もしチューブの膨張が速く、光ファイバーの膨張が遅い場合、温度が上昇すると光ファイバーが破断しますか？
端的に言えば、はい。特定のカプセル化構造の下で、保護管の熱膨張係数が光ファイバーよりもはるかに大きい場合、温度が上昇すると、管の激しい膨張が光ファイバーを引きちぎる可能性があります。
この物理的メカニズムを理解するには、熱膨張係数、カプセル化の結合方法、および光ファイバーの限界引張強度という3つの側面から分析する必要があります。
1. 熱膨張係数の物理的差異
- 石英光ファイバー：主成分は二酸化ケイ素（ \text{SiO}_2 ）であり、熱膨張係数が非常に低く、代表値は約 \alpha_{\text{fiber}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /\text{K} （または 0.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ）です。
- 保護管（ステンレス鋼管を例とする）：金属材料の熱膨張係数は一般に大きいです。例えば、一般的に使用される316Lステンレス鋼シームレス鋼管の熱膨張係数は約 \alpha_{\text{tube}} \approx 16 \times 10^{-6}\ /\text{K} （または 16\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ）です。
- 膨張差：両者の熱膨張係数の差 \Delta\alpha \approx 15.5 \times 10^{-6}\ /\text{K} 。これは、温度が上昇すると、鋼管の自由な伸長傾向が光ファイバーの30倍以上であることを意味します。
2. カプセル化構造の重要な役割
管が光ファイバーよりも速く膨張した場合に光ファイバーを引きちぎるかどうかは、光ファイバーと管との間の機械的結合方法に完全に依存します。
- ルーズチューブカプセル化（制約なし）：光ファイバーが保護管内に緩く通されており（例えば、直径の大きい管に通されている）、両端が接着固定されていない場合。温度が上昇すると、管は伸長しますが、光ファイバーは管内部で相対的に滑るだけで、引張応力を受けないため、絶対に引きちぎられません。
- タイトバッファ/両端固定カプセル化（強い制約）：構造設計（例えば、ひずみセンサーの製造、またはカプセル化プロセスでデカップリング処理が施されていない）により、光ファイバーの両端または全長が接着剤、溶接、または機械的クランプによって管に剛性固定されている場合。この場合、管の膨張は光ファイバーを強制的に引きずり、光ファイバーは温度差 \Delta T によって引き起こされる「熱ひずみ」（ \varepsilon_T ）を受けます。\varepsilon_T \approx \Delta\alpha \cdot \Delta T
3. 数学的定量推定と破断臨界点
剛性固定された光ファイバーと316Lステンレス鋼管を想定して、定量的な推定を行いましょう。
- 温度がわずか \Delta T = 100\ ^{\circ}\text{C} 上昇した場合、光ファイバーにかかる引張ひずみは次のようになります。\varepsilon_T \approx 15.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 100\ ^{\circ}\text{C} = 1550\ \mu\varepsilon\ (0.155\%)これは通常の光ファイバーにとっては、引張力は安全範囲内です。
- 温度が大幅に上昇し、例えば \Delta T = 700\ ^{\circ}\text{C} に達した場合、光ファイバーにかかる引張ひずみは次のようになります。\varepsilon_T \approx 15.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 700\ ^{\circ}\text{C} = 10850\ \mu\varepsilon\ (1.085\%)通常の通信光ファイバーの工場出荷時の選択強度（スクリーニング強度）は通常 1\% のひずみ（約 10000\ \mu\varepsilon ）です。このような剛性固定、高温、大ひずみの状態では、通常の光ファイバーは容易に破断します。
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) による専門的なエンジニアリングソリューション
広範囲の温度変化または大きなひずみ環境下で光ファイバーが引きちぎられるのを防ぐために、Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) は製品設計において以下の専門的なソリューションを採用しています。
ソリューションA：スライドスリーブゼロひずみカプセル化技術
特に温度測定用のセンサーの場合、保護鋼管の熱膨張によるひずみを排除する必要があります。例えば、OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor のカプセル化では、内部の光ファイバーグレー