Если трубка расширяется быстрее, а оптоволокно медленнее, оборвет ли оптоволокно при повышении температуры?
Кратко говоря, да. В определенных конструкциях инкапсуляции, если коэффициент теплового расширения защитной трубки значительно превышает коэффициент расширения оптического волокна, при повышении температуры сильное расширение трубки может привести к разрыву волокна.
Чтобы понять лежащий в основе физический механизм, необходимо проанализировать его с точки зрения коэффициента теплового расширения, способа механического соединения и предельной прочности оптического волокна на растяжение.
1. Физические различия коэффициентов теплового расширения
- Кварцевое оптическое волокно: Его основной компонент — диоксид кремния ( \text{SiO}_2 ), обладающий чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения, типичное значение которого составляет примерно \alpha_{\text{fiber}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /\text{K} (или 0.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ).
- Защитная трубка (например, из нержавеющей стали): Металлические материалы обычно имеют высокие коэффициенты теплового расширения. Например, у обычных бесшовных труб из нержавеющей стали марки 316L коэффициент теплового расширения составляет примерно \alpha_{\text{tube}} \approx 16 \times 10^{-6}\ /\text{K} (или 16\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} ).
- Разница в расширении: Разница коэффициентов теплового расширения между ними составляет \Delta\alpha \approx 15.5 \times 10^{-6}\ /\text{K} . Это означает, что при повышении температуры тенденция к свободному удлинению стальной трубки более чем в 30 раз превышает тенденцию удлинения оптического волокна.
2. Ключевая роль конструкции инкапсуляции
Независимо от того, будет ли трубка расширяться быстрее волокна и разрывать его, полностью зависит от способа механического соединения между оптическим волокном и трубкой:
- Свободная инкапсуляция (без ограничений): Если оптическое волокно свободно проходит внутри защитной трубки (например, вставлено в трубку большего диаметра) и не закреплено склеиванием на обоих концах. Тогда при повышении температуры, хотя трубка и удлиняется, волокно лишь скользит внутри трубки и не испытывает растягивающего напряжения, поэтому никогда не порвется.
- Плотная/жестко закрепленная на концах инкапсуляция (сильное ограничение): Если в силу конструкции (например, при изготовлении датчика деформации или при отсутствии развязки в процессе инкапсуляции) концы оптического волокна или все волокно жестко закреплены на трубке клеем, сваркой или механическими зажимами. В этом случае расширение трубки будет принудительно растягивать оптическое волокно, и волокно будет испытывать «термическую деформацию» ( \varepsilon_T ), вызванную разницей температур \Delta T :\varepsilon_T \approx \Delta\alpha \cdot \Delta T
3. Количественная оценка и критическая точка разрыва
Проведем количественную оценку, предполагая, что оба конца оптического волокна жестко закреплены на трубке из нержавеющей стали 316L:
- Когда температура повышается всего на \Delta T = 100\ ^{\circ}\text{C} , деформация растяжения, испытываемая оптическим волокном, составляет:\varepsilon_T \approx 15.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 100\ ^{\circ}\text{C} = 1550\ \mu\varepsilon\ (0.155\%)Для обычного оптического волокна это растягивающее усилие находится в пределах безопасной зоны.
- При значительном повышении температуры, например, на \Delta T = 700\ ^{\circ}\text{C} , деформация растяжения, испытываемая оптическим волокном, достигнет:\varepsilon_T \approx 15.5\ \mu\varepsilon/^{\circ}\text{C} \times 700\ ^{\circ}\text{C} = 10850\ \mu\varepsilon\ (1.085\%)Предельная деформация при заводской проверке обычных телекоммуникационных оптических волокон обычно составляет 1\% (около 10000\ \mu\varepsilon ). В таких условиях жесткой фиксации, высокой температуры и большой деформации обычные оптические волокна очень легко разрываются.
Профессиональные инженерные решения от Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Для защиты оптического волокна от разрыва в условиях значительных перепадов температур или больших деформаций, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) применяет следующие профессиональные решения в дизайне продукции:
Решение A: Технология скользящей муфты для инкапсуляции с нулевым напряжением
Для датчиков, специально предназначенных для измерения температуры, необходимо устранить деформацию, вызванную тепловым расширением стальной защитной трубки. Например, в OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor при инкапсуляции внутренний оптический датчик Брэгга (FBG) использует специальную конструкцию скользящей муфты без напряжения. Когда стальная трубка сильно расширяется при высокой температуре до 300\ ^{\circ}\text{C} , внутреннее оптическое волокно может свободно скользить, что не только предотвращает разрыв волокна, но и обеспечивает абсолютную точность измерения температуры.
Решение B: Высокопрочные специализированные фемтосекундные решетки для датчиков деформации
Если в вашем приложении невозможно избежать растяжения оптического волокна трубкой (например, при мониторинге деформации) или требуется, чтобы само оптическое волокно обладало чрезвычайно высокой прочностью на растяжение, следует выбирать высокопрочные решетки:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) используют технологию фемтосекундной лазерной записи точек, которая не повреждает исходное полиимидное покрытие оптического волокна. Диапазон допустимых деформаций достигает \ge 25000\ \mu\varepsilon (что эквивалентно предельной деформации в 2.5\% ), обладая отличной прочностью на растяжение и усталостной стойкостью, что позволяет легко справляться с большими растягивающими усилиями, вызванными несоответствием расширения.
Таким образом, при неправильной инкапсуляции или отсутствии развязки, быстрое расширение трубки при высоких температурах действительно может разорвать оптическое волокно. На практике выбор правильного процесса инкапсуляции и материала оптического волокна зависит от того, измеряет датчик «температуру» (используется свободное скользящее соединение для снятия напряжения) или «деформацию» (используются высокопрочные фемтосекундные решетки для повышения предельной прочности на растяжение).