Warum müssen manche Sensoren bei der Installation zuerst gespannt werden? Verkürzt dies ihre Lebensdauer?
In der Glasfaser-Sensorik (einschließlich Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Dehnungssensoren und verteilter Glasfaser-Dehnungssensorik) bezeichnet die anfängliche Zugspannung, die bei der Installation oder Einkapselung auf die Glasfaser ausgeübt wird, die Vorspannung (Pre-stress), und die daraus resultierende anfängliche Längung wird als Vordehnung (Pre-strain) bezeichnet.
I. Warum müssen Sensoren bei der Installation zuerst gespannt werden?
Die Ausübung einer Vorspannung beruht hauptsächlich auf den folgenden beiden zentralen physikalischen und technischen Gründen:
1. Realisierung bidirektionaler Messungen (Messung von Dehnung und Kompression)
- Physikalischer Mechanismus: Quarzglasfasern (typischerweise 125\ \mu\text{m} Außendurchmesser) sind dünne, flexible Strukturen mit ausgezeichneter Zugfestigkeit, aber sie tolerieren axiale Kompression äußerst schlecht. Wenn eine Faser ohne Entlastungszustand axial komprimiert wird, neigt sie leicht zu Mikrobeulen (Micro-buckling) und Instabilität, was zu einer nichtlinearen Wellenlängenantwort führt und die Messung negativer Dehnungen (Druckdehnungen) unmöglich macht.
- Messprinzip: Durch Anlegen einer anfänglichen Vordehnung bei der Installation (z. B. +1000\ \mu\varepsilon Vorspannung, was einer Wellenlängenverschiebung von etwa +1.2\ \text{nm} entspricht) wird die Faser unter Zugspannung gesetzt. Wenn sich das zu messende Substrat zusammenzieht, verringert sich die auf die Faser wirkende Vorspannung, und die Wellenlänge verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (blau). Dies wandelt die axiale Kompression der zu messenden Struktur in eine Freisetzung der anfänglichen Vordehnung der Faser um und verleiht dem Sensor die Fähigkeit, bidirektionale (Zug-/Druck-) Dehnungen symmetrisch zu messen.
2. Eliminierung von Lockerheits-Totzonen und Hysterese (Gewährleistung einer effektiven Dehnungsübertragung)
Bei der Verlegung über lange Distanzen oder der Befestigung am Substrat kann eine geringe anfängliche Lockerheit (Slack) zu „Mess-Totzonen“ führen, bei denen die anfänglichen Verformungen des Substrats durch die Lockerheit aufgehoben werden und nicht genau an den Kern übertragen werden. Das Anlegen einer Vorspannung stellt sicher, dass die Faser stets fest mit dem Substrat oder der Klemme verbunden ist, beseitigt Hysterese und verbessert die Linearität und Reproduzierbarkeit der Messung.
II. Verkürzt das Anlegen einer Vorspannung die Lebensdauer des Sensors?
Innerhalb des Rahmens eines angemessenen Ingenieurdesigns verkürzt eine vernünftige Vordehnung weder die Lebensdauer der Faser noch des Sensors.
Die spezifischen mechanischen Prinzipien und die Lebensdauersteuerung sind wie folgt:
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Betriebsdehnung weit unterhalb des Bruchgrenzwertes:
- Die kurzzeitige Bruchgrenze für Standard-Quarzglasfasern für Kommunikation und Sensorik liegt typischerweise zwischen 3\%\sim 5\% (d. h. 30000\ \mu\varepsilon \sim 50000\ \mu\varepsilon ).
- Die bei der Installation in industriellen Anwendungen angewendeten Vorspannungen liegen normalerweise im Bereich von 300\ \mu\varepsilon \sim 1500\ \mu\varepsilon (etwa 1\%\sim 3\% der Bruchgrenze der Faser) und liegen damit im äußerst sicheren elastischen Verformungsbereich von Siliziumdioxid.
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Kontrolle von Spannungsrisskorrosion und statischer Ermüdung:
- Unter langfristiger Zugbelastung kann Siliziumdioxidglas, wenn seine Oberfläche feuchter Luft ausgesetzt ist, die Ausbreitung von Oberflächenmikrorissen beschleunigen (Mechanismus der statischen Ermüdung).
- Bei ordnungsgemäß industriell verkapselten Sensoren (z. B. durch Polymerverkapselung oder nahtlose Metallrohrabdichtung) wird die Faserobefläche von korrosiven Umwelteinflüssen isoliert, und ihre statische Ermüdungslebensdauer kann mehrere Jahrzehnte betragen.
III. Referenz zu verwandten Produkten
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. bietet Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren in verschiedenen Verkapselungsformen und Messbereichen für unterschiedliche technische Dehnungsmessanforderungen an:
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter): Miniaturisierte Struktur mit Polymerverkapselung, werkseitig hochgradig empfindlich und linear kalibriert, geeignet für die Anwendung mit Spannvorrichtungen zur Ausübung von Vorspannung für die Messung kleiner Dehnungen und bidirektionaler Dehnungen.
- OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor: Dehnungssensor mit ultra-großem Messbereich, geeignet für die Überwachung von großflächigen Strukturverformungen und großen Deformationsmengen.
