Датчики, инкапсулированные без предварительного натяжения, в реальных испытаниях проявляют следующие фатальные проблемы:
- Отказ измерения сжатия：Датчик абсолютно не способен измерять отрицательную деформацию.
- Гистерезис и нелинейность при измерении растяжения：Кривая выходных данных датчика демонстрирует очень плохую воспроизводимость и хаотичную нелинейность в низкодиапазонном сегменте, что делает невозможной надежную калибровку с помощью линейного уравнения.
- Искажение спектра отражения (многопиковость)：Из-за отсутствия натяжения волокно изгибается случайным образом и неравномерно внутри трубки. При изгибе решетки спектр отражения искажается, расширяется или даже расщепляется на два или более пика, что приводит к невозможности системы демодуляции зафиксировать центральную длину волны, и датчик полностью выходит из строя.
IV. Технологии и продукты OFSCN® (Dacheng Yongsheng)
В производстве промышленных волоконно-оптических датчиков деформации на основе волоконных решеток, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) использует прецизионный процесс предварительно напряженного инкапсулирования, чтобы гарантировать, что датчики обладают высокой линейностью, широким двунаправленным диапазоном измерения и сенсорными характеристиками без гистерезиса.
Например, OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor использует корпус из эластичного сплава. Перед отправкой с завода эта серия датчиков с сенсорной решеткой прошла калибровку предварительного натяжения под точной системой обратной связи по натяжению, что обеспечивает их высокую точность отклика и двунаправленные характеристики измерения с нулевой мертвой зоной:
Кроме того, для сценариев применения с более строгими ограничениями по наружному диаметру трубки, OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter), также использует высокомолекулярный материал и прецизионный процесс предварительно напряженного инкапсулирования, что позволяет добиться превосходной усталостной прочности и высокоточного двунаправленного измерения при очень малых размерах.
Для просмотра полной серии продуктов для измерения деформации посетите OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link для получения более подробных технических характеристик.