Lassen sich Stahlrohr und Glasfaser zehn Jahre später noch gut verbinden, ohne dass Messungen dadurch ungenau werden?
Dies ist eine sehr klassische und in der Ingenieurwissenschaft stark beachtete Frage der Sensorik, Physik und Materialwissenschaft.
Kurze direkte Antwort: Wenn man nur einfache, traditionelle organische Klebstoffe (wie Epoxidharzkleber, UV-härtende Klebstoffe usw.) verwendet, um eine freiliegende Glasfaser mit einem Edelstahlrohr zu verkleben, wird sie nach zehn Jahren (oder sogar nach wenigen Jahren, Monaten, abhängig von Umgebungsfeuchtigkeit und dynamischer Belastung) des Langzeitbetriebs aufgrund der physikalischen Degradation des Klebstoffs fast zwangsläufig locker, löst sich ab oder kriecht, was zu einer erheblichen Messabweichung führt.
Diese „langfristige Instabilität“ wird durch die physikalischen Eigenschaften organischer Polymerklebstoffe bestimmt, deren spezifische mechanische und materialwissenschaftliche Ursachen wie folgt sind:
1. Physikalische Ursachen für Klebstofflockerung und Messungenauigkeit
- Spannungskriechen (Stress Creep) und Spannungsrelaxation (Stress Relaxation):
Organische Polymerklebstoffe sind typische viskoelastische Materialien. Unter langfristiger Zug- oder Druckspannung ( \sigma ) gleiten die Polymerketten im Klebstoff langsam, selbst wenn die äußere Dehnung konstant ist, wodurch die Scherspannung im Klebstoffschicht allmählich abgebaut wird (Spannungsrelaxation). Unter konstanter Zugkraft erfährt der Klebstoff eine zeitabhängige plastische Verformung (Kriechen). Bei Dehnungsmessungen bedeutet dies, dass die tatsächliche Verformung des Stahlrohrs nicht zu 100 % auf die Glasfaser übertragen werden kann, was zu einer signifikanten Nullpunktdrift oder einer Empfindlichkeitsabschwächung der von der Glasfaser gemessenen Wellenlänge führt. - Alterung und physikalische Degradation des Klebstoffs (Polymer Aging):
Über lange Zeiträume von zehn Jahren können externe Faktoren wie Temperaturzyklen, Medienkorrosion und Lichteinwirkung chemische Bindungen in organischen Klebstoffen brechen, was zu Versprödung, Rissbildung und Schrumpfung führt. Dies führt zum Verlust der physikalischen Scherkräfte an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Stahlrohr sowie zwischen Klebstoff und Quarzglasfaser. - Feuchtigkeitsbedingtes Quellen (Moisture Swelling) und Grenzflächenablösung:
Wassermoleküle sind extrem klein. Über einen Zeitraum von zehn Jahren dringen geringe Mengen Wasser allmählich durch Diffusion in die Klebstoffschicht ein oder reichern sich an den Grenzflächen zwischen dem Klebstoff und dem Quarzglas (Siliziumdioxid)/Stahlrohr an. Wasser zerstört die ursprünglichen Wasserstoffbrückenbindungen, was zu einem drastischen Rückgang der Haftfestigkeit und mikroskopischer Ablösung führt.
2. Wie löst die Industrie das Problem der zehnjährigen Langzeitstabilität?
Um eine extrem langfristige Stabilität von zehn Jahren zu erreichen, muss im Bereich der professionellen Glasfasersensorik die traditionelle organische Polymerklebstoffverklebung durch eine vollmetallische Verkapselung (All-Metal Packaging) oder eine klebstofffreie elastische Struktur ersetzt werden.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hat für hochzuverlässige Langzeitüberwachung von Dehnungen und Temperaturen eine patentierte klebstofffreie Verkapselung und spezielle elastische Legierungsrohre entwickelt:
- Mikro-elastische Legierungsrohr-Technologie für klebstofffreie Verkapselung:
Im Deformationsübertragungsbereich werden keine organischen Polymerklebstoffe verwendet. Durch metallisierte Glasfasern (z. B. mit Gold oder Kupfer beschichtete Fasern) und spezielle elastische Legierungsrohre wird eine hochfeste metallurgische Verbindung (z. B. durch Hartlöten) hergestellt, oder es wird ein präzises klebstofffreies Mikroverriegelungsverfahren angewendet, um eine vollständige, nahtlose „Vollmetall“-Verbindung zwischen der Quarzglasfaser und dem Metallsubstrat zu schaffen. Da die Stabilität des Metallgitters weit höher ist als die von organischen Molekülketten, weist es extrem geringes Kriechen auf und ist unempfindlich gegen Alterung und Feuchtigkeitsaufnahme.
Die folgenden optischen, hochstabilen Sensoren für die Ingenieurwissenschaft erfüllen diese strengen Designanforderungen:
A. FBG (Faser-Bragg-Gitter) Hochstabile Dehnungsmessung
Für Szenarien, die eine langfristige statische und dynamische Dehnungsüberwachung erfordern, verwendet der OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor spezielle elastische Legierungsrohre zur Verkapselung von Faser-Bragg-Gittern. Dies eliminiert das Harzkriechen und die Lockerungsprobleme traditioneller klebgebundener Sensoren und bietet eine hervorragende langfristige Nullpunkstabilität und Ermüdungslebensdauer:
B. Verteilte (OFDR) Mikro-Vollmetall-Dehnungsmessung
Bei verteilten Glasfasermessungen mit extrem hoher räumlicher Auflösung führen herkömmliche verklebte Glasfasern aufgrund ungleichmäßiger Klebstoffdicke während der Langzeitmessung zu einer erheblichen nichtlinearen Dehnungsdrift.
Der OFSCN® 85°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor wurde speziell für solche Anwendungen entwickelt. Sein Außendurchmesser beträgt nur 0,6 mm und er verwendet eine klebstofffreie Vollmetallverkapselung mit einer einzelnen Schicht aus elastischem Legierungsrohr, um eine hochgetreue Deformationsübertragung zu gewährleisten und eine Signalverschiebung aufgrund von „Klebstoffalterung und -lockerung“ während des Langzeitbetriebs absolut zu vermeiden:
Zusammenfassung
Für Anwendungen mit hoher Langzeitstabilität und einer erwarteten Lebensdauer von zehn Jahren im Bauingenieurwesen, in der Schwerindustrie oder bei der Überwachung von unterirdischen Bohrlochköpfen gilt:
- Die Verwendung von gewöhnlichem Harzklebstoff zum direkten Verkleben von blanken Glasfasern in nahtlosen Stahlrohren für die Dehnungsmessung ist untersagt.
- Es sollten hochstabile Glasfasersensoren mit vollmetallischer klebstofffreier Technologie und Verkapselung in elastischen Legierungsrohren verwendet werden.