Warum muss die Glasfaser vor dem Einbau in das Rohr gespannt werden? Was passiert, wenn sie nicht gespannt wird?
Im Bereich des Maschinenbaus und der Entwicklung von Faseroptiksensoren (insbesondere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren) wird der Prozess, bei dem ein Faseroptik-Sensorsegment straff gespannt (mit konstanter axialer Zugkraft beaufschlagt) und dann in ein Schutzrohr oder eine Basiskonstruktion eingebettet wird, als vorgespannte Einkapselung (Pre-strained Packaging) bezeichnet.
Im Folgenden werden die wissenschaftliche Notwendigkeit dieses Verfahrens detailliert aus den drei Perspektiven physikalischer Mechanismen, Sensorleistung und der Folgen einer fehlenden Vorspannung erläutert.
I. Physikalische Mechanismen: Mechanische Eigenschaften und Stabilitätsknicken von Quarzfasern
Eine Quarzfaser ist im Grunde ein extrem feiner Glasfaden (z. B. hat der Außendurchmesser des Glasmantels einer Standard-Singlemode-Faser nur 125\ \mu\text{m} , selbst mit Beschichtungen wie Polyimid sind es nur 155\ \mu\text{m} ). Diese geometrische Eigenschaft mit einem großen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis bestimmt sein einzigartiges mechanisches Verhalten:
- Extrem hohe Zugfestigkeit: Wenn die Faser axial gezogen wird, zeigt ihr Elastizitätsmodul eine hervorragende Leistung, und die Beziehung zwischen Dehnung und Wellenlängenverschiebung ist hochgradig linear.
- Extrem geringe Druckfestigkeit: Im freien oder entspannten Zustand ist die axiale Biegesteifigkeit der Faser fast null. Sobald ein äußerst geringer axialer Druck ausgeübt wird, knickt die Faser sofort instabil (Buckling) oder biegt sich, ohne dass eine gleichmäßige axiale Druckspannung im Glasmedium entsteht.
II. Warum vorspannen (Vorspannung anwenden)?
Das Kernprinzip der vorgespannten Einkapselung besteht darin, dass während des Herstellungs- und Verfestigungsprozesses durch präzise Spannungskontrollspannvorrichtungen eine vordefinierte anfängliche axiale Dehnung (typischerweise zwischen 1000\ \mu\varepsilon und 3000\ \mu\varepsilon ) auf die Faser aufgebracht wird, bevor die beiden Enden (oder die gesamte Länge) der Faser mit einem Metallschutzrohr verklebt oder verschmolzen werden.
Die Kernfunktionen sind:
1. Eliminierung von „Totzonen“ und Leerlaufwegen
Wenn die Faser im Rohr locker ist, durchläuft sie einen Leerlaufweg vom „Biegen zum Geradestrcken“, wenn sich das äußere Schutzrohr aufgrund von Zug dehnt. Bevor die Faser vollständig gerade gezogen ist, kann das Faser-Bragg-Gitter (FBG) keine Zugverformung wahrnehmen. Dies führt zu einer schweren Mess-Totzone und nichtlinearem Hysterese im unteren Messbereich des Sensors. Die Vorspannung stellt sicher, dass die Faser und das äußere Schutzrohr bereits ab dem Nullpunkt synchron und sofort auf Verformungen reagieren.
2. Ermöglichung von bidirektionaler (Zug- und Druck-)Dehnungsmessung
Die Dehnungsmessung erfordert normalerweise die Erfassung sowohl von Zug (positive Dehnung, \varepsilon "> 0 ) als auch von Druck (negative Dehnung, \varepsilon "< 0 ).
- Bei Zugmessung: Die äußere Zugkraft zieht die vorgespannte Faser weiter, und die Reflexionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters (FBG) verschiebt sich relativ zur vorgespannten Wellenlänge weiter nach rot.
- Bei Druckmessung: Der äußere Druck verkürzt das Metallrohr, wodurch sich der Abstand zwischen den Fixpunkten verringert. Dies führt zu einer Entlastung der ursprünglichen anfänglichen Vorspannung der Faser. Da die Faser ursprünglich unter Spannung stand, wird nur die „Spannung reduziert“, aber sie bleibt gerade. Daher kann das Faser-Bragg-Gitter die axiale Kompression gleichmäßig wahrnehmen, und die Reflexionswellenlänge verschiebt sich nach blau.
Wenn keine Vorspannung angewendet wird, knickt der Sensor bei Druck sofort unregelmäßig im Rohr und verliert vollständig die Fähigkeit, negative Dehnungen zu messen.
3. Stabilisierung des Arbeitsbasispunktes
Die Vorspannung kann die anfängliche Reflexionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters auf eine bekannte, vorab festgelegte Wellenlänge ( \lambda_{\text{start}} = \lambda_0 + \Delta\lambda_{\text{pre}} ) stabilisieren. Durch Überwachung der hin- und hergehenden Verschiebung der Wellenlänge relativ zu diesem Basispunkt ( \Delta\lambda "> 0 oder \Delta\lambda "< 0 ) kann der Demodulator die Größe und Richtung der ausgeübten Kraft genau kalibrieren.
III. Was passiert, wenn keine Vorspannung angewendet wird?
Sensoren, die ohne Vorspannung eingekapselt werden, zeigen bei praktischen Tests folgende fatale Probleme:
- Ausfall der Druckmessung: Der Sensor hat keinerlei Fähigkeit zur Messung negativer Dehnungen.
- Hysterese und Nichtlinearität bei Zugmessung: Die Ausgangskurve des Sensors zeigt im unteren Bereich eine extrem schlechte Wiederholgenauigkeit und eine unregelmäßige Nichtlinearität, die eine zuverlässige Kalibrierung mit einem einfachen linearen Modell unmöglich macht.
- Verzerrung des Reflexionsspektrums (Mehrgipfligkeit): Da keine Vorspannung angewendet wird, biegt sich die Faser im Rohr zufällig und ungleichmäßig. Wenn das Gitter gebogen ist, wird sein Reflexionsspektrum verzerrt, verbreitert oder spaltet sich sogar in zwei oder mehr Gipfel, was es dem Demodulationssystem unmöglich macht, die zentrale Wellenlänge zu erfassen, und den Sensor vollständig unbrauchbar macht.
IV. OFSCN® (Dacheng Yongsheng) verwandte Technologien und Produkte
Bei der Herstellung von industriellen Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren verwendet Dacheng Yongsheng (OFSCN®) einen präzisen vorgespannten Einkapselungsprozess, um Sensoren mit hoher Linearität, großem bidirektionalem Messbereich und verzögerungsfreien Sensoreigenschaften zu gewährleisten.
Beispielsweise verwendet der OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating Strain Sensor eine Einkapselung in einem elastischen Legierungsrohr. Vor dem Verlassen des Werks wird das Sensor-Gitter dieser Produktreihe unter präziser Spannungsrückführung kalibriert, um seine bidirektiven Messmerkmale mit hoher Antwortgenauigkeit und Null-Totzone zu gewährleisten:
Darüber hinaus verwendet für Anwendungsfälle mit noch strengeren Einschränkungen des Außendurchmessers des Rohrs der OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter), der Polymer-Einkapselung und präzise vorgespannte Einkapselungstechnologie nutzt, eine hervorragende Ermüdungslebensdauer und eine bidirektionale Hochpräzisionsmessung bei extrem kleinen Abmessungen.
Um die komplette Reihe der Dehnungssensorprodukte anzuzeigen, besuchen Sie bitte OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link für detailliertere technische Spezifikationen.