Является ли это показателем «гибкости» оптоволокна? Лучше ли оптоволокно, чем стальная проволока?
I. Физическое определение “Модуля Юнга” для оптического волокна
Модуль Юнга (Young’s Modulus, обычно обозначаемый как E) — это физическая величина, описывающая способность изотропного линейно-упругого материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия (т. е. жесткость материала, Stiffness). Его физическое определение — отношение нормального напряжения \sigma к нормальной деформации \epsilon в пределах упругой деформации материала:
E = \frac{\sigma}{\epsilon}
- Значение для кварцевого оптического волокна： Модуль Юнга стандартных материалов сердцевины и оболочки из плавленого кварца ( \text{SiO}_2 ) составляет приблизительно E \approx 72\text{ GPa} (Гигапаскаль).
Когда оптическое волокно покрывается полиуретаном, полиимидом (Polyimide) или металлическими материалами, или инкапсулируется в датчик через металлическую трубку/полимер, кажущийся модуль упругости всей структуры изменяется в соответствии с составной площадью поперечного сечения и модулями каждого слоя.
II. Является ли модуль Юнга показателем “упругости”?
В физике и механике материалов “упругость” следует различать и понимать с двух точек зрения: жесткость при сопротивлении деформации и предельный диапазон упругого восстановления:
1. Жесткость при растяжении/сопротивлении деформации (измерение жесткости)
Модуль Юнга измеряет способность материала сопротивляться деформации растяжения при приложении силы. Чем больше модуль, тем “тверже” материал, и тем меньше относительное удлинение (деформация) при той же силе растяжения.
- Кварцевое оптическое волокно： E \approx 72\text{ GPa}
- Обычная стальная проволока： E \approx 200\text{--}210\text{ GPa}
Вывод сравнения： При одинаковом поперечном сечении и одинаковой силе растяжения кварцевое оптическое волокно удлиняется примерно в 3 раза больше, чем стальная проволока. С точки зрения жесткости “сопротивления деформации растяжения”, стальная проволока “тверже” (имеет более высокий модуль), чем оптическое волокно.
2. Предельный диапазон упругой деформации (измерение способности к полному восстановлению деформации)
Если “упругость” означает способность материала полностью восстанавливаться до первоначальной формы без пластической деформации после растяжения, то оптическое волокно ведет себя значительно лучше, чем стальная проволока.
- Высокопрочное кварцевое оптическое волокно： Благодаря чрезвычайно высокой чистоте материала и отсутствию дефектов границ зерен, кварцевое стекло демонстрирует почти идеальную линейно-упругую характеристику (не текучесть до разрушения) при отсутствии поверхностных микротрещин. Высокопрочные оптические волокна с покрытием (например, отфильтрованные оптические волокна с полиимидным покрытием) могут выдерживать упругую деформацию до 1\%\text{--}2.5\% (т. е. 10000\ \mu\epsilon \text{ -- } 25000\ \mu\epsilon ) без остаточной пластической деформации.
- Обычная стальная проволока： Обычно после достижения деформации предела текучести 0.2\%\text{--}0.5\% (т. е. 2000\ \mu\epsilon \text{ -- } 5000\ \mu\epsilon ) она переходит в стадию пластической деформации и не может восстановить первоначальную длину после снятия нагрузки.
Вывод сравнения： Диапазон упругой линейной деформации, восстанавливаемой оптическим волокном, значительно больше, чем у обычной стальной проволоки.
III. Инженерные применения и датчики на основе волоконных решеток (FBG)
В измерениях напряжений и деформаций с помощью волоконных решеток (FBG) модуль упругости материала является ключевым физическим параметром для расчета реального состояния нагрузки.
Согласно Закону Гука (Hooke’s Law), при использовании датчика деформации на основе волоконной решетки для измерения объекта, измеряемая физическая зависимость выглядит следующим образом:
\text{Напряжение в объекте} = \text{Модуль упругости объекта} \times \text{Деформация}
Для инженерных сценариев, требующих точного измерения деформации или напряжения, часто используются защитные оболочки из труб с определенным модулем упругости, например, OFSCN® Fiber Bragg Grating strain sensor и OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor, упакованные в сплавную трубку. Датчик калибруется по соотношению длины волны и деформации (чувствительность к смещению/деформации в единицах \mu\epsilon/\text{pm} ) при производстве. В сочетании с известным модулем упругости материала конструкции можно точно вычислить механическое напряжение, действующее на измеряемый объект.
