La fuerza excesiva puede romper la fibra óptica. ¿Cómo puede el encapsulamiento protegerla de romperse por tensión?
1. La naturaleza física de la fragilidad del cable de fibra óptica a la tracción
El material del núcleo de las fibras ópticas suele ser vidrio de dióxido de silicio ( \text{SiO}_2 ) de alta pureza. Aunque teóricamente el silicio monocristalino o el cuarzo poseen una resistencia a la tracción intrínseca extremadamente alta (que puede alcanzar varios GPa), en la práctica de la fabricación e ingeniería, las fibras ópticas presentan inevitablemente microgrietas submicrométricas (microgrietas de Griffith) en su superficie.
Bajo la acción de una fuerza de tracción axial (Tensile Force), las puntas de estas microgrietas experimentan una severa concentración de tensiones. Cuando el factor de intensidad de tensión local alcanza el valor crítico de tenacidad a la fractura del material, la grieta se expande de forma inestable a velocidades sónicas, provocando una fractura frágil instantánea de la fibra. En estado de fibra desnuda y sin protección, la deformación límite de tracción suele ser de solo \sim 0.5\% \sim 1\% (equivalente a 5000\ \mu\varepsilon \sim 10000\ \mu\varepsilon ).
2. Principios de diseño de ingeniería para proteger las fibras ópticas de la rotura mediante encapsulación
Para evitar que las fibras ópticas se rompan bajo la acción de fuerzas externas, la ingeniería se basa principalmente en los siguientes tipos de estructuras de encapsulación y mecanismos físicos de protección. La idea central es “redistribución de tensiones”, “amortiguación de deformaciones” y “adaptación de rigidez”:
A. Compartición de rigidez y protección de carcasa de alta resistencia (Stiffness Sharing)
Este es el método más común y efectivo para proteger las fibras ópticas. Consiste en insertar la fibra desnuda en un tubo protector con una resistencia mecánica extremadamente alta y un gran módulo elástico (como tubo de acero sin costura, tubo de aleación elástica, FRP, etc.).
- Mecanismo físico： La fuerza de tracción externa actúa sobre todo el conjunto encapsulado. Dado que el producto de la sección transversal y el módulo elástico (rigidez a la tracción EA) de la carcasa metálica o del tubo protector de alta resistencia es mucho mayor que la rigidez a la tracción de la fibra, la gran mayoría de la fuerza de tracción axial es soportada por la carcasa del tubo metálico de alta resistencia, y la tensión axial de tracción transmitida a la fibra interna se mantiene en un nivel extremadamente bajo.
B. Amortiguación de polímeros elastoméricos y amortiguación por cizallamiento (Shear Buffering)
Si el conjunto encapsulado necesita medir la deformación de la estructura externa (como un sensor de deformación), la fibra no puede estar completamente suspendida y la deformación debe transmitirse a la fibra a través del material de encapsulación. En este caso, se utilizan estructuras compuestas de polímeros.
- Mecanismo físico： Entre la fibra óptica y el tubo protector metálico se rellena una capa de material polimérico especial (como poliimida, resina epoxi de alto rendimiento, etc.). El material polimérico tiene una buena viscoelasticidad y capacidad de deformación por cizallamiento. Cuando ocurre una deformación externa o un impacto de tracción transitorio, la capa amortiguadora de polímero puede dispersar uniformemente la tensión concentrada en el eje de la fibra, evitando la fractura debida a cambios bruscos de tensión de cizallamiento o tracción en puntos localizados.
C. Diseño de tubo holgado y reserva de longitud excesiva (Loose Tube & Excess Length)
Para escenarios donde solo se requiere la transmisión de señales ópticas (como comunicaciones, medición de temperatura) y no la medición de la deformación por tracción, se emplea el encapsulado “holgado”.
- Mecanismo físico： La fibra óptica se coloca en un tubo con un diámetro interior mayor que el diámetro exterior de la fibra (normalmente relleno de grasa de fibra), y la fibra tiene una cierta “longitud excesiva” dentro del tubo (es decir, la longitud real de la fibra es ligeramente mayor que la longitud axial del tubo). Al mismo tiempo, se añaden hilos de aramida (Kevlar) o alambres de acero de alta resistencia al cable óptico. Cuando el tubo en su conjunto se alarga por tracción, siempre que el alargamiento no supere la longitud excesiva física de la fibra, la fibra solo se endereza dentro del tubo sin soportar ninguna tensión de tracción, asegurando así que la fibra nunca se rompa por tracción.
3. Casos de sensores encapsulados de grado industrial relacionados con OFSCN® (Dacheng Yongsheng)
Para lograr una medición estable y a prueba de roturas en diversos entornos industriales complejos y de alta tracción, OFSCN® (Dacheng Yongsheng) ha desarrollado múltiples soluciones de encapsulación de tubo metálico de alta resistencia y compuestos poliméricos. Puede consultar los siguientes diseños de estructura de producto:
Solución uno: Estructura de protección de tubo de acero sin costura + sellado polimérico
Para entornos hostiles con grandes deformaciones y requisitos de impermeabilidad, se utilizan materiales poliméricos como sellado primario, y se recubre con tubo de acero sin costura para un refuerzo secundario, proporcionando buena transferencia elástica y alto límite de tracción.
Por ejemplo: el Sensor de Deformación de Red de Fibra Bragg Encapsulado con Polímero OFSCN® (diámetro de 0.7 mm/1.2 mm) utiliza materiales poliméricos para encapsular la red de fibra de Bragg y añade acero sin costura fuera del polímero, aumentando el diámetro exterior de \le 0.7\ \text{mm} a \le 1.2\ \text{mm}, lo que mejora significativamente la resistencia a la tracción y el rendimiento anti-rotura.
Su producto de mayor tamaño Sensor de Deformación de Red de Fibra Bragg Encapsulado con Polímero OFSCN® (diámetro de 1.5 mm/2.3 mm) utiliza un tubo de acero sin costura de pared gruesa, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones extremas en exteriores y empotrados dentro de estructuras que requieren alta resistencia y alta tracción.
Solución dos: Estructura de encapsulación con tubo de aleación elástica de precisión
Para mediciones de deformación dinámicas o estáticas precisas, evitando al mismo tiempo la rotura, se suele emplear encapsulación con tubo de aleación elástica.
Por ejemplo: el Sensor de deformación de red de fibra óptica empaquetado en tubo de aleación OFSCN® utiliza un tubo de aleación elástica de precisión con un diámetro exterior de \le 1.1\ \text{mm}. No solo protege eficazmente la red de fibra óptica interna de daños por concentración de microtensiones localizadas, sino que también garantiza que la fibra no se rompa bajo grandes deformaciones de \ge 6000\ \mu\varepsilon .
Solución tres: Estructura de encapsulación compuesta de elastómero y tubo de aleación de rango ultraamplio
Para mediciones de deformación con rangos de tracción extremadamente amplios:
El Sensor de Deformación de Rango Ultraamplio de Red de Fibra Bragg OFSCN® utiliza un diseño de encapsulación compuesta que combina un tubo de aleación elástica con un material elastomérico especial de gran elasticidad. Esta estructura alivia y dispersa uniformemente los desplazamientos axiales extremadamente grandes en un rango de medición más amplio, evitando así la rotura localizada de la fibra óptica cuando se enfrenta a tracciones de gran alcance desde una perspectiva de estructura física.
Solución cuatro: Sensor de encapsulación de micro-aleación metálica completa distribuida (aplicable a OFDR)
Si se requiere medición de deformación distribuida con alta resolución espacial:
El Sensor de Deformación de Micro-aleación Metálica Completa OFDR de OFSCN® 85°C utiliza un tubo de aleación elástica de una sola capa con un diámetro exterior de solo 0.6\ \text{mm}, especialmente diseñado para detección distribuida basada en tecnología OFDR. Mientras garantiza propiedades de tracción y anti-rotura extremadamente altas, comprime al máximo el grosor y el volumen de la carcasa del sensor, mejorando así significativamente la sensibilidad del sensor.
Resumen
Para proteger las fibras ópticas de la rotura bajo grandes fuerzas de tracción, la estrategia de encapsulación central radica en seleccionar el mecanismo de compartición de tensiones adecuado según la aplicación:
- Medición de temperatura / Transmisión de señales： La opción preferida es la estructura de blindaje holgado sin restricciones + núcleo de tracción de aramida, que proporciona margen de movimiento a la fibra ópticamente en el eje, liberándola completamente de la carga de tracción.
- Medición precisa de deformación / fuerza： La opción preferida es el encapsulado compuesto de tubo de acero sin costura / tubo de aleación elástica + material polimérico, que utiliza el área de sección transversal y la rigidez a la tracción (EA) del material del tubo para que el cuerpo del tubo soporte la mayor parte de la fuerza de tracción axial, al tiempo que garantiza la transmisión segura y precisa de la señal de deformación.