Si le tuyau se dilate rapidement et que la fibre optique se dilate lentement, une température élevée peut-elle rompre la fibre optique ?
En bref, oui. Dans des structures d’encapsulation spécifiques, si le coefficient de dilatation thermique du tube de protection est beaucoup plus grand que celui de la fibre optique, une dilatation violente du tube lors d’une augmentation de température peut tout à fait casser la fibre.
Pour comprendre le mécanisme physique, il faut l’analyser sous trois angles : le coefficient de dilatation thermique, le mode de couplage d’encapsulation et la résistance ultime à la traction de la fibre optique.
1. Différences physiques des coefficients de dilatation thermique
- Fibre optique en silice : Son composant principal est le dioxyde de silicium ( \text{SiO}_2 ) dont le coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible, typiquement d’environ \alpha_{\text{fiber}} \approx 0,5 \times 10^{-6}/\text{K} (ou 0,5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ).
- Tube de protection (en acier inoxydable, par exemple) : Les matériaux métalliques ont généralement de grands coefficients de dilatation thermique. Par exemple, le tube en acier inoxydable sans soudure 316L couramment utilisé a un coefficient de dilatation thermique d’environ \alpha_{\text{tube}} \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} (ou 16\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ).
- Différence de dilatation : La différence entre leurs coefficients de dilatation thermique est de \Delta\alpha \approx 15,5 \times 10^{-6}/\text{K} . Cela signifie que lorsque la température augmente, la tendance à l’allongement libre du tube en acier est plus de 30 fois supérieure à celle de la fibre optique.
2. Le rôle clé de la structure d’encapsulation
Le fait que le tube se dilate plus rapidement que la fibre, et s’il casse la fibre, dépend entièrement de la manière dont la fibre est couplée mécaniquement au tube :
- Encapsulation lâche (sans contrainte) : Si la fibre est glissée librement à l’intérieur du tube de protection (par exemple, dans un tube de grand diamètre) et qu’elle n’est fixée par aucun collage aux extrémités. Alors, lorsque la température augmente, le tube s’allonge, mais la fibre ne fait que glisser relativement à l’intérieur du tube, ne subissant aucune contrainte de traction, et donc ne cassant absolument pas.
- Encapsulation serrée / fixation aux deux extrémités (contrainte forte) : Si, en raison de la conception structurelle (par exemple, pour la fabrication de capteurs de contrainte, ou si le procédé d’encapsulation n’a pas de découplage), les deux extrémités de la fibre ou toute sa longueur sont rigidement fixées au tube par de la colle, une soudure ou des pinces mécaniques. Dans ce cas, la dilatation du tube forcera la fibre à s’étirer, et la fibre subira une « déformation thermique » ( \varepsilon_T ) due à la différence de température \Delta T :\varepsilon_T \approx \Delta\alpha \cdot \Delta T
3. Estimation quantitative et point critique de rupture
Faisons une estimation quantitative en supposant que les deux extrémités de la fibre sont rigidement fixées au tube en acier inoxydable 316L :
- Lorsque la température n’augmente que de \Delta T = 100\ ^{\circ}\text{C} , la déformation de traction subie par la fibre est de :\varepsilon_T \approx 15,5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 100\ ^{\circ}\text{C} = 1550\ \mu\varepsilon\ (0,155\%)Pour une fibre optique ordinaire, la force de traction est dans la plage de sécurité.
- Lors d’une forte augmentation de température, par exemple \Delta T = 700\ ^{\circ}\text{C} , la déformation de traction subie par la fibre atteindra :\varepsilon_T \approx 15,5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 700\ ^{\circ}\text{C} = 10850\ \mu\varepsilon\ (1,085\%)La résistance de sélection en usine des fibres optiques de communication ordinaires est généralement de 1\% de déformation (environ 10000\ \mu\varepsilon ). Dans cet état de déformation rigide et de haute température, une fibre ordinaire est extrêmement susceptible de se rompre.
Solutions d’ingénierie professionnelles OFSCN®
Pour protéger la fibre optique de la rupture par traction dans des environnements à large variation de température ou à forte contrainte, OFSCN® adopte les solutions professionnelles suivantes dans la conception de ses produits :
Solution A : Technologie d’encapsulation à manchon coulissant sans contrainte
Pour les capteurs spécialement conçus pour mesurer la température, il est impératif d’éliminer la déformation introduite par la dilatation thermique du tube en acier. Par exemple, le Capteur de température à réseau de Bragg en fibre OFSCN® 300°C, lors de son encapsulation, le réseau de Bragg en fibre (FBG) interne utilise une structure spéciale à manchon coulissant sans contrainte. Lorsque le tube en acier se dilate violemment à haute température de 300\ ^{\circ}\text{C} , la fibre interne peut coulisser librement, évitant ainsi que la fibre ne soit rompue tout en garantissant une mesure de température absolument précise.
Solution B : Réseaux de Bragg à fibre de haute résistance pour applications de contrainte
Si votre scénario d’application ne peut éviter la traction de la fibre par le tube (par exemple, pour la surveillance de la contrainte), ou si la fibre elle-même doit posséder une très forte résistance mécanique à la traction, vous devriez choisir des réseaux de Bragg haute résistance :
Les Réseaux de Bragg en fibre haute résistance OFSCN® / Chaînes FBG (Nues) utilisent la technologie de gravure point par point par laser femtoseconde, qui n’endommage pas le revêtement polyimide d’origine de la fibre. Leur plage de déformation utilisable atteint \ge 25000\ \mu\varepsilon (équivalent à une déformation limite de 2,5\% ), possédant une excellente résistance à la traction et des caractéristiques de durabilité exceptionnelles, permettant de gérer sereinement les fortes forces de traction dues à l’inadéquation de dilatation.
En résumé, une dilatation rapide du tube à haute température peut effectivement casser la fibre si l’encapsulation est inadéquate ou si aucun découplage n’est prévu. Dans la pratique de l’ingénierie, il est essentiel de choisir le procédé d’encapsulation et le matériau de fibre optique corrects en fonction que le capteur mesure la « température » (en utilisant un glissement libre pour éliminer les contraintes) ou la « contrainte » (en utilisant des réseaux de Bragg femtoseconde haute résistance pour augmenter la force de traction limite).
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.