Zusammenfassung: Warum ist die Wahl des richtigen Materials für unterschiedliche Umgebungen entscheidend für den Erfolg der Sensorik?
Bei der Konstruktion und Anwendung von Glasfaser-Sensoren ist die Wahl der richtigen Materialien für unterschiedliche physikalische Umgebungen entscheidend dafür, ob das Sensorsystem genaue Daten erfassen und langfristig zuverlässig funktionieren kann. Diese Bedeutung lässt sich anhand der folgenden vier physikalischen und technischen Dimensionen zusammenfassen:
1. Umgebungsbeständigkeit und Langzeitstabilität
Der Glasfaserkern aus Quarzglas ist unter mechanischer Belastung oder Umwelteinflüssen extrem empfindlich und benötigt den Schutz von externen Beschichtungen und Verkapselungen. Die bei Standardfasern verwendete Acrylat-Beschichtung (Polyacrylate) zersetzt sich in Umgebungen mit hohen Temperaturen, stark sauren/basischen Bedingungen oder hoher Luftfeuchtigkeit schnell oder verkohlt, wodurch die Faser direkt freigelegt wird und sich Mikrorisse ausbreiten und brechen.
Die Wahl spezieller Materialien für unterschiedliche Umgebungsbeschränkungen ist die Voraussetzung für die physikalische Überlebensfähigkeit von Sensoren:
- Temperaturabgleich:
Die Obergrenze für normale Beschichtungen liegt nur bei etwa 85\ ^\circ\text{C} ; während die OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber mit Polyimidbeschichtung den Toleranzbereich auf -200\ ^\circ\text{C} bis 350\ ^\circ\text{C} erweitern kann; für extrem hohe Temperaturen oder Vakuumumgebungen sind goldbeschichtete Fasern (Gold-coated Fiber) und metallisierte Verkapselungen erforderlich. - Korrosionsbeständigkeit und Permeationsschutz:
Feuchtigkeit, Wasserstoff oder korrosive Medien können zu Wasserstoffverlusten oder chemischer Erosion der Glasfaser führen. Nahtlose Stahlrohre (Seamless Steel Tube) oder Polymerverbundwerkstoffe können das Eindringen von Medien verhindern.
2. Dehnungstransmissionseffizienz und scherfreie Grenzflächenmechanik
Bei Glasfaser-Bragg-Gitter (FBG)-Dehnungssensoren muss die Verformung des zu messenden Objekts ohne Dämpfung über die “Basis – Klebe-/Verkapselungsschicht – Faserbeschichtung – Kern”-Struktur zum Bragg-Gitterbereich übertragen werden:
- Elastizitätsmodul-Abgleich:
Wenn das Verkapselungsmaterial zu weich ist, kommt es zu Dehnungsabsorption und Hysterese; wenn es zu hart ist, reagiert es möglicherweise nicht empfindlich auf kleine Spannungen oder es kommt zu Spannungskonzentrationen. - Kriechen und Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE):
Das Kriechen des Verkapselungsmaterials führt zu einer “Nullpunktverschiebung” des Sensors. Die Materialwahl muss sicherstellen, dass die Scherbeanspruchung an der Grenzfläche bei der Zielarbeitstemperatur (z. B. -20\ ^\circ\text{C} bis 55\ ^\circ\text{C} oder höher) linear und stabil bleibt.
Zum Beispiel verwendet der OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) spezielle Polymere in Verbindung mit einer Verkapselung aus nahtlosen Stahlrohren, was sowohl die mechanische Festigkeit der Struktur gewährleistet als auch eine ausgezeichnete Dehnungstransmissionseffizienz sowie Wasser- und Feuchtigkeitsdichtigkeit erreicht.
3. Wärmeleitungsreaktion und Entkopplung von Kreuzempfindlichkeit
Die Temperaturmessung erfordert, dass die Sensorstruktur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und freie Ausdehnung aufweist, um Temperaturänderungen in der Umgebung präzise zu reflektieren; während die Dehnungsmessung die Einschränkung oder Isolierung von Verformungen in nicht zu messenden Richtungen erfordert:
- Wärmeleitgeschwindigkeit:
Temperatursensoren, die mit nahtlosen Stahlrohren (wie Edelstahl 316L oder Elastomerlegierungen) verkapselt sind, haben eine weitaus höhere Wärmeleitfähigkeit als dicke, nichtmetallische Strukturen, was die Wärmeansprechzeit verkürzt. - Verkapselung für hohe Temperaturgrenzen:
Der OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, der mit nahtlosen Stahlrohren und Femto-Bragg-Gitter-Technologie verkapselt ist, ermöglicht es dem Sensor, im extremen Temperaturbereich ( -270\ ^\circ\text{C} bis 800\ ^\circ\text{C} ) eine stabile Temperatur-Empfindlichkeit beizubehalten.
4. Zusammenfassung
In Glasfaser-Sensorsystemen liefert das Faser-Bragg-Gitter (FBG) selbst nur die Grundlage für die Signalmodulation, während die Materialwahl und die Verkapselungsprozesse die Brücke zwischen dem Sensor und der physikalischen Außenumgebung bilden. Die richtige Materialwahl kann:
- Den Ausfall von Materialien, der durch extreme Umgebungen verursacht wird, verhindern und die langfristige Lebensdauer des Sensors gewährleisten;
- Die getreue Umwandlung von physikalischen Größen (mechanisch, thermisch) in optische Signale sicherstellen;
- Externe Störeinflüsse reduzieren und die Datenqualität des Auslesesystems verbessern.