روش انتخاب گیج‌های مقاومتی کرنشی

گیج‌های مقاومتی کرنش (که به طور خلاصه گیج کرنش نامیده می‌شوند) اجزای حساس اصلی هستند که کرنش مکانیکی اعضای سازه‌ای را به تغییرات مقاومت الکتریکی تبدیل می‌کنند و به‌طور گسترده در سنسورهای وزن، سنسورهای نیرو، نظارت بر سلامت سازه‌ها، آزمون‌های هوافضا و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شوند. انتخاب این گیج‌ها مستقیماً دقت، پایداری و عمر سرویس سیستم اندازه‌گیری را تعیین می‌کند. منطق اصلی «تطبیق دوطرفه ویژگی‌های کرنشی و محیط کاری» است — چنانچه پارامترها بیش از حد باشند، از هدررفت هزینه جلوگیری شود و در صورت ناکافی بودن عملکرد، از شکست اندازه‌گیری پیشگیری گردد. در ادامه یک روش انتخاب تمام‌فرایندی ارائه شده است که با ترکیب پارامترهای فنی، سازگاری با محیط و نکات عملی مهم، به انتخاب دقیق کمک می‌کند.

مرحله ۱: مشخص کردن الزامات اصلی اندازه‌گیری و سناریوهای کاربردی (پیش‌نیاز انتخاب)

قبل از انتخاب، لازم است «نوع کرنشی که باید اندازه‌گیری شود، شرایط محیطی که اندازه‌گیری در آن انجام می‌شود و نحوه نصب آن» مشخص شود؛ زیرا این موارد پایه‌ای برای انتخاب پارامترهای بعدی هستند و از دنبال کردن بی‌هدف پارامترهای پرکارایی جلوگیری می‌کنند.

1. تعریف نیازمندی‌های اصلی اندازه‌گیری

• نوع و محدوده کرنش: نوع کرنش قطعه مورد اندازه‌گیری (مانند کرنش‌های استاتیک ناشی از تغییر شکل وزن سازه یا کرنش‌های دینامیک ناشی از ارتعاش مکانیکی) و بیشترین مقدار کرنش باید مشخص شوند و حاشیه ایمنی 1.2 تا 1.5 برابر در نظر گرفته شود. به عنوان مثال: اگر بیشترین کرنش واقعی 1000με باشد، باید از گیج کرنشی با محدوده 1200 تا 1500με استفاده شود؛ برای کرنش‌های دینامیک (مانند بار ضربه‌ای)، توصیه می‌شود ضریب ایمنی 1.5 تا 2 برابر در نظر گرفته شود تا از آسیب رسیدن شبکه حساس به دلیل بارگذاری لحظه‌ای جلوگیری شود.
• نیازمندی دقت: آیا نظارت کیفی مورد نیاز است (مانند هشدار اولیه ترک سازه‌ها)، تحلیل کمّی (مانند کالیبراسیون سنسور) یا اندازه‌گیری دقیق (مانند آزمون تنش آزمایشگاهی)؟ به عنوان مثال: کرنش‌سنج‌های مربوط به سلول‌های بار باید خطای حساسیت ±0.1% را تحمل کنند، نظارت بر سلامت سازه می‌تواند خطایی تا ≤±0.5% داشته باشد و اندازه‌گیری دقیق آزمایشگاهی نیازمند خطای ≤±0.05% است.
• جهت نیرو: آیا قطعه تحت نیروی یک‌طرفه (مانند خمش تیر کنسولی)، نیروی دوطرفه (مانند قطعات مکانیکی در حالت تنش صفحه‌ای) یا نیروی چند جهته (مانند گره‌های سازه‌های پیچیده) قرار دارد؟ برای نیروی یک‌طرفه از کرنش‌سنج تک محوره و برای نیروی دوطرفه/چندجهته از کرنش‌سنج دو محوره (زاویه قائمه، روزت کرنشی) یا چندمحوره استفاده کنید.
• فرکانس اندازه‌گیری: برای اندازه‌گیری پویا، باید محدوده فرکانسی سیگنال کرنش مشخص شود. فرکانس پاسخ گیج کرنش باید حداقل 3 برابر فرکانس سیگنال اندازه‌گیری شده باشد (جهت جلوگیری از اعوجاج سیگنال). مثال: برای اندازه‌گیری کرنش ناشی از ارتعاش 50 هرتزی، باید از گیج کرنش با فرکانس پاسخ ≥150 هرتز استفاده شود.

2. نصب و شرایط ساختاری

• ویژگی‌های سطح قطعه: آیا سطح قطعه صاف، منحنی (شعاع انحنای آن چقدر است) یا دارای شکل خاصی است؟ گیج‌های کرنش انعطاف‌پذیر (مانند نوع فویلی) برای قطعات منحنی مناسب هستند و برای شعاع انحنای کم (≤10 میلی‌متر) از گیج کرنش با طول شبکه کوتاه استفاده می‌شود؛ انواعی که چسبندگی قوی‌تری با زیرلایه دارند، برای سطوح زبر مناسب هستند.
• فضای نصب: برای مناطق باریک قطعات (مانند فیله‌های قطعات دقیق)، استرین گیج‌های مینیاتوری (طول شبکه ≤2 میلی‌متر) مورد نیاز است و برای قطعات بزرگ‌تر می‌توان استرین گیج‌های با طول شبکه متوسط یا بلند انتخاب کرد که بستگی به یکنواختی کرنش دارد.
• روش نصب: آیا نصب شامل چسباندن در دمای محیط، نصب جوشکاری در دمای بالا یا چسباندن موقت است؟ در شرایط دمای بالا، از استرین گیج‌های قابل جوشکاری استفاده می‌شود و برای پایش موقت می‌توان از استرین گیج‌های مغناطیسی استفاده کرد.

3. شرایط کاری محیطی

• محدوده دما: محدوده دمایی عادی (-20℃ تا 60℃)، دمای متوسط (60℃ تا 200℃)، دمای بالا (200℃ تا 1000℃) یا دمای پایین (کمتر از -20℃) محیط کار باید مشخص شود. محدوده جبران دمایی استرین گیج باید به‌طور کامل محدوده دمای واقعی را پوشش دهد تا از خطاهای ناشی از انحراف دمایی جلوگیری شود.
• محیط متوسط: آیا رطوبت وجود دارد (مانند زیر آب، کارگاه‌های مرطوب)، خوردگی (مانند گازهای اسیدی-قاعدی، آلودگی روغن در کارگاه‌های شیمیایی)، گردوغبار یا تابش شدید؟ برای محیط‌های مرطوب نیاز به گیج کرنش آب‌بندی شده است، برای محیط‌های خورنده به مواد مقاوم در برابر خوردگی (مانند شبکه‌های آلیاژ نیکل-کروم، بستر پلی‌ایمید) نیاز است و باید همراه با عملیات آب‌بندی باشد.
• عوامل تداخل: آیا تداخل الکترومغناطیسی شدید (مانند نزدیکی به موتورها، تجهیزات فشارقوی) یا ضربه وارونه و ارتعاش وجود دارد؟ در شرایط تداخل شدید به گیج‌های کرنشی با لایه محافظ نیاز است و در شرایط ضربه و ارتعاش به انواعی با زیرلایه و چسب‌های مقاوم و انعطاف‌پذیر نیاز است.

مرحله 2: انتخاب پارامترهای فنی اصلی (تطبیق دقیق با نیازها)

پس از مشخص شدن نیازها، بر پارامترهای فنی اصلی گیج کرنش تمرکز کنید، که هسته اصلی فرآیند انتخاب است و مستقیماً عملکرد اندازه‌گیری را تعیین می‌کند.

1. پارامترهای اصلی شبکه حساس (تعیین عملکرد پایه‌ای اندازه‌گیری)

• مقدار مقاومت: مقدار مقاومت متداول در گیج‌های کرنش، 120Ω است (سازگار با بیشتر گیج‌های کرنش و دارای همه‌کاره‌ترین کاربرد)، همچنین مشخصات دیگری مانند 350Ω و 1000Ω نیز وجود دارند. گیج‌های کرنش با مقاومت بالا برای سیستم‌های کم‌مصرف مناسب هستند و گیج‌های کرنش 120Ω در سناریوهای صنعتی بالاترین ارزش اقتصادی را دارند. هنگام انتخاب، اطمینان حاصل کنید که مقدار مقاومت گیج کرنش با مقاومت ورودی مدار گیج کرنش مطابقت داشته باشد (انحراف ≤±5%) تا از تضعیف سیگنال جلوگیری شود.
• فاکتور گیج: نشان‌دهنده رابطه تناسبی بین کرنش و تغییر مقاومت است (مقدار متعارف 2.0±0.02)، که پارامتری کلیدی در محاسبه مقدار کرنش محسوب می‌شود. هنگام انتخاب، باید اولویت با گیج‌های کرنشی با سازگاری خوب فاکتور گیج (انحراف دسته‌ای ≤±1%) باشد؛ به‌ویژه زمانی که از چندین گیج در یک پل استفاده می‌شود (مانند مدار پل کامل سلول بار)، عدم سازگاری منجر به افزایش خطاهای اندازه‌گیری خواهد شد.
• طول شبکه و عرض شبکه: طول شبکه، «دامنه میانگین‌گیری اندازه‌گیری» گیج کرنش را تعیین می‌کند. طول شبکه کوچک (0.2 تا 2 میلی‌متر) برای اندازه‌گیری کرنش محلی (مانند نوک ترک‌ها) مناسب است، طول شبکه متوسط (3 تا 10 میلی‌متر) برای قطعات متداول مناسب است و طول شبکه بزرگ (10 تا 100 میلی‌متر) برای قطعات بزرگ با گرادیان کرنش کم مناسب است. عرض شبکه باید با جهت نیروی واردشده به قطعه هماهنگ باشد: عرض کم برای نیروی تک‌جهته و عرض زیاد یا ساختار روزت کرنشی برای نیروی دوطرفه.
• ماده شبکه حساس:
  • آلیاژ مس-نیکل (کانتانتان): ترجیح داده شده برای شرایط دمای معمولی (-20℃ تا 150℃)، با ضریب دمای کم و پایداری خوب، مناسب سلول‌های بار و نظارت ساختاری؛
  • آلیاژ نیکل-کروم (کارما): برای شرایط دمای متوسط تا بالا (-50℃ تا 400℃)، با حساسیت بالا، مناسب نظارت بر موتور و خطوط لوله دمای بالا؛
  • آلیاژ پلاتین-ایریدیوم: برای شرایط دمای بالا (400℃ تا 1000℃)، با مقاومت قوی در برابر خوردگی، مناسب تجهیزات هوافضا و متالورژی؛
  • مواد نیمهرسانا: حساسیت بسیار بالا (50 تا 100 برابر فلزات)، اما پایداری دمایی ضعیف، مناسب اندازه‌گیری دقیق آزمایشگاهی.

2. پارامترهای زیرلایه و چسب (تعیین‌کننده سازگاری با محیط)

• ماده زیرلایه:
  • زیرلایه کاغذی: هزینه پایین، راحت برای چسباندن، مناسب محیط‌های معمولی و خشک (≤60℃)، مانند نظارت موقت تجهیزات عمرانی؛
  • زیرلایه رزین فنولیک: مقاومت دمایی 120 درجه سانتی‌گراد، مقاومت خوب در برابر روغن، مناسب برای سناریوهای ماشین‌آلات صنعتی معمولی؛
  • زیرلایه پلی‌ایمید: مقاومت دمایی 250 درجه سانتی‌گراد، مقاوم در برابر خوردگی و آب، مناسب برای سناریوهای شیمیایی، مرطوب و دمای متوسط تا بالا؛
  • زیرلایه سرامیکی: مقاومت دمایی بالاتر از 1000 درجه سانتی‌گراد، مناسب برای محیط‌های شدید مانند کوره‌های دمای بالا و موتورهای هوایی.
• نوع چسب: باید با ماده زیرلایه و دمای کاری سازگار باشد. در سناریوهای دمای معمولی از چسب‌های سیانوآکریلاتی (خشک‌شونده سریع)، در سناریوهای دمای متوسط از چسب‌های اپوکسی (مقاومت دمایی 150 درجه سانتی‌گراد) و در سناریوهای دمای بالا از چسب‌های معدنی (مقاومت دمایی بالاتر از 500 درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شود. استحکام برشی چسب باید ≥2 مگاپاسکال باشد تا از جدا شدن گیج کرنش جلوگیری شود.

3. پارامترهای جبران دما (تعیین پایداری اندازه‌گیری)

• روش جبران دما:
  • گیج‌های کرنش خودجبران‌کننده: با انتخاب مواد شبکه حساس، تغییر مقاومت ناشی از دما توسط انبساط حرارتی قطعه جبران می‌شود، مناسب برای قطعات تک‌ماده (مانند فولاد و آلومینیوم)، نصب آسان و ترجیح داده‌شده در سناریوهای صنعتی؛
  • جبران‌سازی با گیج مرجع: گیج‌های کرنش اضافی از همان مدل گیج‌های کاری بر روی قطعات مشابه بدون تنش چسبانده می‌شوند و خطاهای دمایی از طریق مدارها جبران می‌گردند، مناسب برای میدان‌های دمایی پیچیده یا قطعات چندماده‌ای.
• محدوده جبران دمایی: باید محدوده دمایی واقعی کار را پوشش دهد. مثال: در محیط کارگاهی با دمای -10℃ تا 80℃، باید گیج کرنشی با محدوده جبران دمایی -20℃ تا 100℃ انتخاب شود تا ذخیره دمایی لازم فراهم شود.

4. ساختار و پارامترهای سیم‌های رابط (تعیین‌کننده نصب و انتقال سیگنال)

• ساختار گیج کرنش
  • گیج‌های کرنش تک‌محوره: برای سناریوهای نیروی یک‌طرفه (مانند تیرهای دوسرگیردار، میله‌های کششی)، ساختار ساده و هزینه پایین؛
  • گیج‌های کرنش دو محوره (گیج‌های زاویه‌ی قائمه): برای سناریوهای نیروی دوطرفه (مانند قطعات تنش صفحه‌ای)، قادر به اندازه‌گیری کرنش در دو جهت عمودی به‌صورت همزمان؛
  • روزت‌های کرنشی (45°، 60°): برای سناریوهای نیروی چند جهته (مانند گره‌های سازه‌ای، قطعات پیچیده)، قادر به محاسبه کرنش اصلی و جهت تنش اصلی، مناسب برای تحلیل تنش.
• مشخصات سیم رابط: مواد سیم معمولاً سیم‌های مسی با روکش نقره‌ای هستند. در شرایط دمای معمولی از سیم‌های عایق‌بندی‌شده با PVC استفاده می‌شود و در شرایط دمای بالا از سیم‌های عایق‌بندی‌شده با PTFE. طول سیم باید متناسب با فاصله اندازه‌گیری باشد. برای انتقال از راه دور (>10 متر)، استفاده از سیم‌های دارای لایه محافظ برای جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی الزامی است.

مرحله 3: تطبیق با سناریو و اجتناب از اشتباهات انتخاب

سنسورهای کرنش را بر اساس ویژگی‌های سناریوهای مختلف کاربردی انتخاب کنید و از خطاهای رایج در انتخاب اجتناب نمایید تا پایداری و قابلیت اطمینان سیستم اندازه‌گیری تضمین شود.

1. نمونه‌های انتخابی از سناریوهای типیک

2. اشتباهات متداول در انتخاب و روش‌های جلوگیری از آنها

• اشتباه 1: تمرکز فقط بر عامل گیج و نادیده گرفتن سازگاری — هنگامی که از چندین گیج در یک پل استفاده می‌شود، حتی اگر عامل گیج یک گیج منفرد استاندارد را برآورده کند، انحراف‌های زیاد در سری تولید (>±1%) باعث عدم تعادل پل و افزایش شدید خطاهای اندازه‌گیری می‌شود. راهکار جلوگیری: از تأمین‌کنندگان درخواست گزارش آزمون عامل گیج برای گیج‌های کرنش از یک سری تولید کنید و انحراف را در محدوده ±0.5% کنترل کنید.
• اشتباه 2: عدم تطابق بین طول شبکه و گرادیان کرنش — انتخاب کرنش‌سنج‌های با طول شبکه بلند در مناطق محلی تمرکز کرنش مانند نوک ترک، منجر به «میانگین‌گیری» مقادیر اندازه‌گیری شده و عدم بازتاب کرنش واقعی می‌شود. راه پیشگیری: برای مناطق با گرادیان کرنش بالا طول شبکه ≤2 میلی‌متر و برای مناطق با کرنش یکنواخت طول شبکه 5 تا 10 میلی‌متر را انتخاب کنید.
• اشتباه 3: نادیده گرفتن تطابق بین جبران دما و ماده قطعه — استفاده از کرنش‌سنج‌های جبران‌شده برای فولاد روی قطعات آلومینیومی به دلیل تفاوت ضرایب انبساط حرارتی، خطاهای دمایی شدیدی ایجاد می‌کند. راه پیشگیری: کرنش‌سنج‌های خودجبران با نوع جبران مناسب را بر اساس ماده قطعه (فولاد، آلومینیوم، مس و غیره) انتخاب کنید.
• اشتباه 4: «سرجاش گذاشتن» با پارامترهای سازگاری محیطی — استفاده از کرنش‌سنج‌های معمولی با بستر کاغذی در محیط‌های مرطوب بدون عملیات آب‌بندی، منجر به خرابی بستر به دلیل رطوبت در مدت کوتاهی خواهد شد. راهکار جلوگیری: بسته به نوع محیط (مرطوب/خورنده/دمای بالا)، بسترهای مناسب را انتخاب کنید و در صورت نیاز از پوشش‌های آب‌بندی استفاده نمایید.

مرحله 4: نکات اضافی برای انتخاب عملی

• سازگاری پل: هنگامی که چندین کرنش‌سنج تشکیل‌دهنده مدار پل کامل یا نیم‌پل هستند، باید مقاومت الکتریکی، ضریب کرنش و ویژگی‌های دمایی کرنش‌سنج‌ها یکسان باشد. توصیه می‌شود که کرنش‌سنج‌ها از یک دسته (باتچ) مشابه انتخاب شوند تا خطاهای پل کاهش یابد.
• الزامات کالیبراسیون: برای کرنش‌سنج‌هایی که در معاملات تجاری (مانند سلول‌های بار) یا اندازه‌گیری‌های دقیق استفاده می‌شوند، برندهای قابل ردیابی را انتخاب کنید تا اطمینان حاصل شود که محصولات دارای گواهی مترولوژیکی هستند و کالیبراسیون سیستم در مرحله بعدی تسهیل شود.
• تطابق فرآیند نصب: برای قطعات منحنی، عملکرد خم شدن گیج کرنش را از پیش تأیید کنید (شعاع انحنای قابل خم شدن ≤ شعاع انحنای قطعه). برای گیج‌های کرنش جوش‌پذیر، تجهیزات و فرآیند جوش مربوطه را تطبیق دهید.
• پشتیبانی از تأمین‌کننده: تأمین‌کنندگانی را که پشتیبانی فنی ارائه می‌دهند، در اولویت قرار دهید. آن‌ها را از جنس قطعه، شرایط نیرو و پارامترهای محیطی مطلع کنید تا توصیه‌های دقیق‌تری برای انتخاب دریافت کنید و از انتخاب تصادفی مستقل جلوگیری شود.

خلاصه: منطق اصلی انتخاب گیج کرنش مقاومتی

جوهر انتخاب گیج کرنش مقاومتی، یک حلقه بسته از «تجزیه نیازمندی‌ها → تطبیق پارامترها → تأیید سناریو» است: ابتدا چهار الزام اصلی «محدوده کرنش، دقت، محیط و نصب» را تجزیه کنید، سپس به‌صورت هدفمند پارامترهای کلیدی مانند شبکه حساس، بستر و جبران‌سازی دمایی را تطبیق دهید و در نهایت از طریق مثال‌های عملیاتی و پرهیز از خطا، صحت انتخاب را تأیید کنید.

اگر هنوز در مورد انتخاب مطمئن نیستید، می‌توانید اطلاعات زیر را به تأمین‌کننده ارائه دهید: ① جنس قطعه و نوع نیرو (تک‌محوری/دوطرفه); ② حداکثر مقدار کرنش و الزام دقت؛ ③ دمای کاری و محیط سیال؛ ④ فضای نصب و روش آن. تأمین‌کننده می‌تواند به سرعت مدل مناسب را مشخص کند.