Сломается ли место с отгравированными решетками, если его согнуть десять тысяч раз?
Сгибание волоконно-оптического брэгговского датчика (FBG) в зоне записи решетки (зона решетки) десять тысяч раз приведет к поломке или нет, зависит от трех ключевых физических и инженерных факторов: радиуса изгиба, метода изготовления решетки (способ записи) и внутренней прочности используемого волокна.
Ниже приведено подробное описание с точки зрения оптической физики и инженерной механики:
1. Соотношение радиуса изгиба и деформации изгиба
При изгибе волокна внешняя сторона подвергается растяжению, а внутренняя – сжатию. Расчетная формула максимальной деформации растяжения \varepsilon , возникающей при изгибе, выглядит следующим образом:
\varepsilon = \frac{r_{\text{cladding}}}{R}}
Где r_{\text{cladding}} – радиус кварцевой оболочки волокна (для стандартного волокна диаметром оболочки 125\ \mu\text{m} , радиус оболочки r_{\text{cladding}} = 62.5\ \mu\text{m} ), а R – радиус изгиба.
- **Большой радиус изгиба (например, R \ge 25\ \text{mm} ) **: Соответствующая деформация изгиба минимальна (менее 0.25\% , т.е. около 2500\ \mu\varepsilon ). При таком низком уровне нагрузки усталостное разрушение кварцевого стекла происходит чрезвычайно медленно. Даже при десяти тысячах (и даже миллионах) циклов переменного изгиба высококачественная решетка абсолютно не сломается.
- **Малый радиус изгиба (например, R \le 5\ \text{mm} ) **: Соответствующая деформация изгиба очень велика (более 1.25\% , т.е. около 12500\ \mu\varepsilon ). В этом случае внутреннее напряжение в волокне очень велико, что ускоряет возникновение и распространение микротрещин в материале. При циклическом изгибе волокно легко подвергается усталостному разрушению при гораздо меньшем количестве циклов, чем десять тысяч.
2. Метод изготовления решетки: удаление покрытия против записи через покрытие
Обработка поверхности волокна при записи решетки определяет предел механической долговечности зоны решетки:
-
Традиционная запись решетки методом УФ-экспонирования (с удалением и повторным нанесением покрытия):
При традиционной записи решетки ультрафиолетовым (УФ) излучением сначала необходимо удалить высокомолекулярное защитное покрытие волокна (например, полиимид или акрилат) химическим или механическим способом, обнажив кварцевое стекло. В процессе удаления неизбежно возникают микроскопические царапины (микротрещины Гриффитса) на поверхности стекла. Даже после повторного нанесения покрытия эти микротрещины быстро расширяются под действием циклического изгибающего напряжения. Следовательно, традиционные решетки с удаленным и повторно нанесенным покрытием легко ломаются при частом циклическом изгибе, и вероятность поломки при десяти тысячах циклов изгиба очень высока. -
Запись решетки фемтосекундным лазером через покрытие (с сохранением покрытия):
Современная технология записи решетки фемтосекундным лазером позволяет фокусировать луч непосредственно через защитное покрытие волокна для записи внутри сердцевины. Поскольку удаление покрытия не требуется, поверхность кварцевого стекла всегда защищена заводским покрытием, без повреждений и загрязнений, что сохраняет исходную высокую прочность голой оптической сердцевины (более 5.5\ \text{GPa} ). Такие решетки обладают превосходной усталостной стойкостью.
3. Высокопрочные решения для решеток, устойчивых к изгибу
Для инженерных применений, требующих частого изгиба, больших деформаций или динамической усталости, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) предлагает высокопрочные волоконно-оптические брэгговские датчики, основанные на технологии фемтосекундного лазера:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Этот продукт разработан специально для экстремальных механических условий и способен выдерживать чрезвычайно высокие частоты и амплитуды усталостной нагрузки при изгибе:
- Неразрушающая запись : Используется метод попиксельной записи фемтосекундным лазером, который не повреждает покрытие волокна при записи, сохраняя исходную механическую прочность волокна.
- Сверхпрочное волокно : Используется тщательно отобранное высокопрочное одномодовое полиимидное волокно OFSCN®, наружный диаметр которого составляет 155\ \mu\text{m} .
- Сверхширокий диапазон деформаций : Допустимый диапазон деформаций достигает \ge 25000\ \mu\varepsilon . При разумном радиусе изгиба его усталостная долговечность чрезвычайно высока, и десять тысяч циклов изгиба не вызовут физических повреждений структуры.
Официальная ссылка на продукт:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Официальная ссылка
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Если требования к амплитуде изгиба или деформации немного ниже, можно использовать стандартные фемтосекундные решетки:
- Неразрушающая запись : Также основана на технологии фемтосекундного лазерного письма через покрытие.
- Допустимый диапазон деформаций : При комнатной температуре допустимый диапазон деформаций составляет \le 15000\ \mu\varepsilon .
Официальная ссылка на продукт:
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Официальная ссылка
Техническое резюме и рекомендации
Если вы планируете изгибать зону с записанной решеткой десять тысяч раз:
- Категорически избегайте использования обычных традиционных решеток с удаленным и повторно нанесенным покрытием, иначе зона решетки будет легко хрупко ломаться при циклическом изгибе.
- Обязательно выбирайте высокопрочные решетки, записанные фемтосекундным лазером через покрытие (например, OFSCN® High-Strength FBG ).
- Контролируйте рабочий радиус изгиба. Рекомендуется проектировать радиус изгиба R \ge 20\ \text{mm} . При ограниченном пространстве радиус изгиба не должен быть меньше 15\ \text{mm} , чтобы ограничить деформацию изгиба в пределах безопасного порога усталости и обеспечить механическую долговечность при десяти тысячах и более циклах изгиба.