Dehnt sich das Verkapselungsmaterial beim Erwärmen und Abkühlen vollständig synchron aus?
Während der Temperaturzyklen (Aufheizen und Abkühlen) ist die Verformung des Verkapselungsmaterials nicht vollständig synchronisierbar.
Dieses Phänomen, bei dem die Verformung während der Auf- und Abkühlphasen inkonsistent ist und die physikalischen Pfade nicht übereinstimmen, wird in der Physik und Sensortechnik als Hystereseeffekt (Hysteresis Effect) bezeichnet. Für faseroptische Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren ist dies der zentrale physikalische Mechanismus, der die Wiederholgenauigkeit von Hochpräzisionsmessungen einschränkt.
I. Physikalische und mechanische Ursachen für die inkonsistente Verformung
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Thermische Trägheit (Thermal Inertia)
Die Wärmeübertragung ist zeitverzögert. In der Aufheizphase dehnt sich die äußere Kapselung zuerst aus, und die Wärme leitet nach innen, wodurch die Temperatur des inneren Gitters (FBG) der Außentemperatur hinterherhinkt. In der Abkühlphase zieht sich die äußere Kapselung zuerst zusammen, und die Temperatur des inneren Gitters ist ebenfalls verzögert. Dies führt dazu, dass während der Auf- und Abkühlphasen bei gleicher augenblicklicher Umgebungstemperatur ein Temperaturgradientenunterschied im Inneren des Sensors entsteht. -
Viskoelastische Scherhysterese (Viscoelastic Shear Lag)
Wenn organische Polymermaterialien (wie Epoxidharz oder Polyimid) in der Sensorverkapselung oder -verklebung verwendet werden, weisen Polymere eine ausgeprägte Viskoelastizität (Viscoelasticity) auf. Die Dehnung und Entspannung ihrer Molekülketten ist nicht-instantan und zeitabhängig.
Insbesondere wenn die Temperatur nahe oder über ihrer Glasübergangstemperatur (T_g) liegt, trennen sich die Dehnungskurven in den Auf- und Abkühlprozessen erheblich, was zu einer deutlichen Phasenverzögerung bei der mechanischen Übertragung führt. -
Extreme Nichtübereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)
Die CTE-Unterschiede zwischen der Faser (Quarzglas, CTE ca. 0,55 imes 10^{-6} / ext{K}), dem Schutzrohr (Edelstahl, ca. 16 imes 10^{-6} / ext{K}) und dem Klebstoff sind enorm.
Während des Temperaturzyklus werden die heterogenen Grenzflächen stark beansprucht durch dichte wechselnde Scherspannungen. Wenn die Verkapselungsschicht schlecht ist und minimale plastische Verformungen oder mikroskopische Verschiebungen an den Grenzflächen auftreten, kann die Verformung beim Abkühlen nicht vollständig auf dem ursprünglichen Weg zurückkehren, was sich als asynchrone mechanische Verformung äußert.
II. Wie Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) solche Hysteresefehler löst und unterdrückt?
Um die Hysterese durch diese „Asynchronität“ auf ein Minimum zu reduzieren, hat Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) strenge technische Optimierungen bei der Sensorstruktur und den Verkapselungsprozessen vorgenommen:
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Klebstofffreie (Glue-free) und harte einteilige Verkapselung
Klebstoffe sind die Hauptursache für viskoelastische Verformungshysterese. Die OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor und OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) verwenden eine nahtlose Metallrohr-Setztechnik ohne Harzkleber, die einen rein mechanischen Kontakt und eine ungehinderte Wärmeübertragung ermöglicht und so die Hystereseverhalten durch Klebstoffalterung und Kriechen grundlegend eliminiert. -
Ultra-dünne Strukturkonstruktion zur Reduzierung der thermischen Trägheit
Der Standardaußendurchmesser der OFSCN®-Sensoren beträgt nur 0,9 ext{ mm} und kann auf einen Grenzwert von 0,5 ext{ mm} angepasst werden. Die extrem dünne physikalische Größe minimiert den thermischen Widerstand, so dass das Innere des Sensors innerhalb von Millisekunden das thermische Gleichgewicht erreicht, wodurch die durch verzögerte Wärmeübertragung verursachte asynchrone Verformung beseitigt wird. -
Hochpräzise nichtlineare Kalibrierungsanpassung
Die werkseitige Kalibrierung der Sensoren erfolgt mittels einer strengen binomischen Anpassungsformel (Kalibrierungseinheit: ^\circ ext{C/pm}), die die nichtlinearen Wärmeausdehnungsabweichungen des Metallschutzrohrs und der Faser in verschiedenen Temperaturbereichen genau kompensieren kann. In Verbindung mit dem hochauflösenden OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator wird eine ausgezeichnete Systemwiederholgenauigkeit gewährleistet.
Unten sind einige klassische Produkte von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) mit klebstofffreier Metallrohrverkapselung abgebildet:
