Warum sind die von Ihnen verwendeten ummantelten Stahlrohre so dünn wie Haarsträhnen? Welche technischen Schwierigkeiten birgt das?
大成永盛（OFSCN®）setzt bei seinen Faser-Bragg-Gitter（FBG）-Sensoren und verteilten Glasfasersensoren auf extrem feine, nahtlos gefertigte Stahlröhrchen. Diese werden im Bereich der optischen Technik und der Präzisionsfertigung üblicherweise als Mikro- nahtlose Stahlröhrchen (oder Metallkapillaren) bezeichnet. Diese Stahlröhrchen haben typischerweise Außendurchmesser zwischen 0,5\text{ mm} und 1,1\text{ mm} (zum Vergleich: der Durchmesser eines menschlichen Haares liegt bei etwa 0,08\text{ mm} bis 0,12\text{ mm} ), während ihr inneres Quarzfaserkern einen Außendurchmesser von nur 125\ \mu\text{m} （ 0,125\text{ mm} ） aufweist.
Die Miniaturisierung der Einhausungsgröße ist sowohl eine physikalische Notwendigkeit für hochpräzise optische Sensorik als auch mit äußerst schwierigen technologischen Herausforderungen in der Fertigung verbunden.
I. Warum Kapillaren von der Dicke eines Haarsträhnen verwenden?
Bei der Glasfaser-Sensorik（insbesondere bei der Messung von Temperatur und Dehnung） bestimmen die physikalischen Abmessungen der Einhausungsröhre direkt die Kernleistung des Sensors:
- Extrem schnelle thermische Reaktionszeit（geringer thermischer Widerstand und geringe Wärmekapazität）
Die Reaktionszeit \tau eines Temperatursensors ist proportional zum Quadrat des Rohrdurchmessers der Einhausungsstruktur（ \tau \propto D^2 ）. Je dünner das Stahlröhrchen, desto geringer ist die Masse des eingeschlossenen Mediums und des Röhrchens selbst（sehr geringe Wärmekapazität）, und desto geringer ist der thermische Widerstand für die Wärmeübertragung von der Umgebungstemperatur zum Faserkern. Eine Mikrokapillareneinhausung ermöglicht es Sensoren, auf Temperaturen im Millisekundenbereich（ms） zu reagieren, was die Messung transienter Temperaturfelder ermöglicht. - Hochgetreue Dehnungsübertragungseffizienz（Reduzierung der Scherhysterese）
Bei der Messung von Dehnungen in einem Grundmaterial muss die äußere Spannung durch folgende Wege übertragen werden: „Zu messendes Grundmaterial \rightarrow Klebeschicht \rightarrow Einhausungsstahlröhrchen \rightarrow internes Verankerungsmedium \rightarrow Glasfaser“. Je dicker das Stahlröhrchen ist, desto stärker ist die „Scherhysterese“-Effekt der Zwischenschichten, was zu Verzögerungen oder Verzerrungen der gemessenen Dehnung führt. Die Verwendung extrem dünner Stahlkapillaren ermöglicht es, die Glasfaser so nah wie möglich am zu messenden Grundmaterial zu positionieren, um eine hochgetreue Dehnungsübertragung zu gewährleisten. - Berührungslose, ortsfeste Einbettung（geringste Invasivität）
Miniaturisierte Sensoren sind extrem klein und leicht, sodass sie berührungslos direkt auf präzisionsgefertigte Strukturen（wie Motorwicklungen, CFK-Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, feine Rohrleitungen oder sogar medizinische Geräte） aufgeklebt oder ortsfest eingebettet werden können, ohne die mechanischen Eigenschaften und Spannungsverteilungen des zu messenden Grundkörpers zu beeinträchtigen. - Hervorragende Flexibilität und Biegeradius
Obwohl es sich um Metall handelt, zeigen nahtlose Stahlröhrchen mit Durchmessern unter 1,0\text{ mm} eine ausgezeichnete Flexibilität. Dies ermöglicht eine Verlegung mit einem relativ kleinen Biegeradius, während gleichzeitig die Schutzfunktion des Metallmaterials für die Glasfaser gegen Nagetiere, seitlichen Druck und Feuchtigkeit erhalten bleibt.
II. Welche bedeutenden technischen Schwierigkeiten sind damit verbunden?
Das Einschließen von Quarzglasfasern in extrem dünne Metallkapillaren und die Sicherstellung ihrer stabilen Funktion unter extremen Bedingungen ist eine typische interdisziplinäre Herausforderung der Mikro- und Nanofabrikation:
- Präzisions-„Faserzuführungs“-Prozess mit hohem Seitenverhältnis
Das berührungslose Einführen einer 0,125\text{ mm} dicken Quarzfaser in ein Metallkapillarröhrchen mit einem Innendurchmesser von nur etwa 0,3\text{ mm} und einer Länge von mehreren Metern oder sogar Dutzenden von Metern ist eine typische Mikromontage mit hohem Seitenverhältnis. Die Glasfaser kann während des Einführens leicht durch Reibung oder lokale Mikrobögen brechen oder die Schutzbeschichtung（wie Polyimid） auf der Faseroberfläche zerkratzen, was zu Mikrobogenverlusten oder langfristiger mechanischer Ermüdung der Faser führt. - Kontrolle von Material-Wärme-Fehlpaarung und Restspannung
Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von rostfreiem Stahl（wie 304, 316L） （ \alpha \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} ） unterscheidet sich um das Dutzendfache von dem von Quarzglasfasern（ \alpha \approx 0,5 \times 10^{-6}/\text{K} ）. Wenn der Sensor über einen breiten Temperaturbereich（wie einige Hochtemperatursensoren von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd., die bei -270^\circ\text{C} bis 800^\circ\text{C} arbeiten） zyklisch belastet wird, kann die große Wärme-Fehlpaarung zu erheblichen axialen Restspannungen im extrem kleinen Kapillarraum führen. Wenn dies nicht richtig kontrolliert wird, kann die Faser beim Abkühlen eine starke Mikrobogenbildung mit hohen Verlusten verursachen oder sogar bei hohen Temperaturen brechen. - Kleberfreie Verankerung bei hohen Temperaturen und eutektische Schweißtechnologie
Herkömmliche Klebstoffe altern, verkohlen und kriechen bei hohen Temperaturen（typischerweise über 200^\circ\text{C} ）, was zum Ausfall des Sensors führt. Für hochwertige oder Hochtemperatursensoren ist eine kleberfreie Einhausung erforderlich. Dies erfordert eine spezielle metallische Behandlung der Glasfaser（wie lokale Vergoldung/Verkupferung） im extrem engen Kapillarraum und den Einsatz von präzisen Mikroeutektik-Schweißtechniken, um eine starre Verbindung zwischen der Glasfaser und der Metallwand im Mikrometerbereich herzustellen. Dies erfordert extrem hohe Anforderungen an die Kontrolle der Schweißtemperatur, der Schweißzeit und des Flusses des Lotes, mit einem sehr engen Prozessfenster.
III. Beispiele für Mikro-Einhausungssensoren von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.（OFSCN®）
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. hat mithilfe der oben genannten Mikrokapillaren-Einhausungstechnologie erfolgreich mehrere Hochleistungssensoren mit extrem kleinen Außendurchmessern entwickelt und produziert. Diese sind mit standardisierten Produktspezifikationen ausgestattet:
- OFSCN® 85°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
Dieser Sensor ist mit einer einlagigen, elastischen Legierungsröhre eingekapselt und hat einen **Außendurchmesser von nur 0,6\text{ mm} **. Er wird hauptsächlich für die hochpräzise Messung von Dehnungen/Spannungen mit hoher räumlicher Auflösung mittels miniaturisierter verteilter Messung（OFDR） eingesetzt.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Basiert auf einlagiger oder mehrlagiger, verschachtelter nahtloser Stahlrohr-Einhausungstechnologie. Der Standardaußendurchmesser beträgt nicht mehr als 1,1\text{ mm} , und der minimale Außendurchmesser ist auf 0,5\text{ mm} reduzierbar . Er bietet eine extrem schnelle Temperaturreaktion in extremen Temperaturbereichen von -270^\circ\text{C} bis 800^\circ\text{C} .
