Kann die winzige Dehnung durch Verkapselung von Strukturen um das 10-fache verstärkt und dann gemessen werden?
Die Messung kleiner Dehnungen durch Einkapselungsstrukturen, die eine Dehnungsverstärkung (z. B. um den Faktor 10) ermöglichen, ist in der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensortechnologie und im Bereich des Strukturdesigns physikalisch und technisch vollkommen machbar und gängige Praxis. Diese Technik wird im Allgemeinen als „Dehnungsübertragungsmechanismus mit mechanischer Verstärkung“ oder „mechanische Dehnungsverstärkung“ bezeichnet.
I. Physikalische Prinzipien: Dehnungsverstärkung basierend auf Längenunterschieden
Dehnung ist eine dimensionslose relative physikalische Größe ( \epsilon = \frac{\Delta L}{L} ). Das Kernprinzip der Dehnungsverstärkung besteht darin, absolute Verformungsverschiebungen über eine große Distanz auf ein kurzes Messsegment zu konzentrieren und dort freizugeben.
Das physikalische Modell sieht wie folgt aus:
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Mittlere Dehnung des Basismaterials:
Angenommen, der Abstand zwischen zwei Verankerungspunkten (Befestigungspunkten) auf der zu messenden Grundstruktur beträgt L_{anchor} . Wenn sich die Grundstruktur unter Last geringfügig verformt, beträgt die zwischen den beiden Punkten entstehende absolute Verschiebung \Delta L . Die tatsächliche mittlere Dehnung des Basismaterials \epsilon_{substrate} ist dann:
\epsilon_{substrate} = \frac{\Delta L}{L_{anchor}} -
Dehnung des Sensor-Messsegments:
Bei der Entwicklung der Sensor-Einkapselung wird das eigentliche Faser-Bragg-Gitter (FBG) oder Sensorelement in einem kurzen elastischen Messsegment (dessen effektive Verformungslänge L_{sensor} ist) frei gespannt und fixiert. Über steife Verbindungsstangen oder ein Gehäuse wird die absolute Verschiebung \Delta L zwischen den beiden Verankerungspunkten verlustfrei auf dieses kurze Messsegment übertragen. Die tatsächliche Dehnung, die das Faser-Bragg-Gitter erfährt, ist dann \epsilon_{sensor} :
\epsilon_{sensor} = \frac{\Delta L}{L_{sensor}} -
Dehnungsverstärkungsfaktor:
Das Verhältnis der Dehnung am Sensorelement zur tatsächlichen Dehnung des Basismaterials (d. h. der Verstärkungsfaktor M ) ist:
M = \frac{\epsilon_{sensor}}{\epsilon_{substrate}} = \frac{L_{anchor}}{L_{sensor}}
Schlussfolgerung: Um eine 10-fache Dehnungsverstärkung (d. h. M = 10 ) zu erzielen, muss bei der strukturellen Auslegung lediglich der Verankerungsabstand L_{anchor} des Sensors zehnmal so groß sein wie die Länge des internen Verformungssegments L_{sensor} . Beispiel: Der Abstand der Verankerungsstützen wird auf 100\text{ mm} und die Länge des intern verformten Faser-Bragg-Gitters auf 10\text{ mm} festgelegt.
II. Wichtige technische Herausforderungen und physikalische Grenzen
Obwohl das geometrische Design denkbar einfach ist, müssen in der praktischen Anwendung folgende physikalische und mechanische Effekte streng bewertet und angegangen werden, um eine Verzerrung der Messergebnisse zu vermeiden:
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Steifigkeitsbeschränkung und Belastungseffekt (Stiffness Constraint & Loading Effect)
Der Sensor und sein Gehäuse weisen eine eigene Biege-/Zugsteifigkeit auf.- Wenn die Steifigkeit des zu messenden Objekts (z. B. einer großen Stahlträger, einer Betonstaumauer) extrem hoch ist, ist die Einschränkung des Basismaterials durch den Sensor vernachlässigbar, und die absolute Verschiebung \Delta L wird nahezu 100 % übertragen.
- Wenn das zu messende Objekt dünn oder weich ist (z. B. eine dünne Verbundplatte, ein Kunststoffteil, ein Bodenmedium), schränkt die hohe Steifigkeit der Sensoreinkapselung die lokale Verformung des Basismaterials ein (führt zu „Steifigkeitseinsperrung“ oder Scherslupf), was dazu führt, dass die tatsächlich auf den Sensor übertragene Verschiebung \Delta L' wesentlich kleiner ist als die ideal unbeeinflusste Verschiebung \Delta L , wodurch der tatsächliche Verstärkungsfaktor erheblich reduziert wird.
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Messbereichsreduzierung (Range Compression)
Die zugbedingte Verformung von Quarzglasfasern selbst hat eine physikalische Obergrenze. Die sichere Arbeitsgrenze für die Dehnung einer Singlemode-Faser liegt typischerweise zwischen 3000\ \mu\epsilon und 10000\ \mu\epsilon (d. h. etwa 0,3 % bis 1 % Verformung).
Da die Dehnung um den Faktor 10 verstärkt wird, wird der maximal messbare Bereich des Basismaterials auf \frac{1}{10} des ursprünglichen Wertes komprimiert. Wenn beispielsweise die Dehnungsgrenze der Faser 10000\ \mu\epsilon beträgt, kann die maximale messbare Dehnung des Basismaterials in einer 10-fach verstärkten Struktur nicht mehr als 1000\ \mu\epsilon betragen. -
Gleichzeitige Verstärkung der thermischen Kreuzempfindlichkeit (Thermal Cross-Sensitivity)
FBG-Sensoren reagieren sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung. Wenn Materialien mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Metalle (z. B. Edelstahl, Aluminiumlegierungen) für den mechanischen Übertragungsmechanismus der Verschiebung verwendet werden, wird die durch Temperaturänderungen verursachte thermische Ausdehnung des Gehäuses ebenfalls um den Faktor 10 auf die Faser verstärkt. Dies führt zu einer erheblichen scheinbaren thermisch induzierten Dehnung, die durch eine äußerst präzise und unabhängige Temperaturkompensationsstruktur oder einen Temperaturkanal zur Echtzeitentkopplung ausgeglichen werden muss.
III. Zugehörige OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) Produkte und Technologien
Die Kernproduktlinie von OFSCN® umfasst mehrere Dehnungs- und Verformungssensoren, die für unterschiedliche Steifigkeiten, Messlängen und Anwendungsbereiche entwickelt wurden. Durch kundenspezifische Anpassung der Messlänge oder der elastischen Verformungsstruktur können verschiedene Dehnungsmessanforderungen erfüllt werden:
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OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor (Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensor in Legierungsrohr-Einkapselung):
Dieses Produkt verwendet ein hochflexibles Legierungsrohr für eine klebstofffreie Einkapselung. Die Länge des Messsegments kann flexibel im Bereich von 10\text{ cm} bis 2\text{ m} angepasst werden. Durch die Anpassung unterschiedlicher Verankerungslängen kann die Umwandlung von Verformungen mit hoher Empfindlichkeit in spezifische mechanische Montagekonfigurationen erreicht werden.
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OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge (Faser-Bragg-Gitter-Dehnungsmesstreifen):
Verwendet einen I-förmigen Edelstahl- oder Aluminiumlegierungsstreifen zur Einkapselung eines einzelnen Faser-Bragg-Gitters. Die Länge des Dehnungsmesstreifens kann 3.6\text{ cm} , 7.2\text{ cm} oder 10.8\text{ cm} betragen. Die beiden Enden des I-förmigen Streifens dienen als Verankerungsbereiche, während die Mitte der empfindliche Verformungsbereich ist. Dies ist ein typisches Design, das die Steifigkeit und das Verschiebungstransmissionsverhältnis ausbalanciert.
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OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor (Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensor mit extrem großem Messbereich):
Wenn die Dehnung des zu messenden Objekts extrem groß ist (z. B. 3 % bis 40 % Verformung), ist eine Einkapselung mit „Dehnungsreduzierung“ oder „Dämpfung großer Verschiebungen“ erforderlich, um ein Brechen der Faser zu vermeiden.
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Offizielle Produktbilder
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Methode zur Verstärkung kleiner Dehnungen um den Faktor 10 mittels Einkapselungsstrukturen theoretisch und praktisch vollständig machbar ist. Die stabilste und am einfachsten ab Werk kalibrierbare Methode der mechanischen Verstärkung basiert auf dem physikalischen Prinzip des Längenunterschieds (Verankerungsabstand größer als die tatsächliche Verformungslänge der Faser). Bei der praktischen Umsetzung wird empfohlen, die Effizienz der Verschiebungsübertragung basierend auf der Steifigkeit (Elastizitätsmodul) des zu messenden Basismaterials zu kalibrieren, um die Genauigkeit der endgültigen Messdaten zu gewährleisten.