Pourquoi l’ Wevelength n’est-elle pas tout à fait alignée lorsqu’on chauffe et refroidit jusqu’au même point ?
En métrologie des capteurs, le phénomène où la longueur d’onde centrale de réflexion (\lambda_B) d’une fibre à réseau de Bragg mesurée à un point de température physique défini lors d’un processus de chauffage (course positive) ne coïncide pas parfaitement avec celle mesurée lors d’un processus de refroidissement (course négative), présentant une légère déviation, est appelé effet d’hystérésis, sa déviation maximale étant l’erreur d’hystérésis.
La longueur d’onde de réflexion d’un réseau de Bragg à fibre (FBG) est déterminée par l’indice de réfraction effectif n_{\text{eff}} et le pas du réseau \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Le corps en verre de silice pure possède une très haute précision de récupération thermoélastique dans sa limite élastique, par conséquent, l’hystérésis intrinsèque du matériau du réseau nu pur est minime. L’hystérésis de longueur d’onde observée lors des tests de chauffage et de refroidissement est principalement causée par les quatre mécanismes physiques et d’encapsulation d’ingénierie suivants :
1. Fluage viscoélastique de la couche de colle d’encapsulation structurelle (cause principale la plus répandue)
Si le capteur utilise des polymères (tels que des colles époxy, du gel de silice, etc.) pour fixer le réseau ou remplir le tube externe lors de sa fabrication :
- Les matériaux polymères présentent une viscoélasticité typique. Pendant le processus de chauffage, le corps de colle se dilate et génère une micro-contrainte ; lors du refroidissement et de la contraction, la récupération des chaînes moléculaires nécessite un temps de relaxation et ne peut pas retrouver instantanément sa forme d’origine.
- La relaxation de contrainte et le micro-fluage de la couche de colle sont transmis à la fibre par des forces de cisaillement interfaciales, entraînant une micro-déformation axiale résiduelle différente supportée par le cœur de la fibre lors du refroidissement par rapport au chauffage, résultant en une longueur d’onde inconsistante au même point de température.
2. Retard de contrainte résiduelle dû au décalage des coefficients de dilatation thermique (CTE)
- Le coefficient de dilatation thermique de la fibre de silice est extrêmement faible (environ 0,5 \times 10^{-6}\ /\text{K} ), tandis que celui du tube de protection métallique externe (comme l’acier inoxydable, environ 16 \times 10^{-6}\ /\text{K} ) est beaucoup plus élevé que celui de la fibre.
- Lors de cycles thermiques sur une large plage de températures, des phénomènes de micro-glissement aux interfaces des matériaux hétérogènes et la désynchronisation de la libération des micro-déformations lors de la contraction et de l’expansion à froid des composants structurels génèrent un comportement d’hystérésis mécanique.
3. “Hystérésis thermique dynamique” due à la constante de temps de transfert de chaleur (facteur de méthode de mesure)
- Il existe une résistance thermique et une capacité thermique entre le manchon de protection du capteur, le milieu de remplissage interne et le cœur de la fibre, constituant une constante de temps de réponse thermique fixe ( \tau ).
- Si la vitesse de chauffage ou de refroidissement est trop rapide, sans laisser suffisamment de temps pour que le cœur du capteur atteigne un état d’équilibre thermique complet :
- Processus de chauffage : La température réelle du cœur est en retard par rapport à la valeur de consigne de l’environnement externe (cœur plus froid, longueur d’onde plus courte) ;
- Processus de refroidissement : Le cœur dissipe la chaleur avec retard par rapport à la valeur de consigne de l’environnement externe (cœur plus chaud, longueur d’onde plus longue).
À ce stade, même si la température affichée par la chambre de contrôle est la même, il existe une légère différence de température réelle à l’intérieur du cœur entre la course positive et la course négative, entraînant une déviation de longueur d’onde.
4. Vieillissement microscopique et réarrangement de la couche de revêtement de la fibre
- Si la couche de revêtement d’acrylate ou similaire d’origine est conservée au point de mesure du réseau de Bragg, lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de transition vitreuse du revêtement ou est soumise à un chauffage prolongé, le matériau de revêtement subit une déformation plastique microscopique et une reconstruction des contraintes résiduelles, entraînant un décalage de micro-longueur d’onde irréversible ou à récupération lente.
Comment réduire ou éliminer l’effet d’hystérésis
- Prolonger suffisamment le temps d’isolement isotherme : Lors de l’étalonnage ou de mesures de précision, chaque point de test doit être maintenu à température constante pendant un temps plusieurs fois supérieur à la constante de temps du capteur (généralement \ge 5\tau ) pour garantir l’élimination de l’hystérésis thermique transitoire.
- Cyclage thermique et recuit complets : Avant utilisation, les capteurs nouvellement fabriqués doivent subir plusieurs cycles thermiques alternés de haute et basse température sur toute la plage de mesure pour libérer les contraintes résiduelles à l’intérieur de la structure encapsulée.
- Utilisation d’une structure d’encapsulation métallique sans soudure à faible fluage : Éviter l’utilisation d’adhésifs polymères sujets au fluage dans la zone de détection de température. Par exemple, le Capteur de Température à Fibre de Bragg OFSCN® 300°C de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd., qui utilise une technologie d’encapsulation mécanique brevetée sans soudure en acier, grâce à une protection par micro-manchon entièrement métallique et une conception de découplage de contrainte purement physique, peut supprimer au maximum l’hystérésis de déformation due à la relaxation viscoélastique de la couche de colle et améliorer la répétabilité des cycles thermiques.
