Metoda výběru odporových tenzometrů

Odporové tenzometry (dále jen tenzometry) jsou klíčové citlivé komponenty, které převádějí mechanickou deformaci konstrukčních prvků na změnu odporu. Jsou široce používány u snímačů zatížení, siloměrných čidel, monitorování stavu konstrukcí, testování v leteckém a kosmickém průmyslu a dalších oblastech. Jejich výběr přímo určuje přesnost, stabilitu a životnost měřicího systému. Základní princip je „obousměrné přizpůsobení deformačních charakteristik a provozního prostředí“ – zabrání tak nadměrným nákladům způsobeným redundancí parametrů a zároveň zamezuje selhání měření kvůli nedostatečným výkonnostním parametrům. Níže je uvedena kompletní metodika výběru, která kombinuje technické parametry, přizpůsobení prostředí a praktické aspekty pro účely přesné volby.

Krok 1: Ujasnění základních požadavků na měření a aplikačních scénářů (předpoklad pro výběr)

Před výběrem je nutné definovat „jaké deformace měřit, za jakého prostředí měřit a jak instalovat“, což je základem pro následný výběr parametrů a umožňuje vyhnout se slepému usilování o vysoké výkonnostní parametry.

1. Definice základních požadavků na měření

• Typ a rozsah deformace: Ujasněte si charakter deformace měřené součásti (statická deformace, jako např. deformace způsobená vlastní tíhou konstrukce, dynamická deformace, jako např. deformace při mechanickém kmitání) a maximální hodnotu deformace, přičemž doporučuje rezervovat bezpečnostní rozpětí 1,2–1,5násobek. Příklad: Pokud je skutečná maximální deformace 1000 με, měl by být vybrán tenzometr s rozsahem 1200–1500 με; u dynamických deformací (např. při rázovém zatížení) se doporučuje bezpečnostní faktor 1,5–2násobek, aby nedošlo k poškození citlivé mřížky kvůli okamžitému přetížení.
• Požadavek na přesnost: Jde o kvalitativní monitorování (např. rané varování před trhlinami v konstrukcích), kvantitativní analýzu (např. kalibraci senzorů) nebo přesné měření (např. laboratorní zkoušky zatížení)? Příklad: Tenzometry pro snímače zatížení musí splňovat chybu citlivosti ±0,1 %, u monitorování stavu konstrukce může být chyba ≤±0,5 % a u laboratorního přesného měření se vyžaduje ≤±0,05 %.
• Směr síly: Je součástka vystavena jednosměrné síle (např. ohyb konzolového nosníku), obousměrné síle (např. mechanické díly ve stavu rovinného napětí) nebo vícesměrné síle (např. složité uzly konstrukce)? Pro jednosměrnou sílu vyberte jednoosé tenzometry a pro obousměrnou/víceosou sílu použijte dvouosé (pravoúhlé, tenzometrické růžice) nebo víceosé tenzometry.
• Měřicí frekvence: U dynamického měření musí být upřesněn frekvenční rozsah signálu deformace. Odezvová frekvence tenzometru musí být ≥3 násobek měřené frekvence signálu (aby nedošlo ke zkreslení signálu). Příklad: Pro měření deformačního kmitání 50 Hz je třeba vybrat tenzometr s odezvovou frekvencí ≥150 Hz.

2. Montáž a konstrukční podmínky

• Vlastnosti povrchu součásti: Je povrch součásti rovný, zakřivený (jaký je poloměr křivosti) nebo má speciální tvar? Pružné tenzometry (např. fóliové) jsou vhodné pro zakřivené součásti, u malých poloměrů křivosti (≤10 mm) jsou zapotřebí tenzometry s krátkou mřížkou; typy s vysokou adhezí nosného materiálu jsou vhodné pro drsné povrchy.
• Instalační prostor: Pro úzké oblasti komponentů (například zkosení přesných dílů) jsou vyžadovány miniaturizované tenzometry (délka mřížky ≤2 mm), zatímco pro velké komponenty lze vybrat tenzometry se střední nebo dlouhou délkou mřížky podle rovnoměrnosti deformace.
• Způsob instalace: Jedná se o lepení za pokojové teploty, instalaci svařováním za vysoké teploty nebo dočasné nalepení? Pro aplikace za vysokých teplot jsou vyžadovány svařitelné tenzometry a pro dočasné monitorování lze použít tenzometry s magnetickým uchycením.

3. Provozní podmínky prostředí

• Rozsah teplot: Uveďte rozsah pracovního prostředí – normální teplota (-20 ℃ až 60 ℃), střední teplota (60 ℃ až 200 ℃), vysoká teplota (200 ℃ až 1000 ℃) nebo nízká teplota (< -20 ℃). Teplotní kompenzační rozsah tenzometru musí plně pokrývat skutečnou teplotu, aby nedošlo k negativnímu vlivu teplotního driftu na přesnost.
• Střední prostředí: Je přítomna vlhkost (např. pod vodou, vlhké dílny), koroze (např. kyselé nebo zásadité plyny, znečištění olejem v chemických dílnách), prach nebo silné záření? Pro vlhká prostředí jsou vyžadovány vodotěsné tenzometry, pro koroze odolná prostředí jsou potřeba materiály odolné proti korozi (např. slitiny niklu a chromu, polyimidové podložky), doplněné o utěsnění.
• Rušivé faktory: Je přítomno silné elektromagnetické rušení (např. v blízkosti motorů, vysokonapěťových zařízení) nebo vibrace a rázy? Pro prostředí s výrazným rušením jsou vyžadovány tenzometry se stíněním, pro prostředí s vibracemi a rázy jsou potřebné typy s podložkami a lepidly dobře odolnými proti mechanickému namáhání.

Krok 2: Výběr základních technických parametrů (přesné přizpůsobení požadavkům)

Po objasnění požadavků se zaměřte na základní technické parametry tenzometru, což je klíčová fáze výběru a přímo určuje výkon měření.

1. Základní parametry měřicí mřížky (určují základní výkon měření)

• Hodnota odporu: Běžná hodnota odporu tenzometrů je 120 Ω (kompatibilní s většinou tenzometrů, největší univerzálnost), existují však i specifikace jako 350 Ω a 1000 Ω. Tenké vrstvy s vysokým odporem jsou vhodné pro systémy s nízkou spotřebou energie a tenzometry 120 Ω nabízejí nejvyšší cenovou efektivitu v průmyslových aplikacích. Při výběru zajistěte, aby hodnota odporu tenzometru odpovídala vstupnímu odporu měřicího zařízení (odchylka ≤ ±5 %), aby nedošlo k útlumu signálu.
• Měřicí faktor: Udává poměrový vztah mezi deformací a změnou odporu (běžná hodnota 2,0 ± 0,02), což je klíčový parametr pro výpočet hodnoty deformace. Při výběru je třeba upřednostňovat tenzometry s dobrou konzistencí měřicího faktoru (odchylka v dávce ≤ ±1 %); zejména při použití více tenzometrů v můstku (např. celočlánkový obvod snímače zatížení) povede špatná konzistence ke zvýšeným chybám měření.
• Délka a šířka mřížky: Délka mřížky určuje „průměrný rozsah měření“ tenzometru. Malá délka mřížky (0,2–2 mm) je vhodná pro měření lokální deformace (např. vrcholy trhlin), střední délka mřížky (3–10 mm) je vhodná pro běžné součásti a velká délka mřížky (10–100 mm) je vhodná pro velké součásti s malými gradienty deformace. Šířka mřížky musí odpovídat směru působící síly na součásti: úzká šířka mřížky pro jednosměrnou sílu a široká šířka mřížky nebo struktura tenzometrické růžice pro dvousměrnou sílu.
• Citlivý mřížkový materiál:
  • Měděno-niklová slitina (konstantan): Preferovaná pro běžné teplotní podmínky (-20 ℃ až 150 ℃), s malým teplotním koeficientem a dobrou stabilitou, vhodná pro siloměrné články a monitorování konstrukcí;
  • Niklochromová slitina (Karma): Pro střední a vysoké teploty (-50 ℃ až 400 ℃), s vysokou citlivostí, vhodná pro monitorování motorů a horkých potrubí;
  • Platino-iridiová slitina: Pro vysoké teploty (400 ℃ až 1000 ℃), s vysokou odolností proti korozi, vhodná pro letecký a kosmický průmysl a metalurgická zařízení;
  • Polovodičové materiály: Extrémně vysoká citlivost (50 až 100násobek oproti kovům), ale špatná teplotní stabilita, vhodné pro přesná laboratorní měření.

2. Parametry nosného substrátu a lepidla (určují přizpůsobivost prostředí)

• Materiál substrátu:
  • Papírový substrát: Nízká cena, snadné nalepení, vhodný pro běžné teploty a suchá prostředí (≤60 ℃), např. dočasné monitorování stavebních zařízení;
  • Fenolická pryskyřice jako nosný materiál: odolnost proti teplotě 120 ℃, dobrá odolnost proti olejům, vhodná pro běžné průmyslové strojní aplikace;
  • Polyimidový nosný materiál: odolnost proti teplotě 250 ℃, odolnost vůči korozi a vodě, vhodný pro chemické, vlhké a středně až vysoce teplotní prostředí;
  • Keramický nosný materiál: odolnost proti teplotě nad 1000 ℃, vhodný pro extrémní prostředí, jako jsou vysokoteplotní peci a letecké motory.
• Typ lepidla: musí odpovídat materiálu nosné vrstvy a provozní teplotě. Pro běžné teploty se používají lepidla na bázi kyanakrylátu (rychle tuhnoucí), pro střední teploty lepidla na bázi epoxidové pryskyřice (odolnost do 150 ℃) a pro vysoké teploty anorganická lepidla (odolnost nad 500 ℃). Smyková pevnost lepidla musí být ≥2 MPa, aby nedošlo k odtržení tenzometru.

3. Parametry kompenzace teploty (určují stabilitu měření)

• Způsob kompenzace teploty:
  • Samokompenzující tenzometry: Výběrem materiálů citlivé mřížky se změna odporu způsobená teplotou vyrovnává tepelnou roztažností součásti, vhodné pro jednosložkové materiály (např. ocel, hliník), snadná instalace, preferované pro průmyslové aplikace;
  • Kompenzace pomocí kompenzačních tenzometrů: Dodatečné tenzometry stejného typu jako pracovní tenzometry jsou nalepeny na nepatěžené identické součásti a teplotní chyby jsou vyrovnány prostřednictvím obvodů, vhodné pro složité teplotní pole nebo vícekomponentní součásti.
• Rozsah teplotní kompenzace: Musí pokrývat skutečný provozní teplotní rozsah. Příklad: V dílenském prostředí -10 ℃ až 80 ℃ by měl být vybrán tenzometr s kompenzačním rozsahem -20 ℃ až 100 ℃, aby byla zajištěna teplotní rezerva.

4. Konstrukce a parametry přívodních vodičů (určují instalaci a přenos signálu)

• Konstrukce tenzometru:
  • Jednoosé tenzometry: Pro jednosměrné síly (např. konzoly, táhla), jednoduchá konstrukce a nízká cena;
  • Dvouosé tenzometry (tenzometry s pravým úhlem): Pro dvousměrné síly (např. díly v rovinném napětí), umožňují současné měření deformací ve dvou kolmých směrech;
  • Tenzometrické růžice (45°, 60°): Pro vícesměrné zatížení (např. uzly konstrukcí, složité díly), umožňují výpočet hlavní deformace a směru hlavního napětí, vhodné pro analýzu napětí.
• Specifikace přívodních vodičů: Materiálem vodičů jsou obvykle měděné dráty s poniklováním stříbra. Pro běžné teploty se používají vodiče s PVC izolací, pro vysoké teploty vodiče s PTFE izolací. Délka přívodu musí odpovídat vzdálenosti měření. U dlouhých vedení (>10 m) jsou vyžadovány vodiče se stíněním, aby se předešlo elektromagnetickému rušení.

Krok 3: Přizpůsobení scénáři a vyhnutí se chybám při výběru

Vyberte tenzometry podle charakteristik různých aplikačních scénářů a vyhnete se běžným chybám při výběru, abyste zajistili stabilitu a spolehlivost měřicího systému.

1. Typické příklady výběru scénářů

2. Běžné chyby při výběru a metody jejich vyhnutí

• Chyba 1: Zaměření pouze na měřicí faktor a ignorování konzistence – při použití více tenzometrů v můstku může i tehdy, je-li měřicí faktor jednoho tenzometru v mezích standardu, velká odchylka dávky (>±1 %) způsobit nesrovnovážení můstku a prudce zvýšit chyby měření. Náprava: Vyžadujte od dodavatelů poskytnutí zkušebních protokolů o měřicím faktoru tenzometrů ze stejné dávky a udržujte odchylku v rozmezí ±0,5 %.
• Chyba 2: Nesoulad mezi délkou mřížky a gradientem přetvoření – použití tenzometrů s velkou délkou mřížky v oblastech lokální koncentrace přetvoření, jako jsou špičky trhlin, vede k „vyhlazení“ naměřených hodnot a neschopnosti odrážet skutečné přetvoření. Náprava: Pro oblasti s vysokým gradientem přetvoření vybírejte délku mřížky ≤2 mm a pro oblasti s rovnoměrným přetvořením 5–10 mm.
• Chyba 3: Ignorování shody mezi teplotní kompenzací a materiálem součásti – použití tenzometrů kompenzovaných pro ocel u hliníkových součástí způsobí výrazné teplotní chyby kvůli rozdílům v koeficientech tepelné roztažnosti. Náprava: Vyberte samokompenzační tenzometry odpovídajících typů kompenzace podle materiálu součásti (ocel, hliník, měď atd.).
• Chyba 4: Použití běžných tenzometrů s papírovým substrátem v prostředích s vysokou vlhkostí bez utěsnění způsobí v krátkém čase poškození substrátu vlhkostí. Náprava: Vyberte vhodné materiály substrátu podle typu prostředí (vlhké/korozivní/vysokoteplotní) a případně použijte vodotěsné utěsnění.

Krok 4: Další poznámky k praktickému výběru

• Kompatibilita můstku: Pokud více tenzometrů tvoří celý můstek/půlený můstek, ujistěte se, že hodnoty odporu, měřicího faktoru a teplotních vlastností jsou stejné. Doporučuje se výběr ze stejné výrobní série za účelem snížení chyb můstku.
• Požadavky na kalibraci: Pro tenzometry používané při obchodních transakcích (např. snímače zatížení) nebo přesném měření vybírejte značky s návazností měření, jejichž výrobky mají metrologické schválení, což usnadňuje následnou kalibraci systému.
• Přizpůsobení instalačního procesu: U zakřivených komponentů předem ověřte ohybové vlastnosti tenzometru (poloměr ohybu ≤ poloměr křivosti komponentu). U svařovatelných tenzometrů zajistěte odpovídající svařovací zařízení a technologii.
• Podpora dodavatele: Upřednostňujte dodavatele, kteří poskytují technickou podporu. Informujte je o materiálu komponentu, zatížení a provozních parametrech, abyste získali přesnější doporučení pro výběr a předešli neosvědčenému samostatnému výběru.

Shrnutí: Základní logika výběru odporového tenzometru

Podstata výběru odporového tenzometru představuje uzavřenou smyčku „rozklad požadavků → úprava parametrů → ověření scénáře“: nejprve rozložte čtyři základní požadavky „rozsah deformace, přesnost, prostředí a montáž“, poté cíleně vyberte klíčové parametry jako je citlivá mřížka, nosná destička a kompenzace teploty a nakonec ověřte správnost výběru pomocí příkladů z praxe a prevence chyb.

Pokud si stále nejste jisti výběrem, můžete dodavateli poskytnout následující informace: ① Materiál součásti a typ namáhání (osové/obousměrné); ② Maximální hodnota deformace a požadavek na přesnost; ③ Provozní teplota a prostředí; ④ Montážní prostor a způsob instalace. Dodavatel tak bude schopen rychle vybrat vhodný model.