Полностью ли синхронна деформация инкапсулирующих материалов при нагреве и охлаждении?
В процессе циклического изменения температуры (нагрев и охлаждение) деформация инкапсулирующих материалов не может быть полностью синхронизирована.
Это явление несогласованной деформации на этапах нагрева и охлаждения, когда физические пути не совпадают, в физике и сенсорной инженерии известно как гистерезис (Hysteresis Effect). Для датчика на основе волоконного брэгговского решетки (FBG) это ключевой физический механизм, ограничивающий повторяемость высокоточных измерений.
I. Физические и механические корни неполной синхронизации деформации
-
Тепловая инерция (Thermal Inertia)
Передача тепла имеет временную задержку. На этапе нагрева внешний инкапсулирующий рукав сначала нагревается и расширяется, тепло передается внутрь, а температура внутри решетки (FBG) всегда отстает от внешней; на этапе охлаждения внешний рукав сначала охлаждается и сжимается, а температура внутри решетки также отстает. Это приводит к тому, что на одинаковой мгновенной температуре окружающей среды распределение температурного поля, формирующееся внутри датчика в двух процессах нагрева и охлаждения, имеет разницу градиентов. -
Вискоэластичное отставание при сдвиге (Viscoelastic Shear Lag)
Если в инкапсуляции или склейке датчика используются органические полимерные материалы (такие как эпоксидная смола, полиимид и т. д.), они обладают выраженной вязкоупругостью (Viscoelasticity). Растяжение и релаксация их молекулярных цепей не являются мгновенными и зависят от времени.
Особенно когда температура приближается к температуре стеклования (T_g) или превышает ее, кривые деформационной реакции материала в процессах нагрева и охлаждения существенно расходятся, что приводит к значительному фазовому сдвигу при передаче механических усилий. -
Крайнее несоответствие коэффициентов теплового расширения (CTE)
CTE оптоволокна (кремнезем, приблизительно 0.55 \times 10^{-6}\ /\ \text{K}), защитной стальной трубки (нержавеющая сталь, приблизительно 16 \times 10^{-6}\ /\ \text{K}) и адгезивного материала сильно различаются.
Во время температурных циклов гетерогенные границы подвергаются высокоплотным переменным напряжениям сдвига. Если процесс инкапсуляции выполнен некачественно, и на границе возникает минимальная пластическая деформация или микроскопическое скольжение, то при охлаждении деформация не может полностью восстановиться по прежнему пути, проявляясь как несогласованная механическая деформация.
II. Как Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) решает и подавляет такие ошибки гистерезиса?
Чтобы свести к минимуму гистерезис, вызванный этим «несоответствием», Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) применяет строгую инженерную оптимизацию конструкции датчиков и процессов инкапсуляции:
-
Бесклеевая (Glue-free) и монолитная жесткая инкапсуляция
Адгезив является основной причиной вискоэластичного гистерезиса. В OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor и OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor от Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) используется технология бесшовной металлической стальной трубки без смоляного клея, что обеспечивает чисто механический контакт и беспрепятственную теплопередачу, коренным образом устраняя гистерезисное поведение, вызванное старением и ползучестью клея. -
Конструкция сверхтонкого диаметра для снижения тепловой инерции
Стандартный внешний диаметр датчиков OFSCN® составляет всего 0.9\ \text{mm} и может быть уменьшен до экстремальных 0.5\ \text{mm} по индивидуальному заказу. Чрезвычайно малый физический размер сводит тепловое сопротивление к минимуму, позволяя внутренней части датчика достичь теплового равновесия за миллисекунды, тем самым устраняя несогласованную деформацию, вызванную задержкой теплового потока. -
Высокоточная нелинейная калибровка с аппроксимацией
Заводская калибровка датчика использует строгую формулу биномиальной аппроксимации (единицы калибровочной формулы: ^\circ\text{C/pm}), которая позволяет точно компенсировать нелинейное отклонение теплового расширения между металлической защитной гильзой и оптоволокном в различных температурных диапазонах. При работе с высокоразрешающим OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator обеспечивается превосходная повторяемость системы.
Ниже представлены образцы классических продуктов Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) с использованием бесклеевой технологии стальных труб:
