¿El vidrio se expande mucho cuando se calienta? ¿Cómo encaja esto con el encapsulado de acero inoxidable?
Desde el punto de vista de la física óptica y la mecánica de materiales, el vidrio, de hecho, apenas se expande cuando se calienta, lo que difiere enormemente del coeficiente de expansión térmica del acero inoxidable. Esta falta de coincidencia térmica (Thermal Mismatch) es el principal problema de ingeniería que debe abordarse al encapsular dispositivos de fibra óptica en acero inoxidable.
A continuación, se detallan los mecanismos físicos específicos, la comparación de parámetros y las soluciones de coincidencia para la ingeniería de encapsulación en los productos de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
1. Conceptos físicos y comparación de parámetros: ¿Se expande el vidrio al calentarse?
El componente principal de la fibra óptica, comúnmente conocido, es el dióxido de silicio de alta pureza (vidrio de cuarzo, \text{SiO}_2 ).
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Coeficiente de expansión térmica de la fibra de vidrio de cuarzo
El vidrio de cuarzo tiene una excelente estabilidad térmica. Su coeficiente de expansión térmica (CTE) es muy bajo, típicamente solo:
$$\text{CTE}_{\text{silica}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /!^\circ\text{C}$$ (o \text{K}^{-1} )
Esto significa que cuando la temperatura aumenta en 100\ ^\circ\text{C}, una fibra de 1 metro de longitud solo se alarga aproximadamente 0.05\ \mu\text{m}. Por lo tanto, el vidrio prácticamente no se expande al calentarse. -
Coeficiente de expansión térmica del material de encapsulación de acero inoxidable
En comparación, el coeficiente de expansión térmica del acero inoxidable comúnmente utilizado en la encapsulación de fibra óptica (como el acero inoxidable 304 o 316L) suele ser:\text{CTE}_{\text{stainless steel}} \approx 16 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} \sim 18 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} -
Grado de desajuste
El coeficiente de expansión térmica del acero inoxidable es aproximadamente más de 30 veces mayor que el de la fibra de vidrio de cuarzo.
Cuando la temperatura cambia, la expansión y contracción de la carcasa de acero inoxidable es mucho mayor que la de la fibra interna. Si se utiliza un encapsulado rígido y ajustado sin ningún diseño de coincidencia de ingeniería:- Al aumentar la temperatura: El acero inoxidable se expande drásticamente, mientras que la fibra apenas se expande. El tubo de acero inoxidable tira de la fibra interna, sometiendo a la fibra a un estrés de tracción extremo, lo que genera una gran deformación axial dentro de la fibra, pudiendo romper la fibra en casos graves.
- Al disminuir la temperatura: El acero inoxidable se contrae drásticamente, mientras que la fibra no se contrae, lo que hace que la fibra sea comprimida en un espacio confinado, provocando pérdidas por microcurvatura (Microbending Loss) e incluso pandeo (Buckling) de la fibra.
2. ¿Cómo coinciden los productos de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) con estos dos materiales?
Para abordar el problema de la falta de coincidencia térmica en diferentes escenarios de aplicación, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. emplea principalmente las siguientes dos estrategias de coincidencia de encapsulación:
Solución 1: Encapsulación holgada sin estrés (FIMT - Fiber in Metal Tube)
Para los cables ópticos de tubo de acero inoxidable sin costura utilizados en la transmisión de señales y sensores de temperatura distribuidos (DTS/OFDR), se utiliza un diseño de encapsulación holgada.
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Principio de coincidencia：
Se deja suficiente espacio dentro del diámetro interior del tubo de acero inoxidable sin costura, y se controla una pequeña longitud excesiva (EFL, Excess Fiber Length) de la fibra dentro del tubo durante la producción. Dado que la fibra está libre y puede deslizarse libremente dentro del tubo, la deformación por expansión o contracción térmica del tubo de acero inoxidable no se transmite a la fibra, manteniendo la fibra en un estado sin estrés, evitando pérdidas por macrocurvatura, microcurvatura y riesgo de rotura de fibra. -
Productos coincidentes：
- OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Adopta encapsulación holgada con un solo tubo de acero inoxidable sin costura 316L, con fibra de poliimida de alta temperatura incorporada, que puede alcanzar una temperatura de trabajo máxima de 300℃, logrando perfectamente el aislamiento de estrés en entornos de alta temperatura.
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Utiliza tubos de acero de 304 o 316L para protección holgada, proporcionando protección a largo plazo en entornos complejos de baja y media temperatura.
A continuación, se muestran imágenes reales del producto y diagramas esquemáticos de la estructura de los cables de fibra óptica con tubo de acero inoxidable sin costura FIMT:
Solución 2: Compensación de desajuste térmico y aislamiento mecánico en la encapsulación de sensores
Cuando se utilizan redes de Bragg de fibra (FBG) para la fabricación de sensores, la medición de la cantidad física requiere transmitir fuerza externa a la fibra. En este caso, se debe manejar por separado:
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Para sensores de temperatura (requiere aislamiento mecánico)：
Para que la red Bragg solo responda a la temperatura y evite la interferencia de la deriva de temperatura causada por la tensión mecánica de la expansión térmica del tubo de acero inoxidable, el diseño interno del sensor generalmente adopta una fijación de un solo extremo, un tubo deslizante o un encapsulado elástico flotante sin estrés. El tubo de acero inoxidable solo actúa como carcasa protectora, de modo que la red Bragg solo cambia su índice de refracción a través de su propio efecto termoóptico.- Producto coincidente：OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor adopta tecnología de encapsulación de tubo único sin costura flotante sin estrés, asegurando que no se vea afectado por la tracción de la expansión térmica del sustrato metálico durante los cambios de temperatura dentro del rango de 300℃.
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Para sensores de deformación (requiere conexión rígida y compensación de temperatura)：
Al medir la deformación mecánica de una estructura, el sustrato de acero inoxidable o el tubo de aleación transmiten la fuerza cortante a la fibra. En este encapsulado de conexión rígida, los cambios de temperatura inevitablemente causan una “deriva parasitaria de temperatura (deformación aparente térmica)” debido a la expansión del acero inoxidable. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. proporciona técnicas de calibración y compensación de temperatura dedicadas en el sistema.- Principio de coincidencia：Introduciendo una fórmula de compensación de temperatura polinómica lineal o cuadrática, o integrando una “red de Bragg de compensación de temperatura” adicional en el sensor (que solo se ve afectada por la temperatura y no por la fuerza mecánica), el algoritmo deduce directamente el desplazamiento de longitud de onda adicional causado por la expansión térmica del acero inoxidable en el extremo de demodulación, para desacoplar los datos de deformación reales.
- Productos coincidentes：
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor: Encapsulado en un tubo de aleación elástica, puede proporcionar compensación de temperatura personalizada.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge: Adopta un diseño de varilla en I de acero inoxidable o aleación de aluminio, especialmente para mediciones de alta precisión de deformación de tipo adhesivo, puede personalizar el grado de resistencia a la temperatura e incluye calibración de longitud de onda de deformación detallada.