Почему некоторые датчики можно приварить непосредственно к поверхности оборудования с помощью сварочного аппарата?
На многих промышленных, гражданских и аэрокосмических объектах, где осуществляется мониторинг состояния конструкций (SHM), часть датчиков может быть и рекомендуется крепить непосредственно к поверхности измеряемой стальной конструкции, металлического трубопровода или оборудования с помощью миниатюрного аппарата для точечной контактной сварки (или лазерной точечной сварки). Эта техника в инженерии известна как точечная сварка при поверхностном монтаже (Spot Welding Surface Mounting).
Способность датчиков напрямую «свариваться» с поверхностью оборудования основана главным образом на следующих физических механизмах и инженерных решениях:
1. Конструктивная основа: Металлический корпус и проектирование под пайку
Предварительным условием для точечной сварки датчика является то, что сам датчик не может быть с открытым оптоволокном или с корпусом из чистого полимерного пластика. Корпус таких датчиков обычно имеет интегрированное свариваемое металлическое основание или подложку (часто изготовленную из нержавеющей стали, никелевого сплава, титанового сплава или алюминиевого сплава). С помощью аппарата точечной сварки, мгновенно подающего большой ток (например, через накопительный конденсатор), происходит локальное микрорасплавление между металлической подложкой датчика и металлической поверхностью оборудования с последующей быстрой кристаллизацией, образуя высокопрочное металлургическое соединение.
2. Эффективность передачи деформации: Избежание «ползучести сдвига» (Zero-Creep)
При измерении деформации (\\varepsilon) или напряжения точность измерения в высокой степени зависит от передачи деформации поверхности измеряемого объекта к чувствительному элементу внутри датчика (например, к волоконному брэгговскому элементу FBG):
- Ограничения традиционной клеевой фиксации: При использовании химических клеев, таких как эпоксидные смолы, клей может подвергаться «ползучести сдвига» (Creep) или деградации старения в условиях длительных циклов растяжения/сжатия, высоких температур, высокой влажности, что приводит к смещению нулевой точки измерения и влияет на долгосрочную точность.
- Механические преимущества точечной сварки: Точечная сварка обеспечивает атомно-уровневое жесткое соединение металла с металлом. Поскольку между металлической подложкой и поверхностью оборудования практически отсутствует промежуточный слой низкого модуля упругости, его сдвиговая жесткость чрезвычайно высока, что позволяет передавать микродеформацию поверхности оборудования датчику без потерь и задержек.
3. Устойчивость к экстремальным условиям
Процесс точечной сварки полностью исключает использование органических клеев, поэтому обладает отличной физической и химической стабильностью в экстремальных условиях:
- Экстремальные температуры: Химические клеи при очень высоких температурах (например, выше 100\ ^\circ\text{C} ) легко размягчаются, обугливаются, или при низких температурах становятся очень хрупкими и отслаиваются. Термический предел точечной сварки металлом определяется исключительно материалами корпуса и оптоволокна.
- Влажность и коррозия: В подводных условиях, условиях высокой влажности или кислотно-щелочной коррозии клей легко подвергается гидролизу, отслаиванию, тогда как точечная сварка обладает чрезвычайно высокой механической стабильностью и не склонна к отсоединению из-за коррозии окружающей среды.
4. Эффективность полевых работ
При выполнении работ на месте, например, на стальных коробчатых балках мостов, рельсах, крупногабаритных нефтегазовых трубопроводах, использование клея обычно требует нескольких часов или даже дней для отверждения и ухода. При использовании портативного аппарата точечной сварки завершение многоточечной сварки одного датчика занимает всего несколько секунд, после чего датчик может быть немедленно введен в эксплуатацию, что значительно сокращает цикл развертывания проекта.
Официальные совместимые продукты OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.)
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) разработала специализированные оптоволоконные датчики Брэгга с возможностью точечной сварки для сценариев высокоточного и быстрого поверхностного мониторинга:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Основные технические характеристики:
- Монтажная основа: Используется одноточечная оптоволоконная решетка Брэгга, установленная на основе из нержавеющей стали или алюминиевого сплава в форме двутавра, с высококачественной жесткой металлической подложкой.
- Стандартный метод установки: По умолчанию заводская комплектация поддерживает клеевой поверхностный монтаж или поверхностный монтаж с точечной сваркой по углам (конструкция с четырьмя углами облегчает точное позиционирование электродов для точечной сварки и микроразряд).
- Отличные характеристики диапазона измерения: Стандартный диапазон измерения деформации \ge 10000\ \mu\varepsilon , способный с высокой чувствительностью улавливать тонкие упругие деформации. Поставляется с одноточечной калибровочной формулой (в \mu\varepsilon/\text{pm} ).
- Работа в широком температурном диапазоне и опции для высоких температур: Стандартная рабочая температура — комнатная (от -20\ ^\circ\text{C} до 55\ ^\circ\text{C} ). Также возможно изготовление на заказ датчиков с учетом требований конкретного проекта, включая температурные режимы \le 100\ ^\circ\text{C} , \le 200\ ^\circ\text{C} и \le 300\ ^\circ\text{C} .
- Температурная компенсация: Возможна поставка с оптоволоконной решеткой с встроенным каналом температурной компенсации для устранения неструктурных тепловых деформаций, вызванных тепловым расширением и сжатием измеряемого объекта.
