Valgmetode for modstandsdeformationsmålere

Modstandsdeformationsmålere (forkortet deformationsmålere) er kernefølsomme komponenter, der omdanner mekanisk spænding i konstruktionsdele til ændringer i modstand. De anvendes bredt i lastceller, kraftsensorer, overvågning af strukturel sundhed, test i luft- og rumfart osv. Valget af disse påvirker direkte målesystemets nøjagtighed, stabilitet og levetid. Kerneprincippet er "tovejsmatch af deformationsegenskaber og anvendelsesmiljø" – undgåelse af unødige omkostninger forårsaget af parameterredundans og forhindre målefejl pga. utilstrækkelig ydelse. Nedenfor findes en fuld procesmetode til valg, kombineret med tekniske parametre, miljøtilpasning og praktiske nøglepunkter, som hjælper med præcist valg.

Trin 1: Afklar kernekravene til måling og anvendelsesscenarier (forudsætning for valg)

Før valg er det nødvendigt at definere "hvilken spænding der skal måles, under hvilke forhold der skal måles, og hvordan installationen skal foregå", hvilket er grundlaget for den efterfølgende parametervalg og undgår blind hængende efter højtydende parametre.

1. Definition af kerne målekrav

• Spændingstype og område: Præcisér spændingstypen for den målte komponent (statisk spænding som deformation fra konstruktionens egenvægt, dynamisk spænding som vibrationspænding fra maskiner) og den maksimale spændingsværdi, og indregner en sikkerhedsfaktor på 1,2–1,5 gange. Eksempel: Hvis den faktiske maksimale spænding er 1000 με, bør en spændingsmåler med et område på 1200–1500 με vælges; for dynamisk spænding (f.eks. stødbelastning) anbefales det at indregne en sikkerhedsfaktor på 1,5–2 gange for at undgå beskadigelse af det følsomme gitter pga. øjeblikkelig overbelastning.
• Nøjagtighedskrav: Er det kvalitativ overvågning (som strukturel revne tidlig advarsel), kvantitativ analyse (som sensor kalibrering) eller præcisionsmåling (som laboratorie spændingstest)? Eksempel: Spændingsmåleceller til belastningsceller skal opfylde en følsomhedsfejl på ±0,1 %, strukturel sundhedsovervågning kan have en fejl på ≤±0,5 %, og laboratorie præcisionsmåling kræver ≤±0,05 %.
• Kraftretning: Er komponenten udsat for enkeltretningkraft (som bjælke i udkraget bøjning), toretningkraft (som maskindelen i plan spændingstilstand) eller flerretningkraft (som komplekse strukturelle knudepunkter)? Vælg enakset spændingsmålecelle til enkeltretningkraft og toakset (retvinklet, spændingsrosen) eller flerakset spændingsmålecelle til toretning- eller flerretningkraft.
• Målefrekvens: For dynamiske målinger skal frekvensområdet for spændingssignalet afklares. Responsfrekvensen for spændingsmåleren skal være ≥3 gange den målte signalfrekvens (for at undgå signaldistortion). Eksempel: For at måle vibrationspænding på 50 Hz, bør en spændingsmåler med en responsfrekvens på ≥150 Hz vælges.

2. Installation og strukturelle forhold

• Komponentens overfladeegenskaber: Er komponentens overflade flad, buet (hvad er krumningsradius) eller af speciel form? Fleksible spændingsmålere (f.eks. folietype) egner sig til buede komponenter, og spændingsmålere med kort gitterlængde kræves ved små krumningsradier (≤10 mm); typer med stærk underlagshæftning egner sig til ru overflader.
• Installationsplads: Miniaturiserede deformationstransmittere (gitterlængde ≤2 mm) kræves til smalle områder af komponenter (såsom afrundninger på præcisionsdele), og deformationstransmittere med mellem- og lang gitterlængde kan vælges til store komponenter efter deformationsens ensartethed.
• Installationsmetode: Er det vedhæftning ved stuetemperatur, højtemperatursvejsning eller midlertidig limning? Deformationstransmittere egnet til svejsning er nødvendige i højtemperatur-scenarier, og magnetisk fastspændte deformationstransmittere kan anvendes til midlertidig overvågning.

3. Miljømæssige driftsbetingelser

• Temperaturområde: Præcisér det normale temperaturområde (-20℃~60℃), middeltemperatur (60℃~200℃), høj temperatur (200℃~1000℃) eller lav temperatur (＜-20℃). Temperaturkompensationsområdet for deformationstransmitteren skal dække det faktiske temperaturområde fuldt ud for at undgå unøjagtigheder forårsaget af temperaturdrift.
• Medium miljø: Er der fugt (som under vand, fugtige værksteder), korrosion (som syre-basisk gasser, olieforurening i kemiske værksteder), støv eller stærk stråling? Vandtætte belastningsmålere kræves i fugtige miljøer, korrosionsbestandige materialer (som nikkel-chrom legeringsgitter, polyimid substrater) kræves i korroderende miljøer, kombineret med tætningsbehandling.
• Forstyrrende faktorer: Er der stærk elektromagnetisk interferens (som nær motorer, højspændingsudstyr) eller vibrationspåvirkning? Belastningsmålere med afskærmningslag kræves i stærkt forstyrrede scenarier, og typer med god substrattoughhed og limstoffer kræves i vibrationsscenarier.

Trin 2: Valg af centrale tekniske parametre (præcist match til behov)

Når kravene er afklaret, skal fokus rettes mod de centrale tekniske parametre for belastningsmåleren, hvilket er den kernebaserede del af valget og direkte afgør målepræstationen.

1. Kerneparametre for følsomt gitter (afgør grundlæggende måleydelse)

• Modstandsværdi: Den almindelige modstandsværdi for deformationsmålegitter er 120Ω (kompatibel med de fleste deformationsmålegitter, med højest alsidighed), og der findes også specifikationer som 350Ω og 1000Ω. Højmodstandsdeformationsmålegitter er velegnede til lavtforbrugssystemer, og 120Ω-deformationsmålegitter har den højeste omkostningseffektivitet i industrielle scenarier. Under udvælgelsen skal du sikre, at deformationsmålegitterets modstandsværdi svarer til indgangsmodstanden for deformationsmålegitteret (afvigelse ≤±5 %) for at undgå signaldæmpning.
• Målefaktor: Angiver den proportionelle sammenhæng mellem deformation og ændring i modstand (konventionel værdi 2,0±0,02), hvilket er en nøgleparameter for beregning af deformationsværdi. Ved valg bør der prioriteres målestrimler med god konsistens i målefaktor (batchafvigelse ≤±1 %), især når flere strimler anvendes i en bro (såsom en fuldbrosløjfe i en belastningscelle), da dårlig konsistens vil føre til øgede målefejl.
• Gitterlængde og gitterbredde: Gitterlængde bestemmer 'middelmålingsområdet' for målestrimmelen. Små gitterlængder (0,2–2 mm) er velegnede til måling af lokal deformation (f.eks. revne spidser), mellemstore gitterlængder (3–10 mm) er velegnede til almindelige komponenter, og store gitterlængder (10–100 mm) er velegnede til store komponenter med små deformationsgradienter. Gitterbredden skal matche kraftretningen i komponenten: smal gitterbredde til enkeltrettede kræfter og bred gitterbredde eller rosettestruktur til torettede kræfter.
• Følsomt gittermateriale:
  • Kobber-nikkel-legering (Constantan): Foretrukket til normale temperaturforhold (-20℃~150℃), med lille temperaturkoefficient og god stabilitet, egnet til belastningsceller og strukturel overvågning;
  • Nikkel-chrom-legering (Karma): Til middel- og højtemperaturforhold (-50℃~400℃), med høj sensitivitet, egnet til motor- og højtemperatur rørledningsovervågning;
  • Platin-iridium-legering: Til højtemperaturforhold (400℃~1000℃), med stærk korrosionsbestandighed, egnet til rumfart og metallurgisk udstyr;
  • Halvledermaterialer: Meget høj sensitivitet (50~100 gange mere end metaller), men dårlig temperaturstabilitet, egnet til laboratoriets præcisionsmåling.

2. Parametre for underlag og lim (bestemmer miljøtilpasningsevne)

• Underlagmateriale:
  • Papirunderlag: Lav omkostning, nemt at lime, egnet til normal temperatur og tørre omgivelser (≤60℃), såsom midlertidig overvågning af civile anlæg;
  • Fenolharpmateriale: Temperaturbestandighed på 120℃, god oliebestandighed, egnet til almindelige industrielle maskinerscenarier;
  • Polyimidmateriale: Temperaturbestandighed på 250℃, korrosions- og vandbestandighed, egnet til kemiske, fugtige og medium-høje temperaturscenarier;
  • Keramikmateriale: Temperaturbestandighed over 1000℃, egnet til ekstreme miljøer såsom højtemperaturovne og flymotorer.
• Limtype: Skal svare til materialebundpladen og driftstemperaturen. Der vælges cyanoacrylatbaserede (hurtigtørrende) limmidler til normaltemperaturscenarier, epoksyharpbaserede (temperaturbestandighed på 150℃) til mediumtemperaturscenarier og uorganiske limmidler (temperaturbestandighed over 500℃) til højtemperaturscenarier. Skærefastheden for limet skal være ≥2 MPa for at undgå afbladning af målebroen.

3. Temperaturkompensationsparametre (fastlægger målenøjagtighed)

• Temperaturkompensationsmetode:
  • Selvkompenserende deformationsmåler: Ved at vælge følsomme gittermaterialer kompenseres modstandsændringen forårsaget af temperatur med deformationen fra varmeudvidelsen i komponenten, velegnet til enkeltmaterialekomponenter (f.eks. stål, aluminium), nem at montere og foretrukket til industrielle scenarier;
  • Kompensationsmålers kompensation: Yderligere deformationsmåler af samme model som arbejds-målerne påføres ubelastede identiske komponenter, og temperaturfejl kompenseres via kredsløb, velegnet til komplekse temperaturfelter eller flermaterialekomponenter.
• Temperaturkompensationsområde: Skal dække det faktiske arbejdstemperaturområde. Eksempel: I et værkstedsmiljø på -10℃~80℃ bør en deformationsmåler med et kompensationsområde på -20℃~100℃ vælges for at sikre temperaturmæssig reserve.

4. Struktur og ledningsparametre (afgør installation og signaloverførsel)

• Deformationsmåler-struktur:
  • Enaksede spændingsmålespor: Til ensrettede kraftscenarier (såsom konsolbjælker, trækstænger), enkel struktur og lav omkostning;
  • Toaksede spændingsmålespor (vinkelrette spændingsmålespor): Til torettede kraftscenarier (såsom plan spændingskomponenter), kan måle deformationer i to vinkelrette retninger samtidigt;
  • Spændingsrosetter (45°, 60°): Til multirettede kraftscenarier (såsom strukturelle knudepunkter, komplekse dele), kan beregne hoveddeformation og hovedspændingsretning, velegnet til spændingsanalyse.
• Ledningspecifikationer: Ledningsmaterialer er typisk kobbertråde med sølvbelægning. PVC-isolerede ledninger vælges til normaltemperatur-scenarier og PTFE-isolerede ledninger til højtemperaturscenarier. Ledningslængden skal svare til måleafstanden. Ved langdistanstransmission (>10 m) kræves ledninger med afskærmning for at undgå elektromagnetisk støj.

Trin 3: Scenarie-tilpasning og undgåelse af valgsfejl

Vælg deformationstransmittere ud fra karakteristika for forskellige anvendelsesscenarier og undgå almindelige valgfejl for at sikre målesystemets stabilitet og pålidelighed.

1. Typiske eksempler på scenarievalg

2. Almindelige valgfejl og undgåelsesmetoder

• Fejl 1: Fokusere udelukkende på følsomhedsfaktor og ignorere konsistens – når flere målelegemer anvendes i en bro, vil selv om følsomhedsfaktoren for et enkelt målelegeme opfylder standarden, store batchafvigelser (>±1 %) medføre ubalance i broen og skarpt øge målefejl. Undgåelse: Kræv at leverandører fremsender testrapporter for følsomhedsfaktor for målelegemer fra samme batch og hold afvigelsen under ±0,5 %.
• Fejl 2: Uoverensstemmelse mellem gitterlængde og deformationsgradient – anvendelse af målestoffer med stor gitterlængde i områder med lokal deformationsskoncentration, såsom revne spidser, vil føre til "gennemsnitlig" måling og manglende genkendelse af den reelle deformation. Undgåelse: Vælg gitterlængde ≤2 mm for områder med store deformationsgradienter og 5-10 mm for områder med ensartet deformation.
• Fejl 3: Ignorering af matchning mellem temperaturkompensation og komponentmateriale – brug af målestoffer med stål-kompensation til aluminiumskomponenter vil forårsage alvorlige temperaturfejl på grund af forskelle i varmeudvidelseskoefficienter. Undgåelse: Vælg selvkompenserende målestoffer med tilsvarende kompensationstyper i henhold til komponentmaterialet (stål, aluminium, kobber osv.).
• Fejl 4: At „klare sig“ med miljømæssige tilpasningsparametre – valg af almindelige papirbaserede tyktstensmålere i fugtige omgivelser uden forsegling vil føre til, at basismaterialet svigter på grund af fugt inden for kort tid. Undgåelse: Vælg passende basismaterialer i henhold til miljøklasser (fugtig/korrosiv/høj temperatur) og tilføj vandtætte forseglingsbelægninger, hvis nødvendigt.

Trin 4: Yderligere bemærkninger til praktisk valg

• Bro-kompatibilitet: Når flere målere danner en fuld- eller halvbro-kreds, skal resistansværdi, målefaktor og temperaturkarakteristikker for tyktstensmålerne være ens. Det anbefales at vælge fra samme batch for at reducere brofejl.
• Kalibreringskrav: For tyktstensmålere, der anvendes ved handelssettlement (f.eks. belastningsceller) eller præcisionsmåling, skal sporbare mærker vælges for at sikre, at produkterne har gennemgået metrologisk certificering, hvilket letter efterfølgende systemkalibrering.
• Afvikling af installationsproces: For buede komponenter skal du forud bekræfte deformationsevnen for målebroen (bendbar krumningsradius ≤ komponentets krumningsradius). For svejsbare målebroer skal du anvende den tilhørende svejseudstyr og -proces.
• Leverandørstøtte: Giv fortrinsretning til leverandører, der yder teknisk support. Informér dem om komponentmaterialet, kraftforhold og miljøparametre for at modtage mere præcise anbefalinger ved valg og undgå blindgyder ved selvstændigt valg.

Opsummering: Kernelogik i valg af resistensmålebro

Essensen i valget af modstandsdeformationsmåler er en lukket kreds af »kravdekomponering → parameterafstemning → scenarieverifikation«: Først dekomponeres de fire kernekrav om »deformationsområde, nøjagtighed, miljø og montering«, derefter afstemmes nøgleparametre såsom følsomt gitter, bærestof og temperaturkompensation målrettet, og til sidst verificeres valgets rigtighed gennem scenarieeksempler og fejlundgåelse.

Hvis du stadig er i tvivl om valget, kan du give leverandøren følgende oplysninger: ① Komponentmateriale og krafttype (enkeltakse/tobidirektionel); ② Maksimal deformationsværdi og krav til nøjagtighed; ③ Driftstemperatur og miljømedium; ④ Installationsplads og -metode. Leverandøren kan derved hurtigt identificere den passende model.