Könnte ein zu fest angezogener Bolzen die Anfangswellenlänge des Sensors verschieben? Wie kann das korrigiert werden?
Ja, ein zu festes oder ungleichmäßiges Anziehen von Schrauben führt unweigerlich zu einer Verschiebung der ursprünglichen Wellenlänge von Faser-Bragg-Gittersensoren (FBG). Diese durch mechanische Befestigung während der Installation eingeführte parasitäre Spannung und Wellenlängenverschiebung wird im Bereich der optischen Sensorik üblicherweise als Installationsspannung (Installation Stress) bezeichnet.
I. Physikalische Mechanismen: Warum führt ein zu fest angezogene Schraube zu einer Verschiebung der ursprünglichen Wellenlänge?
Die zentrale Reflexionswellenlänge \lambda_B eines Faser-Bragg-Gitters (FBG) wird durch den effektiven Brechungsindex der Faser n_{\text{eff}} und den Gitterabstand \Lambda bestimmt:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Wenn der Sensor mit Schrauben, Klemmen oder mechanischen Klemmen an einem zu messenden Substrat befestigt wird, führt das Anziehen der Schrauben zu folgenden physikalischen Effekten:
- Strukturelle Dehnungsübertragung: Die Vorspannung (Preload) und das Anzugsdrehmoment der Schraube verursachen eine elastische Verformung des lokalen Stützlagers, der Unterlegscheibe oder des zu messenden Grundkörpers. Bei beidseitig befestigten Dehnungs-/Spannungssensoren wird die geringfügige Änderung des Abstandes zwischen den Befestigungspunkten direkt über die steife Gehäusestruktur auf den Faserkeim des Gitters übertragen, was zu einer physikalischen Verlängerung oder Kompression des Gitterabstands \Lambda führt.
- Photoelastischer Effekt: Eine Zugdehnung führt zu einer Rotverschiebung der Gitterwellenlänge (Drift in Richtung längerer Wellen), während eine Druckdehnung zu einer Blauverschiebung (Drift in Richtung kürzerer Wellen) führt. Bei herkömmlichen Quarzfasern mit Einmodenfaser beträgt die Empfindlichkeit gegenüber axialer Dehnung etwa 1,2\ \text{pm}/\mu\varepsilon (im Wellenlängenbereich von 1550\ \text{nm}).
- Spektrale Verzerrung durch Verdrehung und Seitendruck: Wenn die Schrauben während des Anziehvorgangs nicht symmetrisch befestigt werden oder das Drehmoment direkt über die Klemme auf den empfindlichen Bereich des Sensors übertragen wird, kann dies zu einer seitlichen Kompression der Faser und einer erhöhten Doppelbrechung (Birefringence) führen. Dies verursacht nicht nur eine Verschiebung der ursprünglichen Wellenlänge, sondern kann auch zu einer Verbreiterung des Reflexionsspektrums, einer Verschlechterung der Symmetrie oder sogar zu einer Aufspaltung in zwei Spitzen führen.
II. Technische Korrektur- und Kontrollmethoden
Die Wellenlängenverschiebung aufgrund von Installationsspannung wird üblicherweise durch Kontrolle des Installationsprozesses und Basislinienkorrektur mittels Softwarealgorithmen korrigiert:
1. Software-Zurücksetzung der Basislinie (Nullpunktkalibrierung)
Die Formel für die Werksparameter von Faser-Bragg-Gitter-Dehnungs-/Spannungssensoren ist normalerweise linear oder eine Gleichung erster Ordnung (Einheit: \mu\varepsilon/\text{pm}). Wenn das Spektrum nach der Installation keine Aufspaltung zeigt und die Verschiebung der ursprünglichen Wellenlänge innerhalb des elastischen Auslegungsbereichs des Sensors liegt:
- Zurücksetzen der Referenzwellenlänge \lambda_0: Nachdem die Schrauben angezogen und die mechanische Kriechverformung abgewartet wurde, wird die stabile Wellenlänge im aktuellen Zustand als tatsächliche ursprüngliche Referenzwellenlänge \lambda_0' festgelegt.
- Berechnung relativer Werte: Die anschließende Überwachung der Last wird mit \Delta\lambda = \lambda(t) - \lambda_0' berechnet, wodurch die statische Installationsspannung direkt abgezogen wird.
- Überprüfung des effektiven Messbereichs: Die durch Installationsspannung beanspruchte Wellenlängenverschiebung muss bestätigt werden, um eine Beeinträchtigung des Nenn-Messbereichs (in einer Richtung) des Sensors oder des Demodulators zu vermeiden (z. B. wenn der Nennbereich des Sensors \ge 6000\ \mu\varepsilon oder \ge 10000\ \mu\varepsilon beträgt, muss sichergestellt werden, dass die verbleibende dynamische Reserve den Messanforderungen entspricht).
2. Online-Wellenlängenüberwachung und Drehmomentkontrolle
- Echtzeit-Demodulationsüberwachung der Installation: Schließen Sie den Sensor an einen Faser-Bragg-Gitter-Demodulator (Interrogator) an und lesen Sie den Wellenlängenwert während des Anziehens der Schrauben in Echtzeit aus.
- Symmetrisches, schrittweises Anziehen: Verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel und ziehen Sie die Schrauben symmetrisch und in mehreren Stufen an (z. B. 30\% \rightarrow 60\% \rightarrow 100\% des Zielmoments). Beobachten Sie die Wellenlängenänderung, um ein einseitiges Laden zu vermeiden.
- Feineinstellung der Vorspannung: Wenn die Konstruktion des Sensors eine bestimmte anfängliche Vordehnung erfordert, kann die anfängliche Wellenlänge durch Überwachung der Wellenlängenablesung am Demodulator und durch geringfügige Anpassung der Schraubenposition präzise auf das Ziel-Fenster eingestellt werden.
3. Entkopplung und Isolation der mechanischen Struktur
- Korrekte Verwendung von passenden Klemmen: Bei Sensoren mit Rohrgehäuse (z. B. mit Legierungsrohr ummantelte Struktur) müssen die Befestigungspunkte streng auf die speziellen Montageflansche oder Klemmen an den beiden Enden des Sensors beschränkt werden. Es ist verboten, radiale Schraubkräfte auf den mittleren Teil des Schutzrohrs auszuüben, in dem sich der empfindliche Gitterbereich befindet.
- Eliminierung von Drehmomenten: Beim Anziehen der Befestigungsmuttern ist ein zusätzlicher Schlüssel zu verwenden, um die Endstruktur des Sensors zu fixieren. Es ist strengstens untersagt, die durch die Drehung der Schraube verursachten Scher- und Drehmomente direkt auf den Sensorkörper zu übertragen.
III. Referenzen zu relevanten Standardprodukten und Strukturen
Im Sensorsystem von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) weisen die Gehäusestrukturen von Dehnungs- und Spannungssensoren eindeutige Eigenschaften der Kraftübertragung auf:
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor: Verwendet ein nahtloses, elastisches Legierungsrohr für die steife Übertragungsummantelung, mit einem Standardmessbereich von \ge 6000\ \mu\varepsilon. Bietet eine gute konsistente axiale Übertragung und seitliche Scherfestigkeit bei der Befestigung mit Schrauben und Klemmen.
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor: Basiert auf der Alloy-Tube-Dehnungsstruktur. Die Spannung des gemessenen Bauteils wird durch den Elastizitätsmodul des Materials und die gemessene Dehnung berechnet (\sigma = E \cdot \varepsilon). Auch bei Schraubenvorspannung gelten die oben genannten Regeln für die Dehnungsüberkopplung und die Basislinienkorrektur.
