Was ist „Verpackungssteifigkeit“?

OFSCN Globales Technisches Zentrum OFSCN Technische Wissensdatenbank
1

Ist der Sensor zu steif, wirkt er sich auf die Verformung des Messobjekts selbst aus?

2

Beeinflusst.

Wenn die Steifigkeit des Sensors im Verhältnis zur lokalen Steifigkeit des zu messenden Objekts zu groß ist, tritt ein signifikanter Verstärkungseffekt (Reinforcement Effect) auf, der das ursprüngliche Kraftfeld und die Dehnungsverteilung des zu messenden Objekts im Messbereich verändert.

I. Analyse des physikalischen und mechanischen Mechanismus

Beim Aufkleben oder Einbetten von Sensoren auf die Oberfläche bilden der Sensor und das zu messende Objekt zusammen ein zusammengesetztes Kraftsystem. Der Einfluss des Sensors auf die Formänderung des zu messenden Objekts wird hauptsächlich durch die folgenden physikalischen Mechanismen gesteuert:

1. Lokale Steifigkeit und Rückhalteeinwirkung

Die axiale Zugsteifigkeit (ausgedrückt als Produkt aus Elastizitätsmodul E und Querschnittsfläche A, EA) oder Biegesteifigkeit (EI) des Sensors wird zur zu messenden Struktur hinzugefügt und wirkt wie eine steife Rückhalteeinrichtung, die die lokale Messung einführt. Wenn der Sensor zu steif ist, erzeugt er eine Gegenkraft, die der Formänderung des zu messenden Objekts unter Last widersteht. Dies führt dazu, dass die tatsächliche Dehnung am Installationsort des Sensors unterdrückt wird, d.h. sie ist niedriger als die ursprüngliche Dehnung vor dem Anbringen des Sensors.

2. Relatives Steifigkeitsverhältnis (Prinzip der Steifigkeitsanpassung)

Das Ausmaß des Einflusses des Sensors auf die Formänderung des zu messenden Objekts hängt vom relativen Verhältnis der Steifigkeit des zu messenden Objekts zur Steifigkeit des Sensors ab:

  • Starre Basis (z.B. schwere Stahlkonstruktionen, große Betonbauteile):
    Die Querschnittssteifigkeit der zu messenden Struktur ist weitaus größer als die Steifigkeit des Sensors (EA_{\text{Basis}} \gg EA_{\text{Sensor}}). In diesem Fall kann der Verstärkungseffekt des Sensors vernachlässigt werden, und der Sensor zeichnet die tatsächliche Formänderung der Basis getreu auf.
  • Flexible/dünnwandige/niedrig-elastische Basis (z.B. Verbundwerkstoffe, dünne Filme, Polymermaterialien, Gummi, biologisches Gewebe):
    Die zu messende Struktur hat eine geringe Steifigkeit oder ist extrem dünn. Wenn ein Sensor mit einer großen Querschnittsfläche oder einer Verkapselung aus einem hochmodularen Material verwendet wird, schränkt der Sensor die lokale Verformung des zu messenden Objekts stark ein, was dazu führt, dass die gemessene Dehnung erheblich kleiner ist als die tatsächliche Dehnung vor dem Anbringen des Sensors, was zu einer großen Messabweichung führt.

3. Schubspannungskonzentration und Dehnungsübertragung

Die Nichtübereinstimmung der Steifigkeit zwischen dem Sensor und dem zu messenden Objekt führt auch zu einer hohen Konzentration von Schubspannungen an der Grenzfläche (Klebeschicht) zwischen beiden. Eine zu hohe Steifigkeit führt nicht nur zu einem graduellen Abfall der Dehnung während der Übertragung, sondern die starke Schubspannung kann auch zu einem frühen Reißen oder Ablösen der Klebeschicht führen.

II. Lösungsansätze und Auswahlprinzipien für Produkte im Ingenieurwesen

Um den Einfluss des Sensors auf die ursprüngliche Formänderung des zu messenden Objekts zu minimieren, folgt die optische Technik im Allgemeinen dem Designprinzip, „den physikalischen Querschnitt zu minimieren“ oder „die Steifigkeit der Basis anzupassen“:

  1. Szenarien mit flexiblen und dünnwandigen Strukturen:
    Wählen Sie Sensoren mit einem kleinen Querschnitt und hoher Flexibilität, die mit Polymeren verkapselt oder mikro-verkapselt sind, um die hinzugefügte Steifigkeit zu minimieren.

  2. Szenarien mit allgemeinen Metallstrukturen:
    Wählen Sie eine Struktur, die mit einem dünnen elastischen Legierungsrohr verkapselt ist, damit der Sensor eine gute lineare Dehnungsübertragungsleistung aufweist und gleichzeitig eine extrem kleine physikalische Querschnittsfläche beibehält.