Élongation externe de 100 unités, combien cela sera-t-il détecté par la grille interne ? Où se situe la perte ?
I. Qu’est-ce que « l’efficacité du transfert de contrainte » ?
Dans la technologie de détection de contrainte par réseau de fibres optiques (FBG), l’efficacité du transfert de contrainte (Strain Transfer Efficiency) fait référence au rapport entre la contrainte réelle générée par le substrat testé (structure externe), transmise à travers l’adhésif, la gaine de protection, le revêtement de la fibre optique et d’autres milieux par cisaillement, et la contrainte finalement atteinte dans le cœur de la fibre (réseau de fibres optiques).
Dans le modèle mécanique, il est généralement représenté par un coefficient de transfert k (ou \alpha) :
\alpha = \frac{\varepsilon_f}{\varepsilon_s}
Où :
- \varepsilon_f est la contrainte réelle détectée et mesurée par le réseau de fibres optiques (cœur interne).
- \varepsilon_s est la contrainte réelle subie par le substrat testé (externe).
II. Une traction externe de 100 unités, combien le réseau interne peut-il détecter ?
Si l’extérieur est étiré de 100 unités (par exemple, 100\ \mu\varepsilon), la quantité que le réseau de fibres optiques interne peut détecter dépend entièrement de la rigidité de l’encapsulation, de la méthode d’installation, de la longueur d’ancrage et des caractéristiques de cisaillement de l’interface du capteur :
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Situation idéale (proche de 100 %) :
En utilisant une encapsulation entièrement métallisée sans colle et à haute rigidité, ou en soudant/ancrant directement la fibre nue avec une haute rigidité sur le substrat, le coefficient de transfert de contrainte peut atteindre 95 % à 99 %. Dans ce cas, une traction externe de 100 unités entraînera une détection de 95 à 99 unités par le réseau interne. -
Encapsulation ordinaire par adhésif ou gaine souple (réduction à 50 % ~ 80 %) :
Si le capteur utilise un remplissage en résine époxy souple ou une gaine en plastique souple épaisse autour de la fibre, l’efficacité du transfert sera considérablement réduite. Une traction externe de 100 unités pourrait n’entraîner qu’une détection de 50 à 80 unités par le réseau interne. -
Longueur d’ancrage trop courte (chute d’efficacité) :
Si la longueur de collage ou la section d’ancrage du capteur est trop courte, le glissement par cisaillement aux deux extrémités ne peut pas établir un champ de contrainte stable au centre, et l’efficacité du transfert peut même descendre en dessous de 30 %.
III. Où se situent précisément les pertes (hystérésis de cisaillement) ?
Lorsque la contrainte est transmise de la couche la plus externe (substrat testé) à la couche la plus interne (cœur de la fibre), elle doit passer par plusieurs interfaces hétérogènes. Les pertes se produisent principalement dans la perte de transfert par cisaillement élastique (appelé effet d’hystérésis de cisaillement, Shear Lag Effect, en mécanique). Les pertes sont principalement réparties dans les quatre positions suivantes :
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Pertes élastiques par cisaillement dans la couche adhésive / la couche de colle :
C’est la principale source de perte pour les capteurs à montage de surface. Le substrat externe (tel qu’une structure en acier, avec un module d’élasticité d’environ 200\text{ GPa}) et la fibre optique (quartz, avec un module d’élasticité d’environ 72\text{ GPa}) sont très rigides, tandis que la colle intermédiaire (comme la résine époxy ordinaire, avec un module d’élasticité généralement de seulement 2 \sim 4\text{ GPa}) est très souple. La couche de colle, en raison de son module d’élasticité extrêmement faible, subit une déformation élastique par cisaillement importante lors de la transmission de la force de traction. Cette déformation consomme une quantité considérable d’énergie et ne peut pas être entièrement convertie en contrainte de traction de la fibre optique. -
Absorption par cisaillement du revêtement de fibre optique (Coating Layer) :
Les fibres optiques de communication ordinaires ont une couche de revêtement en acrylate à l’extérieur, qui est très souple et absorbe la majeure partie de la force de cisaillement. Si des fibres avec un revêtement en acrylate sont utilisées directement pour la détection de contrainte, une perte de contrainte considérable se produira à l’interface du revêtement. L’utilisation de fibres avec un revêtement rigide en polyimide réduira considérablement les pertes. -
Suppression de rigidité et désadaptation du matériau d’encapsulation du capteur (Packaging Layer) :
Si le capteur est équipé d’un tube de protection externe épais en acier inoxydable ou en polymère, il y a un glissement par cisaillement entre le tube externe et la fibre optique ; en outre, la rigidité axiale du tube d’encapsulation lui-même peut provoquer un « effet de renforcement local » (Local Stiffening Effect) sur le substrat initialement plus souple, s’opposant ainsi à la déformation du substrat dans la section du capteur, ce qui entraîne des pertes de mesure et des distorsions. -
Effets d’extrémité et longueur d’ancrage insuffisante (Bonded Length) :
Selon le modèle mécanique d’hystérésis de cisaillement, le transfert de contrainte n’est pas uniforme sur toute la longueur. À l’extrémité de la section collée (ou de l’extrémité encapsulée), la force de cisaillement est maximale, mais l’efficacité du transfert de contrainte axiale est de 0 ; ce n’est qu’en s’étendant vers le centre sur une certaine distance (appelée longueur de transfert effective) que l’efficacité du transfert peut augmenter et atteindre une valeur stable. Si le capteur est trop court ou si la longueur de collage est insuffisante, la contrainte n’a pas le temps d’être complètement transférée dans la fibre avant la fin, ce qui entraîne une perte à l’extrémité.
IV. Comment réduire les pertes et réaliser un transfert de contrainte efficace ?
En ingénierie optique et dans la conception de capteurs de contrainte, les mesures suivantes sont généralement prises pour réduire les pertes de contrainte :
- Microminiaturisation et parois fines : Réduire le diamètre extérieur et l’épaisseur de la paroi de l’encapsulation, abaisser la rigidité du capteur lui-même, afin qu’il se déforme plus facilement en synchronisation avec le substrat.
- Adhésifs à haut module ou ancrage métallisé sans colle : Utiliser une colle à module de cisaillement extrêmement élevé, ou réaliser une connexion rigide sans colle par soudage entièrement métallique ou scellage par fusion.
- Sélection de fibres à revêtement dur spécial : Par exemple, utiliser des fibres en polyimide avec un revêtement extrêmement fin et ultra-rigide, qui ne produit pratiquement aucune perte par cisaillement du revêtement.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) a optimisé en profondeur les matériaux et la structure pour divers scénarios de mesure et de contrôle précis de la contrainte, et a conçu plusieurs produits de capteurs de contrainte à fibre à haute efficacité de transfert :
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Ce capteur utilise un tube en alliage élastique pour encapsuler le réseau de manière miniaturisée, avec un diamètre extérieur du produit de seulement \le 1,1\text{ mm}. Le diamètre extrêmement fin et le matériau de base en alliage à haut module élastique minimisent le décalage par cisaillement et éliminent les obstacles au transfert de contrainte, ce qui le rend adapté à diverses mesures de traction et de contrainte de précision.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Il s’agit d’un jauge de contrainte de type I, avec un substrat en acier inoxydable ou en alliage d’aluminium ultra-fin, prenant en charge le soudage par points direct ou le montage par adhésif fin. Cette conception aplatie et à proximité minimise l’épaisseur de la couche adhésive intermédiaire, réduisant ainsi les pertes de transfert de contrainte à un niveau extrêmement bas.
3. OFSCN® 200°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
Conçu pour la mesure de contrainte par réflectométrie optique à fibre distribuée à haute résolution spatiale (OFDR). Le diamètre extérieur est réduit à 0,6\text{ mm}, et il utilise par défaut une fibre spéciale en polyimide ultra-rigide, qui est non seulement résistante aux hautes températures, mais réduit également les pertes par cisaillement du revêtement de fibre optique à la limite physique, offrant une cohérence de réponse de contrainte extrêmement élevée.
