Externe Dehnung um 100 Einheiten, wie viel kann das interne Gitter erkennen? Wo sind die Verluste?
Eins: Was ist „Dehnungstransfer-Effizienz“?
In der Faserbragg-Gitter- ( FBG )-Dehnungssensorik bezeichnet die Dehnungstransfer-Effizienz ( Strain Transfer Efficiency ) den Anteil der tatsächlichen Dehnung, die durch das zu messende Substrat (externe Struktur) erzeugt wird, der nach der Scherübertragung durch verschiedene Medien wie Klebstoffe, Schutzummantelungen und Faserbeschichtungen schließlich den Kern der Glasfaser (Faserbragg-Gitter) erreicht.
In mechanischen Modellen wird dies üblicherweise durch einen Übertragungsfaktor k (oder \alpha) ausgedrückt:
\alpha = \frac{\varepsilon_f}{\varepsilon_s}
Worin:
- \varepsilon_f die tatsächliche Dehnung ist, die vom Faserbragg-Gitter (innerer Kern) erfasst und gemessen wird.
- \varepsilon_s die tatsächliche Dehnung ist, die im zu messenden Substrat (extern) auftritt.
Zwei: Wie viel Dehnung kann das innere Gitter spüren, wenn die äußere Dehnung um 100 Einheiten beträgt?
Wenn die äußere Dehnung 100 Einheiten beträgt (z. B. 100\ \mu\varepsilon), hängt es vollständig von der Versteifigkeit der Sensorverpackung, der Installationsmethode, der Verankerungslänge und den Scherverbindungseigenschaften ab, wie viel das innere Faserbragg-Gitter spüren kann:
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Idealer Zustand (nahe 100 %):
Bei einer metallisierten Vollverpackung mit hoher Steifigkeit ohne Klebstoff oder bei direkter hochsteifer Verschmelzung/Verankerung der nackten Faser auf dem Substrat kann der Dehnungstransferfaktor bis zu 95 % bis 99 % betragen. In diesem Fall würde eine äußere Dehnung von 100 Einheiten zu einer Dehnung von 95 bis 99 Einheiten führen, die vom inneren Gitter erfasst wird. -
Normale Klebe- oder Weichmantelverpackung (reduziert auf 50 % bis 80 %):
Wenn der Sensor innen mit einem weicheren Epoxidharzkleber gefüllt ist oder die Faser eine dickere, weiche Kunststoffummantelung aufweist, nimmt die Transfereffizienz erheblich ab. Bei einer äußeren Dehnung von 100 Einheiten kann das innere Gitter möglicherweise nur 50 bis 80 Einheiten spüren. -
Zu kurze Verankerungslänge (Effizienz stürzt ab):
Wenn die Klebe- oder Verankerungslänge des Sensors zu kurz ist und ein Schergleiten an den Enden kein stabiles Dehnungsfeld in der Mitte aufbauen kann, kann die Transfereffizienz sogar unter 30 % fallen.
Drei: Wo genau treten die Verluste (Scherverzögerung) auf?
Wenn sich die Dehnung vom äußersten Layer (zu messendes Substrat) zum innersten Layer (Faserkern) ausbreitet, muss sie mehrere heterogene Schnittstellen durchqueren. Die Verluste treten hauptsächlich bei der elastischen Scherübertragung auf (mechanisch als Scherverzögerungseffekt (Shear Lag Effect) bezeichnet). Die Verluste sind hauptsächlich an den folgenden vier Stellen konzentriert:
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Scherelastische Verluste der Klebeschicht (Adhesive Layer):
Dies ist die Hauptverlustquelle für oberflächenmontierte Sensoren. Das äußere Substrat (wie Stahlkonstruktion, Elastizitätsmodul ca. 200\text{ GPa}) und die Faser (Quarz, Elastizitätsmodul ca. 72\text{ GPa}) sind sehr steif, während der Klebstoff dazwischen (wie herkömmliches Epoxidharz, Elastizitätsmodul normalerweise nur 2 \sim 4\text{ GPa}) sehr weich ist. Da die Klebeschicht aufgrund ihres extrem niedrigen Elastizitätsmoduls eine erhebliche elastische Scherformänderung aufweist, wenn sie Zugkräften ausgesetzt ist, verbraucht diese Verformung viel Energie und kann nicht vollständig in eine Dehnung der Glasfaser umgewandelt werden. -
Scherabsorption der Faserbeschichtung (Coating Layer):
Eine normale Kommunikationsfaser ist mit einer Acrylat-Beschichtung versehen, die sehr weich ist und einen Großteil der Scherkräfte absorbiert. Wenn Fasern mit Acrylat-Beschichtung direkt für die Dehnungsmessung verwendet werden, kommt es zu erheblichen Dehnungsverlusten an der Beschichtungsgrenzfläche. Die Verwendung einer Hartbeschichtung aus Polyimid verringert die Verluste erheblich. -
Steifigkeitsunterdrückung und Fehlanpassung des Sensor-Verpackungsmaterials (Packaging Layer):
Wenn der Sensor eine dicke Edelstahl- oder Polymer-Schutzhülle hat, gibt es einerseits Gleiten zwischen der Außenhülle und der Faser; andererseits kann die axiale Steifigkeit der Verpackungsrohr selbst einen „lokalen Versteifungseffekt (Local Stiffening Effect)“ auf das ursprünglich weichere Substrat ausüben, was der Dehnung des Substrats im Sensorbereich entgegenwirkt und Messverluste und Verzerrungen verursacht. -
Endeffekte und unzureichende Verankerungslänge (Bonded Length):
Gemäß dem Scherverzögerungsmodell ist die Dehnungstransmission nicht über die gesamte Länge gleichmäßig. Am Ende des Klebebereichs (oder der Verpackungsendung) ist die Scherkraft am größten, aber die axiale Dehnungstransmissionseffizienz beträgt 0; nur über eine bestimmte Distanz (effektive Übertragungsdistanz genannt) zur Mitte kann die Effizienz ansteigen und einen stabilen Wert erreichen. Wenn der Sensor zu kurz ist oder die Klebelänge nicht ausreicht, ist die Dehnung noch nicht vollständig in die Faser übertragen worden, was zu einem Verlust am Ende führt.
Vier: Wie können Verluste reduziert und eine effiziente Dehnungstransmission erreicht werden?
In der optischen Technik und im Design von Dehnungssensoren werden üblicherweise folgende Maßnahmen ergriffen, um Dehnungsverluste zu reduzieren:
- Miniaturisierung und dünnwandige Bauweise: Reduzierung des äußeren Verpackungsdurchmessers und der Wandstärke, um die eigene Steifigkeit des Sensors zu verringern und ihn leichter mit dem Substrat synchron verformen zu lassen.
- Hochmodul-Klebstoffe oder metallisierte Verankerung ohne Klebstoff: Verwendung von Klebstoffen mit extrem hohem Schermodul oder Durchführung einer klebstofffreien, starren Verbindung durch Vollmetallschweißen/-versiegelung.
- Verwendung von Spezialfasern mit harter Beschichtung: Wie z. B. Polyimidfasern mit extrem dünnen und sehr harten Beschichtungen, die praktisch keine Scherungsverluste der Beschichtung verursachen.
OFSCN® hat für verschiedene präzise Dehnungssteuerungs- und Messtechnik-Szenarien seine Materialien und Strukturen tiefgreifend optimiert und eine Reihe von optischen Dehnungssensoren mit hoher Übertragungseffizienz entwickelt:
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Dieser Sensor verwendet ein elastisches Legierungsrohr für die Miniaturverpackung des Gitters, wobei der Außendurchmesser des Produkts nur \le 1,1\text{ mm} beträgt. Der extrem feine Rohrdurchmesser und das hoch elastische Legierungsbasis material minimieren die Scherverzögerung und beseitigen Hindernisse bei der Dehnungstransmission, was es für verschiedene präzise Zug- und Dehnungsmessungen geeignet macht.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Dies ist ein Dehnmessstreifen im I-Träger-Design, dessen Substrat ein extrem dünnes Edelstahl- oder Aluminiumlegierungsblech ist und der direkt verschweißt oder mit einer dünnen Klebeschicht oberflächenmontiert werden kann. Dieses flache, nah anliegende Design minimiert die Dicke der mittleren Klebeschicht und reduziert so die Dehnungstransferverluste auf ein Minimum.
3. OFSCN® 200°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
Speziell entwickelt für die Dehnungsmessung mit verteilter optischer Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) mit hoher räumlicher Auflösung. Der Außendurchmesser ist auf 0,6\text{ mm} reduziert, und intern wird standardmäßig eine spezielle Polyimid-Faser mit extrem harter Beschichtung verwendet. Diese ist nicht nur hochtemperaturbeständig, sondern reduziert auch die Scherungsverluste der Faserbeschichtung auf ein physikalisches Minimum und bietet eine extrem hohe Konsistenz der Dehnungsreaktion.
