Le verre se dilate-t-il beaucoup sous l’effet de la chaleur ? Comment cela s’accorde-t-il avec le boîtier en acier inoxydable ?
Du point de vue de la physique optique et de la mécanique des matériaux, le verre se dilate effectivement très peu lorsqu’il est chauffé, ce qui contraste fortement avec le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable. Cette inadéquation thermique (Thermal Mismatch) est le principal défi d’ingénierie à résoudre lors du conditionnement de dispositifs à fibre optique dans de l’acier inoxydable.
Voici les mécanismes physiques spécifiques, la comparaison des paramètres et les solutions d’adaptation d’ingénierie pour le conditionnement des produits d’OFSCN®.
I. Concepts physiques et comparaison des paramètres : le verre se dilate-t-il avec la chaleur ?
Le composant principal de la fibre optique dont on parle généralement est le dioxyde de silicium de haute pureté (verre de quartz, \text{SiO}_2).
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Coefficient de dilatation thermique des fibres de verre de quartz
Le verre de quartz possède une excellente stabilité thermique. Son coefficient de dilatation thermique (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) est très faible, généralement seulement :
$$\text{CTE}_{\text{silica}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /!^\circ\text{C}$$ (ou \text{K}^{-1})
Cela signifie que pour une augmentation de température de 100\ ^\circ\text{C}, une fibre de 1 mètre de long ne s’allonge que d’environ 0.05\ \mu\text{m}. Par conséquent, le verre ne se dilate quasiment pas avec la chaleur. -
Coefficient de dilatation thermique des matériaux de conditionnement en acier inoxydable
À titre de comparaison, le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable couramment utilisé pour le conditionnement des fibres (tel que l’acier inoxydable 304 ou 316L) est généralement de :\text{CTE}_{\text{stainless steel}} \approx 16 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} \sim 18 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} -
Degré d’inadéquation
Le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable est environ 30 fois supérieur à celui des fibres de verre de quartz.
Lorsque la température change, le boîtier en acier inoxydable se dilate et se contracte beaucoup plus que la fibre optique à l’intérieur. Sans aucune conception d’adaptation d’ingénierie et en utilisant directement un conditionnement rigide et serré :- Lors d’une élévation de température : L’acier inoxydable se dilate considérablement, tandis que la fibre optique ne se dilate presque pas. Le tube en acier inoxydable tire sur la fibre optique interne, soumettant la fibre à une contrainte de traction extrême, ce qui génère une contrainte axiale énorme à l’intérieur de la fibre et, dans les cas graves, peut la casser.
- Lors d’une baisse de température : L’acier inoxydable se contracte rapidement, tandis que la fibre optique ne se contracte pas, ce qui comprime la fibre optique dans l’espace confiné, provoquant une perte de microcourbure (Microbending Loss) et même une flambée (Buckling) de la fibre.
II. Comment les produits d’OFSCN® s’adaptent-ils à ces deux matériaux ?
Pour les problèmes d’inadéquation thermique dans divers scénarios d’application, OFSCN® adopte principalement les deux stratégies de conditionnement adaptées suivantes :
Solution 1 : Conditionnement à jeu libre sans contrainte (FIMT - Fiber in Metal Tube)
Pour les câbles à fibre optique en tube d’acier inoxydable sans soudure utilisés pour la transmission de signaux et la détection de température distribuée (DTS/OFDR), une conception de conditionnement à jeu libre est adoptée.
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Principe d’adaptation :
Un espace suffisant est réservé dans le diamètre intérieur du tube en acier inoxydable sans soudure, et une légère longueur excédentaire (EFL, Excess Fiber Length) de la fibre est contrôlée à l’intérieur du tube lors de la production. Comme la fibre est libre de glisser dans le tube, la déformation due à la dilatation ou à la contraction du tube en acier inoxydable n’est pas transmise à la fibre, maintenant ainsi la fibre dans un état sans contrainte, évitant les pertes de macrocourbure, de microcourbure et le risque de rupture de la fibre. -
Produits adaptés :
- OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable : Utilise un conditionnement à jeu libre avec un tube unique en acier inoxydable 316L sans soudure, intégrant une fibre interne en polyimide résistant aux hautes températures, avec une température de fonctionnement maximale de 300℃, réalisant parfaitement l’isolation des contraintes dans les environnements à haute température.
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable : Utilise un tube en acier inoxydable 304 ou 316L pour une protection à jeu libre, offrant une protection à long terme dans des environnements complexes à basse et moyenne température.
Voici des images réelles et des schémas structurels des câbles à fibre optique en tube d’acier inoxydable sans soudure FIMT :
Solution 2 : Compensation de l’inadéquation thermique et isolation mécanique dans le conditionnement des capteurs
Lorsqu’il s’agit de fabriquer des capteurs à l’aide de fibres optiques à réseau de Bragg (FBG), la mesure de grandeurs physiques nécessite la transmission de forces externes à la fibre. Dans ce cas, le traitement doit être différencié :
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Pour les capteurs de température (nécessitant une isolation mécanique) :
Afin que le réseau ne réagisse qu’à la température, en évitant les interférences de la dérive thermique dues à la traction mécanique du tube en acier inoxydable, la conception interne adopte généralement un conditionnement à extrémité unique fixe, à manchon coulissant ou à suspension élastique sans contrainte. Le tube en acier inoxydable sert uniquement de boîtier de protection, de sorte que le réseau ne modifie son indice de réfraction qu’en raison de l’effet thermo-optique de sa propre température.- Produit adapté : Le OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor utilise une technologie de conditionnement à tube unique en acier inoxydable sans soudure à suspension sans contrainte, garantissant qu’il n’est pas affecté par la dilatation thermique du substrat métallique lors des variations de température dans la plage de 300℃.
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Pour les capteurs de contrainte (nécessitant une connexion rigide et une compensation de température) :
Lors de la mesure de la contrainte mécanique d’une structure, le substrat en acier inoxydable ou le tube en alliage transmettra la force de cisaillement à la fibre. Dans ce conditionnement à connexion rigide, les changements de température entraîneront inévitablement une “dérive parasite de température (déformation apparente due à la chaleur)” due à la dilatation de l’acier inoxydable. OFSCN® fournit une technologie de calibration et de compensation de température dédiée dans le système.- Principe d’adaptation : En introduisant une formule de compensation de température polynomiale d’ordre un ou deux, ou en intégrant un “réseau de compensation de température” supplémentaire dans le capteur (qui n’est affecté que par la température et non par la force mécanique), l’algorithme déduit directement le décalage de longueur d’onde supplémentaire causé par la dilatation thermique de l’acier inoxydable au niveau de la démodulation, afin de découpler les données de contrainte réelles.
- Produits adaptés :
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor : Conditionné dans un tube en alliage élastique, il offre une compensation de température personnalisée.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge : Conditionné dans une bande d’acier inoxydable en forme de I ou une plaque en alliage d’aluminium, il est spécialement conçu pour la mesure de contrainte de haute précision par collage de surface, avec un niveau de résistance à la température personnalisable et une calibration fine de la longueur d’onde de contrainte incluse.