طريقة اختيار مقاييس المقاومة الشدّية

مقاومة أحزمة القياس (تُعرف باسم أجهزة قياس الانفعال) هي مكونات حساسة أساسية تقوم بتحويل الانفعال الميكانيكي للأعضاء الإنشائية إلى تغيرات في المقاومة، وتُستخدم على نطاق واسع في خلايا الحمل وأجهزة استشعار القوة، ومراقبة صحة الهياكل، واختبارات الفضاء والطيران، وحقول أخرى. إن اختيارها يحدد بشكل مباشر دقة النظام وثباته وطول عمره الافتراضي. والمبدأ الأساسي هو "التوافق الثنائي بين خصائص الانفعال والبيئة التشغيلية"—لتجنب هدر التكاليف الناتج عن زيادة المعلمات، ومنع فشل القياس بسبب ضعف الأداء. فيما يلي طريقة اختيار شاملة تغطي العملية بأكملها، تجمع بين المعايير التقنية والتكيف مع البيئة والنقط الرئيسية العملية لمساعدة على الاختيار الدقيق.

الخطوة 1: توضيح متطلبات القياس الأساسية وسيناريوهات التطبيق (شرط أساسي للاختيار)

قبل الاختيار، من الضروري تحديد "نوع الانفعال الذي سيتم قياسه، والبيئة التي ستُجرى فيها عملية القياس، وطريقة التركيب"، وهي أمور تمثل الأساس لاختيار المعلمات اللاحقة وتُجنب السعي العشوائي وراء معلمات عالية الأداء.

1. تعريف متطلبات القياس الأساسية

• نوع الانفعال ونطاقه: توضيح طبيعة انفعال المكون المراد قياسه (مثل الانفعال الثابت الناتج عن تشوه الوزن الهيكلي، أو الانفعال الديناميكي الناتج عن اهتزاز ميكانيكي)، مع تحديد أقصى قيمة للانفعال، وترك هامش أمان يتراوح بين 1.2 إلى 1.5 مرة. على سبيل المثال: إذا كانت أقصى قيمة حقيقية للانفعال تبلغ 1000 ميكروإجهاد (με)، فيجب اختيار مقياس انفعال بنطاق 1200 إلى 1500 ميكروإجهاد (με)؛ أما بالنسبة للانفعال الديناميكي (مثل الأحمال الناتجة عن الصدمات)، يُوصى بترك عامل أمان يتراوح بين 1.5 إلى 2 مرة لتجنب إتلاف الشبكة الحساسة بسبب الحمل الزائد اللحظي.
• متطلبات الدقة: هل هو مراقبة نوعية (مثل التحذير المبكر من تشققات الهيكل)، أو تحليل كمي (مثل معايرة المستشعرات)، أم قياس دقيق (مثل اختبار الإجهاد في المختبر)؟ على سبيل المثال: يجب أن تفي أجهزة قياس الانفعال لأغراض قياس الأحمال بخطأ حساسية لا يتجاوز ±0.1%، ويمكن أن يكون الخطأ في مراقبة صحة الهياكل ≤±0.5%، أما القياس الدقيق في المختبر فيتطلب خطأً ≤±0.05%.
• اتجاه القوة: هل يتعرض المكون لقوة أحادية الاتجاه (مثل انحناء العارضة الناتئة)، أم قوة ثنائية الاتجاه (مثل الأجزاء الميكانيكية في حالة إجهاد مستوٍ)، أم قوة متعددة الاتجاهات (مثل عقد الهياكل المعقدة)؟ اختر أجهزة قياس الانفعال المحورية الأحادية للقوى أحادية الاتجاه، واختر أجهزة قياس الانفعال ثنائية الاتجاه (زاوية قائمة، شبكة انفعال) أو متعددة المحاور للقوى ثنائية أو متعددة الاتجاهات.
• تردد القياس: بالنسبة للقياس الديناميكي، يجب توضيح نطاق تردد إشارة الانفعال. يجب أن يكون تردد استجابة مقياس الانفعال أكبر من أو يساوي 3 أضعاف تردد الإشارة المقاسة (لتجنب تشوه الإشارة). على سبيل المثال: لقياس انفعال الاهتزاز عند 50 هرتز، ينبغي اختيار مقياس انفعال بتردد استجابة ≥150 هرتز.

2. الشروط المتعلقة بالتركيب والهيكل

• خصائص سطح المكون: هل سطح المكون مستوٍ، منحني (وما نصف قطر التقوس)، أم ذو شكل خاص؟ إن مقاييس الانفعال المرنة (مثل النوع الصفائحي) مناسبة للمكونات المنحنية، ويُطلب استخدام مقاييس انفعال ذات طول شبكي قصير للمقاطع ذات نصف القطر الصغير (≤10 مم)؛ كما أن الأنواع ذات التماسك القوي مع الركيزة تكون مناسبة للأسطح الخشنة.
• مساحة التركيب: يُطلب استخدام أجهزة قياس الانفعال المصغّرة (بطول شبكة ≤2 مم) للمناطق الضيقة من المكونات (مثل تفريغات الأجزاء الدقيقة)، ويمكن اختيار أجهزة قياس انفعال ذات طول شبكة متوسط أو طويل للمكونات الكبيرة حسب تجانس الانفعال.
• طريقة التركيب: هل هو تركيب باللصق في درجة حرارة الغرفة، أم تركيب باللحام عند درجات حرارة عالية، أم لصق مؤقت؟ تُستخدم أجهزة قياس الانفعال القابلة للحام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، ويمكن استخدام أجهزة قياس الانفعال من النوع المغناطيسي للرصد المؤقت.

3. الظروف التشغيلية البيئية

• مدى درجة الحرارة: تحديد مدى درجة الحرارة العادية (-20°م ~ 60°م)، ومدى درجة الحرارة المتوسطة (60°م ~ 200°م)، ومدى درجة الحرارة العالية (200°م ~ 1000°م) أو مدى درجة الحرارة المنخفضة (<-20°م) في بيئة العمل. يجب أن يغطي مدى تعويض درجة الحرارة لأداة قياس الانفعال بشكل كامل درجة الحرارة الفعلية لتجنب التأثير على الدقة الناتج عن الانحراف الحراري.
• البيئة المتوسطة: هل توجد رطوبة (مثل تحت الماء، ورش العمل الرطبة)، أو تآكل (مثل غازات حمضية-قاعدية، وتلوث نفطي في ورش كيميائية)، أو غبار أو إشعاع قوي؟ يُطلب استخدام مقاييس التشوه المقاومة للماء في البيئات الرطبة، ويُطلب استخدام مواد مقاومة للتآكل (مثل شبكات سبائك النيكل-الكروم، وقواعد بولي إيميد) في البيئات المسببة للتآكل، إلى جانب معالجة الختم.
• عوامل التداخل: هل توجد تداخلات كهرومغناطيسية قوية (مثل بالقرب من المحركات أو المعدات عالية الجهد) أو صدمات اهتزازية؟ يُطلب استخدام مقاييس تشوه ذات طبقات تدريع في الحالات التي تتسم بالتداخل القوي، ويُطلب استخدام الأنواع ذات المتانة الجيدة في القواعد واللصقات في حالات الصدمات الاهتزازية.

الخطوة 2: اختيار المعلمات التقنية الأساسية (مطابقة متطلبات بدقة)

بعد تحديد المتطلبات بوضوح، يجب التركيز على المعلمات التقنية الأساسية لمقياس التشوه، وهي حلقة الوصل الأساسية في عملية الاختيار وتحدد بشكل مباشر أداء القياس.

1. المعلمات الأساسية للشبكة الحساسة (تحدد أداء القياس الأساسي)

• قيمة المقاومة: المقاومة التقليدية لأجهزة قياس الانفعال هي 120 أوم (متوافقة مع معظم أجهزة قياس الانفعال، وتتميز بأعلى درجة من التنوع)، كما توجد مواصفات أخرى مثل 350 أوم و1000 أوم. تكون أجهزة قياس الانفعال عالية المقاومة مناسبة للأنظمة منخفضة الاستهلاك للطاقة، بينما تتمتع أجهزة قياس الانفعال بمقاومة 120 أوم بأعلى جدوى اقتصادية في السيناريوهات الصناعية. عند الاختيار، يجب التأكد من أن قيمة مقاومة جهاز قياس الانفعال مطابقة لمقاومة الدخل الخاصة بوحدة قياس الانفعال (الانحراف ≤ ±5%) لتجنب توهين الإشارة.
• عامل المقياس: يشير إلى العلاقة التناسبية بين الانفعال وتغير المقاومة (القيمة الاعتيادية 2.0±0.02)، وهو معلمة رئيسية لحساب قيمة الانفعال. عند الاختيار، يجب إعطاء الأولوية لأجهزة قياس الانفعال ذات التماسك الجيد في عامل المقياس (انحراف الدفعة ≤±1%)، خاصةً عند استخدام أكثر من جهاز قياس في دائرة جسر (مثل دائرة الجسر الكامل لمتحسس الحمل)، إذ يؤدي ضعف التماسك إلى زيادة أخطاء القياس.
• طول الشبكة وعرض الشبكة: يحدد طول الشبكة "نطاق القياس المتوسط" لجهاز قياس الانفعال. الطول الصغير للشبكة (0.2~2 مم) مناسب لقياس الانفعال المحلي (مثل رؤوس الشقوق)، والطول المتوسط للشبكة (3~10 مم) مناسب للمكونات التقليدية، والطول الكبير للشبكة (10~100 مم) مناسب للمكونات الكبيرة الحجم ذات التدرجات الصغيرة في الانفعال. ويجب أن يتناسب عرض الشبكة مع اتجاه القوة المؤثرة على المكون: عرض ضيق للقوة باتجاه واحد، وعرض واسع أو هيكل حلزوني للانفعال للقوة ثنائية الاتجاه.
• مادة الشبكة الحساسة:
  • سبيكة النحاس-النيكل (كونستانتان): تُفضل في الظروف ذات درجات الحرارة العادية (-20℃~150℃)، وتتميز بمعامل حراري صغير واستقرار جيد، وتناسب خلايا قياس الوزن والمراقبة الهيكلية؛
  • سبيكة النيكل-الكروم (كارما): للظروف متوسطة وعالية الحرارة (-50℃~400℃)، وتتمتع بحساسية عالية، وتناسب مراقبة المحركات والأنابيب العاملة عند درجات حرارة مرتفعة؛
  • سبيكة البلاتين-الإيريديوم: للظروف شديدة الحرارة (400℃~1000℃)، وتتميز بمقاومة قوية للتآكل، وتناسب تجهيزات الفضاء الجوي والصناعات المعدنية؛
  • المواد أشباه الموصلة: حساسية عالية جداً (50~100 ضعف تلك الخاصة بالمعادن)، ولكنها تمتاز باستقرار حراري ضعيف، وتناسب القياسات الدقيقة في المختبرات.

2. معايير الركيزة والملصق (تحدد القابلية على التكيف مع البيئة)

• مادة الركيزة:
  • الركيزة الورقية: منخفضة التكلفة، وسهلة اللصق، وتناسب الظروف العادية والبيئات الجافة (≤60℃)، مثل المراقبة المؤقتة للمعدات المدنية؛
  • ركيزة راتنج الفينوليك: مقاومة للحرارة تصل إلى 120℃، ومقاومة جيدة للزيوت، مناسبة لسيناريوهات الآلات الصناعية التقليدية؛
  • ركيزة البولي إيميد: مقاومة للحرارة تصل إلى 250℃، ومقاومة للتآكل والماء، مناسبة لسيناريوهات الكيميائية والرطبة وذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية؛
  • ركيزة السيراميك: مقاومة للحرارة فوق 1000℃، مناسبة للبيئات القصوى مثل الأفران عالية الحرارة والمحركات الجوية.
• نوع اللصاق: يجب أن يتناسب مع مادة الركيزة ودرجة حرارة التشغيل. تُستخدم لصقات السيانوأكريلات (سريعة الجفاف) في السيناريوهات ذات درجة الحرارة العادية، ولصقات راتنج الإيبوكسي (مقاومة للحرارة حتى 150℃) في السيناريوهات متوسطة الحرارة، ولصقات غير عضوية (مقاومة للحرارة فوق 500℃) في السيناريوهات عالية الحرارة. يجب أن تكون قوة القص للصاق ≥2MPa لتجنب انفصال مقياس الانفعال.

3. معايير تعويض درجة الحرارة (تحديد ثبات القياس)

• طريقة تعويض درجة الحرارة:
  • أحجام الإجهاد ذات التعويض الذاتي: من خلال اختيار مواد شبكة حساسة، يتم تعويض تغير المقاومة الناتج عن درجة الحرارة بواسطة التمدد الحراري للمكون، وهي مناسبة للمكونات ذات المادة الواحدة (مثل الفولاذ، الألومنيوم)، وسهلة التركيب، ويُفضل استخدامها في السيناريوهات الصناعية؛
  • تعويض الغيير المعاوض: تُلصق أحجام إجهاد إضافية من نفس الطراز مثل الأحجام العاملة على مكونات مماثلة غير مجهدة، ويتم تعويض أخطاء درجة الحرارة من خلال الدوائر، وهو مناسب لمجالات درجات الحرارة المعقدة أو المكونات متعددة المواد.
• نطاق تعويض درجة الحرارة: يجب أن يغطي نطاق درجة الحرارة الفعلي أثناء التشغيل. مثال: في بيئة ورشة عمل تتراوح بين -10℃ ~ 80℃، ينبغي اختيار جهاز قياس إجهاد بنطاق تعويض من -20℃ ~ 100℃ لترك هامش احتياطي لدرجة الحرارة.

4. معلمات الهيكل والتوصيلات (تحدد طريقة التركيب ونقل الإشارة)

• هيكل جهاز قياس الإجهاد:
  • أحاس مقاومة الانفعال أحادية المحور: للحالات التي تتضمن قوى في اتجاه واحد (مثل العوارض المعلقة، القضبان الشد)، وهي ذات بنية بسيطة وتكلفة منخفضة؛
  • أجهزة قياس الانفعال ثنائية المحور (أجهزة قياس الزاوية القائمة): للحالات التي تتضمن قوى في اتجاهين (مثل مكونات الإجهاد المستوي)، ويمكنها قياس الانفعالات في اتجاهين عموديين في وقت واحد؛
  • شبكات قياس الانفعال (45°، 60°): للحالات التي تتضمن قوى متعددة الاتجاهات (مثل عقد الهياكل، الأجزاء المعقدة)، ويمكنها حساب انفعالات رئيسية واتجاه الإجهاد الرئيسي، وهي مناسبة لتحليل الإجهاد.
• مواصفات السلك القيادي: عادةً ما تكون المواد القيادية عبارة عن أسلاك نحاسية مطلية بالفضة. يتم اختيار الأسلاك المعزولة بـ PVC للحالات ذات درجات الحرارة العادية، والأسلاك المعزولة بـ PTFE للحالات ذات درجات الحرارة العالية. يجب أن يتطابق طول السلك مع مسافة القياس. بالنسبة للنقل على مسافات طويلة (10 أمتار)، يُطلب استخدام أسلاك ذات طبقات تدريع لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي.

الخطوة 3: التكيّف مع السيناريو وتجنب أخطاء الاختيار

اختر مقاييس الانفعال وفقًا لخصائص الحالات المختلفة التطبيق وتجنب الأخطاء الشائعة في الاختيار لضمان استقرار وموثوقية نظام القياس.

1. أمثلة على اختيار السيناريوهات النموذجية

2. الأخطاء الشائعة في الاختيار وطرق تجنبها

• الخطأ الأول: التركيز فقط على عامل المقياس وإهمال الاتساق — عند استخدام مقاييس متعددة في جسر قياس، حتى لو كان عامل المقياس لمقياس واحد يفي بالمعايير، فإن الانحرافات الكبيرة بين الدفعات (±1٪) ستؤدي إلى اختلال التوازن في الجسر وزيادة حادة في أخطاء القياس. طريقة التفادي: اطلب من الموردين تقديم تقارير اختبار عامل المقياس لمقاييس الانفعال من نفس الدفعة، والتحكم في الانحراف ضمن ±0.5٪.
• الخطأ 2: عدم التطابق بين طول الشبكة وتدرج الانفعال — استخدام مقاييس انفعال ذات شبكة طويلة في مناطق التركيز الموضعية للانفعال مثل أطراف الشقوق يؤدي إلى "تَوسيط" القيم المقاسة وعدم عكس الانفعال الحقيقي. طريقة التفادي: اختر مقاييس انفعال ذات طول شبكة ≤2 مم للمناطق ذات تدرجات الانفعال الكبيرة، و5~10 مم للمناطق ذات الانفعال المنتظم.
• الخطأ 3: تجاهل المطابقة بين تعويض درجة الحرارة ومادة المكون — استخدام مقاييس انفعال مُعَوَّضة للصلب على مكونات من الألومنيوم سيؤدي إلى أخطاء حرارية كبيرة بسبب اختلاف معاملات التمدد الحراري. طريقة التفادي: اختر مقاييس انفعال ذاتية التعويض من الأنواع المُعَوَّضة المناسبة وفقًا لمادة المكون (الصلب، الألومنيوم، النحاس، إلخ).
• الخطأ 4: الاعتماد على معايير قابلة للتكيف مع البيئة بشكل غير كافٍ — اختيار أجهزة قياس الانفعال ذات الركيزة الورقية العادية في البيئات الرطبة دون معالجة إحكام الإغلاق سيؤدي إلى فشل الركيزة بسبب الرطوبة في فترة قصيرة. طريقة التفادي: اختر مواد ركيزة مناسبة وفقًا لتصنيفات البيئة (رطبة/تآكلية/عالية الحرارة)، وأضف طلاءات عازلة للماء عند الحاجة.

الخطوة 4: ملاحظات إضافية حول الاختيار العملي

• توافق الجسر: عندما تشكل أجهزة القياس دائرة جسر كاملة/نصف جسر، يجب التأكد من تطابق قيمة المقاومة ومعامل الجهاز والخصائص الحرارية لأجهزة قياس الانفعال. يُوصى باختيارها من نفس الدفعة لتقليل أخطاء الجسر.
• متطلبات المعايرة: بالنسبة لأجهزة قياس الانفعال المستخدمة في التسويات التجارية (مثل خلايا القوة) أو القياسات الدقيقة، يجب اختيار علامات تجارية يمكن تتبعها لضمان حصول المنتجات على شهادة قياسية، مما يسهل معايرة النظام لاحقًا.
• مطابقة عملية التركيب: بالنسبة للمكونات المنحنية، قم بتأكيد أداء قياس الانفعال لمقياس الانفعال مسبقًا (نصف قطر الانحناء لمقياس الانفعال ≤ نصف قطر انحناء المكون). بالنسبة لمقاييس الانفعال القابلة للحام، قم بمطابقة معدات اللحام والعملية المناسبة.
• دعم المورد: يُفضل إعطاء الأولوية للموردين الذين يوفرون دعمًا فنيًا. أبلغهم بمواد المكون، وحالة القوة، والمعطيات البيئية للحصول على توصيات اختيار أكثر دقة وتجنب العشوائية في الاختيار المستقل.

ملخص: المنطق الأساسي لاختيار مقاومة مقياس الانفعال

جوهر اختيار مقاومة كاشف الانفعال هو حلقة مغلقة من "تحليل المتطلبات → مطابقة المعلمات → التحقق من السيناريو": أولاً قم بتحليل المتطلبات الأساسية الأربعة وهي "مدى الانفعال، الدقة، البيئة، والتركيب"، ثم قم بمطابقة معلمات رئيسية مثل الشبكة الحساسة، الركيزة، وتعويض درجة الحرارة بشكل مستهدف، وأخيرًا تحقق من سلامة الاختيار من خلال أمثلة على السيناريوهات وتجنب الأخطاء.

إذا كنت لا تزال غير متأكد بشأن الاختيار، فيمكنك تزويد المورد بالمعلومات التالية: ① مادة المكون ونوع القوة (أحادي المحور/ثنائي الاتجاه)؛ ② القيمة القصوى للانفعال ومتطلبات الدقة؛ ③ درجة حرارة التشغيل والبيئة المتوسطة؛ ④ المساحة والمُثبّت. يمكن للمورد حينها تحديد النموذج المناسب بسرعة.