Une seconde ou des microsecondes sont-elles nécessaires pour qu’un réseau de rétine perçoive un changement de température ?
La réponse des réseaux de fibres optiques (FBG) aux variations de température n’est pas uniforme. Nous devons la diviser en le temps de réponse thermique intrinsèque du réseau de fibres optiques nu et le temps de réponse thermique du capteur de température encapsulé en ingénierie.
Globalement : Le temps de réponse du réseau nu lui-même est de l’ordre de la milliseconde (ms), et peut s’approcher de la microseconde (\mu\text{s}) dans un milieu de transfert de chaleur idéal spécifique ; tandis que le temps de réponse du capteur de température à réseau encapsulé est généralement de plusieurs centaines de millisecondes à plusieurs secondes (s).
Voici une analyse détaillée des mécanismes physiques et de la thermique :
I. Temps de réponse thermique intrinsèque du réseau nu (niveau milliseconde)
Le réseau de fibres optiques nu est fabriqué en dioxyde de silicium (verre de quartz), avec une modulation périodique de l’indice de réfraction gravée dans son cœur. Le diamètre extérieur de la fibre nue standard à mode unique n’est que d’environ 125\ \mu\text{m} (généralement 155\ \mu\text{m} avec des revêtements en polyimide, etc.).
Selon la méthode des paramètres concentrés pour la conduction thermique, la constante de temps thermique de la fibre (c’est-à-dire le temps nécessaire pour que le changement de température atteigne 63,2 % de la différence de température extérieure) est donnée par la formule :
\tau = \frac{\rho \cdot V \cdot c}{h \cdot A}
Étant donné que la fibre est de structure cylindrique, le rapport de son volume à sa surface est :
\frac{V}{A} = \frac{d}{4}
En substituant, on obtient :
\tau = \frac{\rho \cdot c \cdot d}{4h}
Où :
- \rho est la densité du verre de quartz (environ 2,2 \times 10^3\ \text{kg/m}^3) ;
- c est la capacité thermique spécifique du quartz (environ 700\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)}) ;
- d est le diamètre extérieur de la fibre (en prenant 155\ \mu\text{m} comme exemple, soit 1,55 \times 10^{-4}\ \text{m}) ;
- h est le coefficient de transfert de chaleur par convection entre la surface de la fibre et le milieu extérieur.
Comme le diamètre de la fibre d est extrêmement petit, sa propre capacité thermique (\rho \cdot V \cdot c) est très faible. Dans un milieu avec une bonne conduction thermique (par exemple, un liquide à haut débit dont le coefficient de transfert de chaleur par convection h est très grand) :
- La constante de temps thermique \tau du réseau nu n’est généralement que de quelques millisecondes à une dizaine de millisecondes.
- Dans des environnements extrêmes de choc d’onde ou de chauffage laser instantané, où la chaleur est conduite à travers le milieu de verre très fin jusqu’au cœur de la fibre, le temps de réponse peut même s’approcher de quelques centaines de microsecondes (\mu\text{s}).
- Cependant, dans l’air, en raison du très faible coefficient de transfert de chaleur par convection h de l’air, même pour un réseau nu, son temps de réponse thermique sera prolongé à plusieurs centaines de millisecondes, voire plus d’une seconde.
II. Impact de l’encapsulation sur le temps de réponse thermique (plusieurs centaines de millisecondes à plusieurs secondes)
Dans les applications industrielles et d’ingénierie, les réseaux nus sont trop fragiles pour être utilisés directement. Afin de protéger la fibre contre la rupture, l’humidité ou la corrosion, elle doit être encapsulée dans un boîtier.
Une fois la couche d’encapsulation introduite, elle entraîne une résistance thermique supplémentaire (qui entrave la conduction de la chaleur vers l’intérieur) et une capacité thermique (retard de température dû à l’absorption de chaleur par le tube métallique, le matériau de remplissage et la colle). Par conséquent, le temps de réponse des capteurs de température à réseau encapsulés devient généralement plus lent :
- Impact du milieu : lors de mesures dans l’eau, le temps de réponse du capteur est généralement de l’ordre de quelques centaines de millisecondes ; lors de mesures dans l’air immobile, il peut falloir plusieurs secondes à une dizaine de secondes pour atteindre l’équilibre thermique.
- Impact de la taille : plus le diamètre extérieur du capteur est important, plus le décalage thermique est sévère.
III. Produits de mesure de température rapide OFSCN® associés
Afin de fournir une protection mécanique tout en préservant au maximum les caractéristiques de réponse thermique rapide des réseaux de fibres optiques, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) a lancé les produits suivants en réduisant la taille de l’encapsulation et en optimisant la conception de la conduction thermique :
1. Vitesse de réponse ultime (chaînes de réseaux nus)
Si votre environnement expérimental ou de test permet un collage direct ou une encapsulation sans tube et que vous recherchez une vitesse de réponse ultime de l’ordre de la milliseconde, vous pouvez choisir des réseaux nus :
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Caractéristiques techniques : utilise la technologie d’écriture point par point par laser femtoseconde, sans décaper le revêtement de la fibre, conservant une résistance mécanique extrêmement élevée, avec un diamètre extérieur de seulement 155\ \mu\text{m}. La plage de température de fonctionnement est large, de -200^\circ\text{C} à 300^\circ\text{C}, offrant une constante de temps thermique très courte (niveau milliseconde).
2. Capteurs encapsulés à réponse rapide (diamètre extérieur ultra-fin)
Dans les scénarios de mesure de température nécessitant une protection blindée en acier inoxydable, afin de limiter le temps de réponse à quelques centaines de millisecondes, il est recommandé d’utiliser des capteurs de température encapsulés dans des tubes en acier sans soudure de diamètre extérieur ultra-fin :
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Caractéristiques techniques : par défaut, utilise un tube en acier sans soudure monocouche, avec un diamètre extérieur par défaut de 0,9\ \text{mm}, personnalisable jusqu’à un diamètre extérieur minimum de 0,5\ \text{mm} comme limite. Le diamètre extérieur extrêmement fin minimise la résistance thermique et la capacité thermique du capteur, lui conférant une excellente capacité de suivi de température transitoire dans les liquides, avec un temps de réponse de seulement quelques centaines de millisecondes.
- Température d’utilisation : -200^\circ\text{C} à 300^\circ\text{C}.
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Caractéristiques techniques : diamètre extérieur conventionnel de 0,9\ \text{mm}, personnalisable à un diamètre extérieur minimum de 0,6\ \text{mm}, offrant également une excellente vitesse de réponse.
Conclusion
La réponse des réseaux aux changements de température est de l’ordre de la milliseconde à l’état de fibre nue ; dans des expériences de recherche extrêmes telles que le chauffage transitoire laser à l’échelle micrométrique et nanoseconde, elle peut atteindre le niveau de la microseconde. Dans le cas d’une encapsulation industrielle en acier inoxydable, le temps de réponse est généralement de plusieurs centaines de millisecondes à plusieurs secondes. Pour obtenir la réponse de mesure de température la plus rapide, il convient de choisir autant que possible des capteurs de diamètre extérieur plus fin (tels que la version personnalisée de 0,5\ \text{mm} d’OFSCN®) et d’améliorer l’efficacité du transfert de chaleur entre le capteur et le milieu mesuré.