Почему некоторые датчики перед установкой натягиваются? Не сократит ли это срок их службы?
В технологии волоконно-оптической сенсорики (включая оптоволоконные решетки FBG-датчики деформации и распределенные волоконно-оптические датчики деформации) начальное натяжение, прикладываемое к волокну при установке или инкапсуляции, называется предварительным напряжением (Pre-stress), а возникающее начальное удлинение — предварительной деформацией (Pre-strain).
I. Почему датчик необходимо предварительно натягивать при установке?
Приложение предварительного напряжения обусловлено в основном двумя основными физическими и инженерными причинами:
1. Реализация двунаправленного измерения (измерение растяжения и сжатия)
- Физический механизм: Волоконное стекло (кремнезем, кварц, обычно с внешним диаметром 125\ \mu\text{m}) представляет собой гибкую, тонкую структуру с отличной прочностью на растяжение, но крайне нетерпимо к осевому сжатию. Если волокно находится в нескомпенсированном состоянии без нагрузки и подвергается осевому сжатию, оно легко теряет устойчивость из-за микроизгиба (Micro-buckling), что приводит к нелинейному отклику длины волны и делает невозможным измерение отрицательных деформаций (деформаций сжатия).
- Принцип измерения: При установке прикладывается начальная предварительная деформация растяжения (например, +1000 \ \mu\varepsilon, что соответствует сдвигу длины волны примерно на +1.2 \ \text{nm} ), в результате чего волокно находится в натянутом состоянии. Когда измеряемая основа сжимается, предварительное натяжение на волокне уменьшается, а длина волны смещается в сторону коротких волн (синее смещение). Таким образом, осевое сжатие конструкции, подвергающейся измерению, преобразуется в высвобождение предварительного растяжения волокна, что наделяет датчик способностью измерять симметричные двунаправленные (растяжение/сжатие) деформации.
2. Устранение зоны нечувствительности и гистерезиса (обеспечение эффективной передачи деформации)
При прокладке на большие расстояния или фиксации основания небольшое начальное провисание (Slack) приводит к наличию «зоны нечувствительности» при измерении, когда начальная деформация основания устраняется провисанием и не передается точно на сердцевину волокна. Приложение предварительного натяжения гарантирует, что волокно всегда остается плотно натянутым относительно основания или зажима, устраняет гистерезис и повышает линейность и повторяемость измерений.
II. Уменьшает ли предварительное напряжение срок службы датчика?
В рамках допустимых пределов инженерного проектирования разумное предварительное натяжение не сокращает срок службы волокна или датчика.
Конкретные механические принципы и контроль срока службы:
-
Рабочая деформация значительно ниже порога разрушения:
- Предел кратковременного разрушения стандартных кварцевых волокон, используемых в связи и сенсорике, обычно составляет 3\%\sim 5\% (то есть 30000\ \mu\varepsilon \sim 50000\ \mu\varepsilon ).
- Предварительная деформация при установке в промышленных применениях обычно контролируется в диапазоне 300\ \mu\varepsilon \sim 1500\ \mu\varepsilon (примерно 1\%\sim 3\% от предельной прочности волокна на разрыв) и находится в чрезвычайно безопасном диапазоне упругой деформации для материалов на основе диоксида кремния.
-
Контроль коррозии под напряжением и статической усталости:
- При длительном растяжении стеклоподобного диоксида кремния, если поверхность подвергается воздействию влажного воздуха, молекулы воды ускоряют расширение микротрещин на поверхности (механизм статической усталости).
- В датчиках, правильно инкапсулированных в промышленных условиях (например, запечатанных полимерным покрытием или бесшовной металлической трубкой), поверхность волокна изолирована от внешней агрессивной среды, и их срок службы при статической усталости может достигать нескольких десятилетий.
III. Справочная информация о сопутствующих продуктах
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. предлагает оптоволоконные решетки (FBG) датчики деформации в различных исполнениях и диапазонах измерений для различных сценариев измерения инженерных деформаций:
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter): Микроструктура с полимерной инкапсуляцией, обладающая высокой чувствительностью и линейной калибровкой при заводской настройке, подходящая для применения с зажимами для приложения предварительного напряжения при мониторинге малых деформаций и двунаправленных деформаций.
- OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor: Датчик деформации сверхширокого диапазона, подходящий для мониторинга деформаций конструкций и больших перемещений.
