“Gerinim aktarım verimliliği” nedir?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Dış gerilim
100
birim, iç optik ızgara ne kadar algılar? Kayıp nerede?

2

I. “Gerinim Aktarım Verimliliği” Nedir?

Fiber Bragg Grating (FBG) gerinim algılama teknolojisinde, Gerinim Aktarım Verimliliği (Strain Transfer Efficiency), ölçülen alt tabakanın (dış yapının) ürettiği gerçek gerinimin, yapıştırıcı, koruyucu kılıf, fiber kaplama vb. gibi çeşitli katmanlar aracılığıyla kayma yoluyla iletilerek nihayetinde fiber çekirdeğine (fiber Bragg grating) ulaşma oranını ifade eder.

Mekanik modelde genellikle bir aktarım katsayısı k (veya \alpha) ile ifade edilir:

\alpha = \frac{\varepsilon_f}{\varepsilon_s}

Burada:

  • \varepsilon_f , fiber Bragg grating’in (iç çekirdek) gerçekten algıladığı ve ölçtüğü gerinimdir.
  • \varepsilon_s , ölçülen alt tabakada (dış) meydana gelen gerçek gerinimdir.

II. Dışarıdaki 100 Birimlik Çekme Kuvvetine Karşılık İç Grileme Ne Kadar Algılar?

Dışarıdaki 100 birimlik çekme (örneğin 100\ \mu\varepsilon), iç fiber Bragg grating’in ne kadar algılayacağı tamamen sensörün paketleme sertliği, montaj yöntemi, ankraj uzunluğu ve arayüzey kayma özelliklerine bağlıdır:

  1. İdeal Durum ( %100’e Yakın ):
    Yüksek sertlikte, yapışkansız tamamen metalize paketleme veya çıplak fiberin doğrudan yüksek sertlikle alt tabakaya kaynaklanması/ankrajlanması durumunda, gerinim aktarım katsayısı %95 ila %99’a kadar çıkabilir. Bu durumda, dışarıdaki 100 birimlik çekme kuvvetine karşılık iç grilleme 95 ila 99 birim algılar.

  2. Normal Yapıştırıcı veya Yumuşak Kılıf Paketleme ( %50 ~ %80’e Düşüş ):
    Sensörün içinde daha yumuşak epoksi reçine dolgu maddesi kullanılmışsa veya fiberin dışında daha kalın, yumuşak plastik bir kılıf varsa, aktarım verimliliği önemli ölçüde düşecektir. Dışarıdaki 100 birimlik çekme kuvvetine karşılık iç kısım yalnızca 50 ila 80 birim algılayabilir.

  3. Yetersiz Ankraj Uzunluğu ( Verimlilikte Ani Düşüş ):
    Sensörün yapışma veya ankraj uzunluğu çok kısaysa, uçlardaki kayma, merkezde kararlı bir gerinim alanı oluşturamaz ve aktarım verimliliği %30’un altına düşebilir.

III. Kayıp (Kayma Gecikmesi) Tam Olarak Nerede Gerçekleşir?

Gerinim, en dış katmandan (ölçülen alt tabaka) en iç katmana (fiber çekirdek) iletilirken, birden fazla heterojen arayüzden geçmek zorundadır. Kayıp esas olarak elastik kayma iletimindeki kayıplarda meydana gelir (mekanik olarak Kayma Gecikmesi Etkisi (Shear Lag Effect) olarak adlandırılır). Kayıplar temel olarak aşağıdaki dört yerde yoğunlaşır:

  1. Yapıştırıcı Katmandaki Kayma Elastik Kaybı:
    Bu, yüzeye yapıştırılan sensörler için en önemli kayıp kaynağıdır. Dış alt tabaka (örneğin çelik yapı, yaklaşık 200 GPa elastik modül) ve fiber (kuvars, yaklaşık 72 GPa elastik modül) çok serttir, ancak aradaki yapıştırıcı (örneğin sıradan epoksi reçine, genellikle yalnızca 2~4 GPa elastik modül) çok yumuşaktır. Düşük elastik modülü nedeniyle, yapıştırıcı katman çekme kuvveti iletilirken ciddi elastik kayma deformasyonuna uğrar; bu deformasyon büyük miktarda enerjiyi tüketir ve fiberin çekme gerinimine tam olarak dönüşemez.

  2. Fiber Kaplama Katmanının Kayma Emilimi:
    Standart iletişim fiberlerinin dışında akrilat kaplama bulunur, bu malzeme çok yumuşaktır ve kayma kuvvetinin çoğunu emer. Gerinim algılama için akrilat kaplamalı fiber doğrudan kullanılırsa, kaplama arayüzünde büyük gerinim kayıpları meydana gelir. Sert poliimit kaplamalı fiber kullanılırsa, kayıp önemli ölçüde azalır.

  3. Sensör Paketleme Malzemesinin Sertlik Baskısı ve Uyumsuzluğu:
    Sensör kalın paslanmaz çelik veya polimer koruyucu bir dış tüp ile kaplıysa, bir yandan dış tüp ile fiber arasındaki dolgu maddesi kayma yapar; diğer yandan, paketleme tüpünün kendi eksenel rijitliği, nispeten yumuşak olan alt tabakayı