Verändert sich seine Wellenlänge langsam und irreversibel, wenn man das Gitter lange zieht?
Ob die reflektierte zentrale Wellenlänge eines über einen langen Zeitraum unter Zug stehenden Faser-Bragg-Gitters (FBG) einer irreversiblen zeitlichen Änderung (d. h. „Kriechen“, Creep) unterliegt, muss unter Berücksichtigung von zwei Situationen unterschieden werden: die Quarzfaser selbst und der tatsächlich verkapselte Gitter-Sensor.
I. Die reine Quarzfaser selbst: Nahezu kein Kriechen
Für eine reine, unverkleidete Quarzfaser (Siliziumdioxid) ohne jegliche äußere Beschichtung oder Verkapselung:
- Mechanische Eigenschaften: Siliziumdioxid ist ein amorphes, nichtkristallines Material mit einer extrem hohen Glasübergangstemperatur ( T_g \approx 1200\ ^\circ\text{C} ). Bei Raumtemperatur verhält sich Quarz wie ein nahezu perfekter sprödelelasticer Körper.
- Verhalten unter Zug: Wenn eine konstante Zugkraft, die unterhalb seiner Bruchgrenze liegt (typischerweise kann eine nackte Faser hohen axialen Zugkräften standhalten), aufgebracht wird, erfährt sie bei Raumtemperatur praktisch keine beobachtbare plastische Verformung.
- Physikalischer Schlussfolgerung: Unter konstanten Zugkräften und konstanter Temperatur unterliegt die zentrale Wellenlänge des reinen, nackten Faser-Bragg-Gitters bei Langzeitbelastung mit Zug bei Raumtemperatur keiner irreversiblen Verschiebung aufgrund des plastischen Fließens des Quarzmaterials selbst.
II. Tatsächliche Sensoren / Gitter mit Beschichtung: Irreversible Änderungen (Kriechdrift) treten auf
In technischen Anwendungen verwenden wir oft Gitter mit Beschichtungen oder verkapselte Gittersensoren. In diesen Strukturen führt eine langfristige Zugbelastung tatsächlich zu einer irreversiblen Verschiebung oder Rückbildung der reflektierten Wellenlänge. Dieses Kriechen resultiert hauptsächlich aus der mechanischen Relaxation an mehreren Grenzflächen:
- Scherkriechen der Faserbeschichtung (Coating):
Die polymeren Beschichtungen (z. B. Acrylat oder Polyimid) auf der Außenseite der Faser sind viskoelastisch. Unter langfristiger konstanter Spannung bewegen sich die Polymer-Molekülketten in der Beschichtung langsam und verursachen Scherverformungen. Dies führt zu einem mikroskopischen relativen Gleiten zwischen dem Quarzglas-Substrat und der äußeren Schutzschicht, wodurch die auf den Gitterabschnitt übertragene effektive Verformung reduziert wird. Dies äußert sich als eine irreversible „Rückbildung“ (d. h. Blauverschiebung) der reflektierten Wellenlänge.
- Spannungsrelaxation von Klebstoffen/Dichtmitteln (Adhesives):
Bei den meisten Oberflächenmontage- oder röhrenförmigen Gittersensoren werden Klebstoffe wie Epoxidharz (Epoxy) verwendet, um den Gitterabschnitt an einem Metallsubstrat aus Edelstahl, Aluminium oder in einem Schutzrohr zu befestigen. Polymere Klebstoffe sind unter anhaltender Spannung sehr anfällig für viskoelastisches Fließen und Alterung. Mit der Zeit entspannt sich die Klebstoffschicht und kann die gesamte Zugkraft nicht mehr effektiv auf das Gitter übertragen, was zu einer kleineren gemessenen Dehnung führt. Dies ist die Hauptursache für die irreversible Nullpunktverschiebung des Sensors.
- Plastische Verformung des Verkapselungsbasismaterials:
Wenn der Sensor langfristig nahe seiner elastischen Grenze (z. B. bei sehr hohen Dehnungen von mehreren Tausend oder sogar Zehntausend \mu\epsilon ) oder in einer Hochtemperaturumgebung arbeitet, kann auch die Metallhülle, die Grundplatte oder das Elastomer selbst eine geringfügige plastische Kriechverformung erfahren.
III. Wie kann die Kriechdrift unter langfristiger Zugbelastung unterdrückt werden?
Um hohe Genauigkeit und Stabilität bei Langzeitdehnungsmessungen zu gewährleisten, werden bei fortschrittlichen Gittersensorverkapselungsprozessen folgende Maßnahmen zur Unterdrückung von Kriechen ergriffen:
- Verwendung von klebstofffreier (Adhesive-free) Verkapselung:
Zum Beispiel werden metallisierte Fasern verwendet, um den Gitterabschnitt direkt mit einer Metallhülle durch Schweißen oder Löten zu verbinden, oder durch präzise mechanische Klemmung, wodurch die mechanische Entspannung von Polymerklebstoffen von Grund auf vermieden wird.
- Auswahl von hoch elastischen Legierungsmaterialien mit geringer Spannungsrelaxation:
Spezielle elastische Legierungsrohre werden als mechanisches Übertragungsmedium verwendet, um eine ausgezeichnete elastische Rückstellung bei großen Verformungen und langfristiger Spannung zu gewährleisten.
- Glühbehandlung und Vorzugsspannungszyklenbehandlung:
Vor dem Verlassen des Werks werden durch Hochtemperatur-Glühen und Wechselspannungszyklen bei hoher Dehnung die Restspannungen innerhalb der Verkapselungsstruktur und der Beschichtung vorab abgebaut, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Systems in eine stabile Phase eintreten.
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