При слишком большой нагрузке оптоволокно может оборваться. Как защитить его от разрыва посредством инкапсуляции?
1. Физическая сущность легкого разрыва оптического волокна
Основным материалом оптического волокна обычно является стекло из диоксида кремния высокой чистоты (\text{SiO}_2). Хотя теоретически монокристаллический кремний или кварц обладают чрезвычайно высокой собственной прочностью на растяжение (до нескольких ГПа), на практике в процессе изготовления и использования из-за неизбежного наличия микроскопических субмикронных трещин (микротрещин Гриффитса) на поверхности волокна происходит концентрация напряжений.
Под действием осевой силы (Tensile Force) на кончиках этих микротрещин происходит сильная концентрация напряжений. Когда локальный коэффициент интенсивности напряжений достигает критического значения вязкости разрушения материала, трещина начинает нестабильно распространяться со скоростью, сравнимой со скоростью звука, что приводит к мгновенному хрупкому разрушению волокна. В состоянии незащищенного оголенного волокна предельная деформация растяжения составляет всего около 0.5\% \sim 1\% (что эквивалентно 5000\ \mu\varepsilon \sim 10000\ \mu\varepsilon).
2. Инженерные принципы защиты волокна от разрыва путем инкапсуляции
Для предотвращения разрыва волокна под действием внешних сил в инженерии используются различные структуры инкапсуляции и физические механизмы. Основная идея заключается в «распределении напряжений», «амортизации деформаций» и «согласовании жесткости»:
A. Распределение жесткости и защита высокопрочной оболочкой (Stiffness Sharing)
Это самый распространенный и эффективный метод защиты волокна. Голое волокно помещается в защитную трубку с чрезвычайно высокой механической прочностью и большим модулем упругости (например, бесшовную стальную трубу, трубу из эластичного сплава, стеклопластик и т. д.).
- Физический механизм：Внешняя растягивающая сила действует на весь инкапсулированный элемент. Поскольку произведение площади поперечного сечения и модуля упругости (жесткость на растяжение EA) металлической или высокопрочной защитной трубы намного больше, чем жесткость на растяжение волокна, подавляющая часть осевой силы растяжения воспринимается высокопрочной внешней металлической трубой, а осевое напряжение растяжения, передаваемое на внутреннее волокно, контролируется на очень низком уровне.
B. Демпфирование полимерным эластомером и буферизация сдвига (Shear Buffering)
Если инкапсулированный элемент предназначен для измерения деформации внешней структуры (например, датчик деформации), волокно нельзя полностью изолировать. Вместо этого необходимо передавать деформацию на волокно через инкапсулирующий материал. В этом случае используется полимерная композитная структура.
- Физический механизм：Между волокном и металлической защитной трубой заполняется слой специального полимерного материала (например, полиимида, высокоэффективной эпоксидной смолы и т. д.). Полимерный материал обладает хорошими вязкоупругими свойствами и способностью к деформации сдвига. При внешней деформации или кратковременном ударном растяжении буферный слой полимера равномерно распределяет концентрированное напряжение вдоль оси волокна, предотвращая локальные разрывы, вызванные внезапными изменениями напряжений сдвига или растяжения.
C. Конструкция свободного буфера и запас избыточной длины (Loose Tube & Excess Length)
Для сценариев, требующих только передачи оптического сигнала (например, связи, измерения температуры), без необходимости измерения деформации растяжения, используется конструкция «свободного буфера».
- Физический механизм：Волокно помещается в трубку, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра волокна (обычно заполняется волоконным гелем), и волокну придается некоторая «избыточная длина» (Excess Fiber Length) внутри трубки (т. е. фактическая длина волокна немного больше осевой длины трубки). Одновременно с этим в оптический кабель добавляются арамидные нити (Kevlar) или высокопрочные стальные проволоки. Когда трубка растягивается в целом, до тех пор, пока растяжение не превысит физический запас длины волокна, волокно только распрямляется внутри трубки и не несет никаких растягивающих напряжений, тем самым гарантируя, что волокно никогда не будет разорвано.
3. Примеры промышленных инкапсулированных датчиков OFSCN® (大成永盛)
Для обеспечения стабильных и надежных измерений в различных сложных промышленных условиях и условиях больших растягивающих нагрузок, 大成永盛 (OFSCN®) разработала различные высокопрочные металлические трубчатые и полимерные композитные решения для инкапсуляции. Вы можете ознакомиться со следующими конструктивными решениями продуктов:
Вариант 1: Конструкция с полимерным уплотнением + бесшовная стальная труба
Для суровых условий с большими деформациями и требованиями к водонепроницаемости, используется полимерный материал в качестве первичного уплотнения, а снаружи оборачивается бесшовная стальная труба для вторичного усиления, обеспечивая как хорошую передачу деформации, так и высокую предел прочности на растяжение.
Например: OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) использует полимерный материал для инкапсуляции волоконного решетки Брэгга, а поверх полимера добавляется бесшовная стальная труба, увеличивая внешний диаметр с исходного \le 0.7\ \text{mm} до \le 1.2\ \text{mm}, что значительно повышает прочность на растяжение и производительность защиты от разрыва.
Продукт большего размера OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) оснащен толстостенной бесшовной стальной трубой, что делает его более пригодным для экстремальных полевых условий и внутренних заделок конструкций с высокой прочностью и большими растягивающими нагрузками.
Вариант 2: Конструкция с инкапсуляцией в прецизионную трубу из эластичного сплава
Для точных измерений динамической или статической деформации при одновременной защите от разрыва обычно используется инкапсуляция в трубу из эластичного сплава.
Например: OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor использует прецизионную трубу из эластичного сплава с внешним диаметром \le 1.1\ \text{mm}, которая не только эффективно защищает внутреннюю волоконную решетку Брэгга от разрушения из-за локальной концентрации микронапряжений, но и обеспечивает отсутствие разрыва волокна при больших деформациях в диапазоне \ge 6000\ \mu\varepsilon.
Вариант 3: Композитная структура инкапсуляции с эластомером сверхбольшого диапазона и трубой из сплава
Для измерения деформации при очень большом диапазоне растяжения:
OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor использует композитную конструкцию, сочетающую трубу из эластичного сплава со специальным эластомерным материалом с большим диапазоном растяжения. Эта конструкция равномерно рассеивает и распределяет очень большие осевые смещения в более широком диапазоне, физически избегая проблемы локального разрыва волокна при растяжении на большие расстояния.
Вариант 4: Микроинкапсулированный полностью металлический датчик деформации из сплава (применение OFDR)
Для проведения измерений распределенной деформации с высоким пространственным разрешением:
OFSCN® 85°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor использует однослойную трубу из эластичного сплава с внешним диаметром всего 0.6\ \text{mm}, специально разработанную для распределенных датчиков на основе технологии OFDR. Обеспечивая чрезвычайно высокую прочность на растяжение и защиту от разрыва, он также минимизирует толщину и объем корпуса датчика, что значительно повышает его чувствительность.
Заключение
Для защиты волокна от разрыва при больших растягивающих нагрузках основная стратегия инкапсуляции заключается в выборе подходящего механизма распределения напряжений в зависимости от применения:
- Измерение температуры / Передача сигнала：Рекомендуется использовать структуру бронированного свободного буфера + арамидный антинатяжной сердечник, чтобы волокно имело запас хода по оси и полностью снималось с нагрузки растяжения.
- Точное измерение деформации / силы：Рекомендуется использовать композитную инкапсуляцию бесшовная стальная труба / труба из эластичного сплава + полимерный материал. Контролируя площадь поперечного сечения и жесткость на растяжение ( EA) трубчатого материала, большая часть осевой силы растяжения распределяется по трубе, обеспечивая при этом безопасную и точную передачу сигнала деформации.