Ellenállásos rugalmaszalagok kiválasztási módszere

Az ellenállásos rugalmas elemek (röviden: rugalmas elemek) olyan alapvető érzékelőkomponensek, amelyek a szerkezeti elemek mechanikai alakváltozását ellenállásváltozássá alakítják, és széles körben használják terhelésmérő cellákban, erőérzékelőkben, szerkezeti állapotfigyelésben, repülő- és űrtechnikai tesztelési területeken. Kiválasztásuk közvetlenül meghatározza a mérőrendszer pontosságát, stabilitását és élettartamát. Az alapelve a „kétirányú illeszkedés a rugalmassági jellemzők és az üzemeltetési környezet között” – elkerülve a fölösleges paraméterek okozta költségnövekedést, valamint megelőzve a mérési hibákat a hiányos teljesítmény miatt. Alább egy teljes folyamatot bemutató kiválasztási módszert ismertetünk, mely technikai paramétereket, környezeti alkalmazkodást és gyakorlati szempontokat kombinál a pontos választás segítésére.

1. lépés: A fő mérési igények és alkalmazási területek tisztázása (a kiválasztás előfeltétele)

A kiválasztás előtt meg kell határozni, hogy „milyen alakváltozást mérjünk, milyen környezetben mérjünk, és hogyan szereljünk fel”, amely a későbbi paraméterek kiválasztásának alapját képezi, és elkerüli a magas teljesítményű paraméterek vakon való követését.

1. A fő mérési követelmények meghatározása

• Alakváltozás típusa és tartománya: Tisztázni kell a mérendő alkatrész alakváltozásának jellegét (például statikus alakváltozás, mint a szerkezeti önsúly okozta deformáció, dinamikus alakváltozás, mint a mechanikai rezgések okozta alakváltozás) és a maximális alakváltozás értékét, valamint 1,2–1,5-szörös biztonsági tartalékot kell hagyni. Például: ha a tényleges maximális alakváltozás 1000με, akkor 1200–1500με méréshatárú alakváltozás-érzékelőt kell választani; dinamikus alakváltozás esetén (például ütőterhelés) ajánlott 1,5–2-szeres biztonsági tényezőt meghagyni, hogy elkerüljük a háló sérülését a pillanatnyi túlterhelés miatt.
• Pontossági követelmény: Kvalitatív felügyeletre (például szerkezeti repedések korai figyelmeztetése), kvantitatív elemzésre (például szenzor kalibrálása) vagy precíziós mérésre (például laboratóriumi feszültségvizsgálat) van szükség? Például a terhelésmérő cellákhoz használt alakváltozási mérőknek ±0,1%-os érzékenységi hibahatáron belül kell lenniük, a szerkezeti állapotfelügyeletnél a hiba ≤±0,5% lehet, míg a laboratóriumi precíziós mérések esetén ≤±0,05% szükséges.
• Erő iránya: Az alkatrész egyirányú erőhatásnak (például konzolgerenda hajlítása), kétirányú erőhatásnak (például mechanikai alkatrészek síkbeli feszültségi állapotban) vagy többirányú erőhatásnak (például összetett szerkezeti csomópontok) van kitéve? Egyirányú erőhatás esetén egytengelyű alakváltozási mérőket, két- vagy többirányú erőhatás esetén két- (derékszögű, alakváltozási rojtos) vagy többtengelyű alakváltozási mérőket válasszon.
• Mérési frekvencia: Dinamikus mérés esetén tisztázni kell a deformációs jel frekvenciatartományát. A deformációmérő bélyeg válaszfrekvenciájának ≥3-szorosa kell legyen a mért jel frekvenciájának (a jel torzulásának elkerülése érdekében). Például: 50 Hz-es rezgési feszültség méréséhez olyan deformációmérő bélyeget kell választani, amelynek válaszfrekvenciája ≥150 Hz.

2. Felszerelés és szerkezeti feltételek

• Alkatrész felületi jellemzői: Az alkatrész felülete sík, ívelt (milyen görbületi sugár) vagy speciális alakú? A hajlékony deformációmérő bélyegek (például fólia típusúak) ívelt alkatrészekhez alkalmasak, kis görbületi sugarú felületekhez (≤10 mm) rövid rácsos hosszúságú bélyegek szükségesek; durva felületekhez erős hordozóanyag- tapadású típusok ajánlottak.
• Telepítési hely: Miniaturizált alakváltozásmérők (rács hossz ≤2 mm) szükségesek a komponensek keskeny területein (például precíziós alkatrészek letörései), míg nagyméretű alkatrészeknél az alakváltozás egyenletességétől függően közepes vagy hosszú rácsú alakváltozásmérők választhatók.
• Telepítési módszer: Szobahőmérsékleten történő ragasztásos telepítésről, magas hőmérsékletű hegesztéses telepítésről vagy ideiglenes felragasztásról van szó? Magas hőmérsékletű körülmények között hegeszthető alakváltozásmérőkre van szükség, míg ideiglenes monitorozáshoz mágneses rögzítésű alakváltozásmérők használhatók.

3. Környezeti üzemeltetési feltételek

• Hőmérséklet-tartomány: Tisztázni kell a munkakörnyezet normál hőmérsékletét (-20 ℃ ~ 60 ℃), közepes hőmérsékletét (60 ℃ ~ 200 ℃), magas hőmérsékletét (200 ℃ ~ 1000 ℃) vagy alacsony hőmérsékletét (< -20 ℃). Az alakváltozásmérő hőmérséklet-kompenzációs tartományának teljes mértékben le kell fednie a tényleges hőmérsékletet, hogy elkerülje a hőmérsékleti driftből eredő pontosságvesztést.
• Közepes környezet: Van páratartalom (például víz alatt, nedves műhelyek), korrózió (például sav-bázis gázok, olajszennyeződés vegyipari műhelyekben), por vagy erős sugárzás? Nedves környezet esetén vízálló rugalmas elemek szükségesek, korrózióálló anyagok (például nikkel-krom alapú rácsok, poliimid hordozók) szükségesek korróziós környezet esetén, valamint tömítőkezelés kombinálása.
• Zavaró tényezők: Van erős elektromágneses zavar (például motorok közelében, nagyfeszültségű berendezések mellett) vagy rezgésbecsapódás? Erős zavarhatású környezetben árnyékolt rétegű rugalmas elemek szükségesek, rezgés- és ütésveszély esetén pedig olyan típusok, amelyeknél a hordozó és a ragasztók jó szívóssággal rendelkeznek.

2. lépés: A fő technikai paraméterek kiválasztása (pontos igényekhez igazítás)

Az igények tisztázása után a figyelem a rugalmas elem fő technikai paramétereire irányuljon, amely ez a kiválasztás központi eleme, és közvetlenül meghatározza a mérési teljesítményt.

1. Az érzékeny háló alapvető paraméterei (a mérési teljesítmény meghatározása)

• Ellenállásérték: A szabványos ellenállásérték a deformációmérő bélyegeknél 120 Ω (a legtöbb deformációmérő bélyeggel kompatibilis, a legszélesebb körben alkalmazható), de léteznek más típusok is, például 350 Ω és 1000 Ω. A magas ellenállású deformációmérő bélyegek alacsony fogyasztású rendszerekhez alkalmasak, az ipari alkalmazásokban pedig a 120 Ω-os deformációmérő bélyegek rendelkeznek a legjobb ár-érték aránnyal. A kiválasztáskor ügyelni kell arra, hogy a deformációmérő bélyeg ellenállásértéke egyezzen a mérőbélyeg bemeneti ellenállásával (eltérés ≤±5%), hogy elkerüljék a jelcsillapodást.
• Érzékenységi tényező: A deformáció és az ellenállás-változás közötti arányos kapcsolatot jelzi (általános érték 2,0±0,02), amely a deformációs érték kiszámításának kulcsparamétere. Kiválasztáskor elsőbbséget kell adni azon kötéseknek, amelyek rendelkeznek jó érzékenységi tényező-konzisztenciával (tételnél eltérés ≤±1%), különösen akkor, ha több kötést használnak hídkapcsolásban (például egy terhelésmérő cella teljes hídkapcsolása), mivel a rossz konzisztencia növekedett mérési hibákhoz vezethet.
• Rács hossza és szélessége: A rács hossza határozza meg a kötés „átlagolt mérési tartományát”. Kis rács-hossz (0,2–2 mm) alkalmas lokális deformáció mérésére (pl. repedéscsúcsoknál), közepes rács-hossz (3–10 mm) alkalmas hagyományos alkatrészekhez, nagy rács-hossz (10–100 mm) pedig nagyméretű alkatrészekhez, kis deformációgradiensek esetén. A rács szélességének illeszkednie kell az alkatrész erőirányához: keskeny rács szélesség egyirányú erőhatásnál, széles rács szélesség vagy deformációs rosetta szerkezet pedig kétirányú erőhatásnál.
• Érzékeny rácsanyag:
  • Réz-nikkel ötvözet (Constantan): Előnyben részesített normál hőmérsékletű körülményekhez (-20℃~150℃), kis hőmérsékleti együtthatóval és jó stabilitással, alkalmas terhelésérzékelőkhöz és szerkezeti felügyelethez;
  • Nikkel-króm ötvözet (Karma): Közepes és magas hőmérsékletű körülményekhez (-50℃~400℃), magas érzékenységű, alkalmas motorok és magas hőmérsékletű csővezetékek felügyeletéhez;
  • Platina-irídium ötvözet: Magas hőmérsékletű körülményekhez (400℃~1000℃), kiváló korrózióállósággal, alkalmas repülési-űrtechnikai és fémipari berendezésekhez;
  • Félvezető anyagok: Rendkívül magas érzékenységűek (50–100-szorosa a fémekének), de rossz hőmérsékleti stabilitásúak, alkalmasak laboratóriumi precíziós mérésekhez.

2. Hordozó és ragasztó paraméterei (meghatározzák a környezeti alkalmazkodóképességet)

• Hordozóanyag:
  • Papír hordozó: Alacsony költségű, könnyen felhelyezhető, normál hőmérsékletű és száraz környezetekhez (≤60℃), például ideiglenes építőipari berendezések felügyeletéhez;
  • Fenolgyanta alapanyag: 120 ℃ hőállóság, jó olajállóság, alkalmas hagyományos ipari gépészeti alkalmazásokhoz;
  • Polimida alapanyag: 250 ℃ hőállóság, korrózió- és vízállóság, alkalmas vegyipari, nedves és közepes-magas hőmérsékletű környezetekhez;
  • Kerámia alapanyag: 1000 ℃ feletti hőállóság, alkalmas extrém környezetekhez, például magas hőmérsékletű kemencékhez és repülőgépmotorokhoz.
• Ragasztó típusa: Illeszkednie kell az alapanyaghoz és a működési hőmérséklethez. Normál hőmérsékletű körülményekhez cianokrilát alapú (gyorsan száradó) ragasztók, közepes hőmérsékletűhöz epoxigyanta alapú (150 ℃-ig hőálló), magas hőmérsékletűhöz pedig szervetlen ragasztók (500 ℃ feletti hőállóság) használandók. A ragasztó nyírószilárdsága ≥2 MPa legyen, hogy elkerülhető legyen a deformációmérő leválása.

3. Hőmérséklet-kiegyenlítési paraméterek (a mérési stabilitás meghatározása)

• Hőmérséklet-kiegyenlítési módszer:
  • Önkompensáló alakváltozásmérő érzékelők: A fogékony rácsanyagok kiválasztásával az érzékelő hőtágulása kompenzálja a hőmérséklet okozta ellenállásváltozást, így alkalmas egyetlen anyagú alkatrészekhez (például acél, alumínium), könnyű a felszerelés és ipari alkalmazásokban előnyben részesített;
  • Kompenzáló érzékelők kompenzálása: Ugyanolyan típusú alakváltozásmérő érzékelőket ragasztanak a munkaérzékelőkre azonos, de nem terhelt alkatrészekre, és a hőmérsékleti hibákat áramkörök segítségével kompenzálják, alkalmas összetett hőmérsékleti terekre vagy többanyagú alkatrészekre.
• Hőmérséklet-kompenzációs tartomány: Le kell fednie a tényleges működési hőmérséklet-tartományt. Példa: Egy -10 ℃-tól 80 ℃-ig terjedő műhelykörnyezetben olyan alakváltozásmérő érzékelőt kell választani, amelynek kompenzációs tartománya -20 ℃-tól 100 ℃-ig terjed, hogy hőmérsékleti tartalék maradjon.

4. Szerkezet és vezetékparaméterek (a felszerelést és jelátvitelt határozzák meg)

• Alakváltozásmérő érzékelő szerkezete:
  • Egytengelyű alakváltozási érzékelők: Egyszerű felépítésűek és alacsony költségűek, egyirányú erőhatások esetén használhatók (például konzolos tartók, húzórudak);
  • Kéttengelyű alakváltozási érzékelők (derékszögű érzékelők): Kétirányú erőhatásokra alkalmasak (például síkbeli feszültségű alkatrészek), egyszerre mérhetik a deformációkat két egymásra merőleges irányban;
  • Alakváltozási rózsák (45°, 60°): Többirányú erőhatásokhoz (például szerkezeti csomópontok, összetett alkatrészek), lehetővé teszik a fődeformáció és a főfeszültség irányának meghatározását, feszültséganalízishez alkalmasak.
• Vezetékjellemzők: A vezetékek anyaga általában ezüstözött réz. Normál hőmérsékletű környezetben PVC-szigetelésű vezetékeket, magas hőmérsékletű környezetben PTFE-szigetelésű vezetékeket alkalmaznak. A vezeték hosszának illeszkednie kell a mérési távolsághoz. Hosszabb távvezetékek esetén (>10 m) árnyékolt vezetékeket kell használni az elektromágneses zavarok elkerülése érdekében.

3. lépés: Alkalmazási területre való adaptálás és a választási hibák elkerülése

Válassza ki az alakváltozási mérőellenállásokat a különböző alkalmazási területek jellemzői alapján, és kerülje el a gyakori választási hibákat, hogy biztosítsa a mérőrendszer stabilitását és megbízhatóságát.

1. Tipikus példák a helyzetekre

2. Gyakori kiválasztási hibák és elkerülésük módszerei

• Hiba 1: Csak a bélyegfaktorra figyelni, figyelmen kívül hagyva az egységességet – amikor több mérőbélyeget használnak hídkapcsolásban, akkor is, ha egyetlen mérőbélyeg bélyegfaktora megfelel a szabványnak, nagy tételnagyság esetén fellépő eltérések (>±1%) hídbalanszhiányt okoznak, és élesen megnövelik a mérési hibákat. Elkerülés: Követeljük meg a beszállítóktól, hogy ugyanabból a tételből származó mérőbélyegek bélyegfaktor-tesztjének jelentését adják meg, és tartsák az eltérést ±0,5% -on belül.
• Hiba 2: A rács hossza és a feszültséggradiens közötti nem megfelelő illesztés – nagy rács-hosszúságú alakváltozásmérőket használni helyi alakváltozás-koncentrációs területeken, például repedéscsúcsoknál, a mért értékek "átlagolódásához" vezet, és nem tükrözi a tényleges alakváltozást. Elkerülés: Válasszon ≤2 mm-es rács hosszúságú alakváltozásmérőket nagy feszültséggradienst tartalmazó területeken, és 5–10 mm-eseket az egyenletes alakváltozású területeken.
• Hiba 3: A hőmérséklet-kiegyenlítés és az alkatrész anyaga közötti illesztés figyelmen kívül hagyása – acélkiegyenlítésű alakváltozásmérők alkalmazása alumínium alkatrészeknél komoly hőmérsékleti hibákat okozhat a hőtágulási együtthatók különbsége miatt. Elkerülés: Válasszon önkompensáló alakváltozásmérőket a megfelelő kompenzációs típussal az alkatrész anyagának megfelelően (acél, alumínium, réz stb.).
• Hiba 4: „Kibékülni” a környezeti alkalmazkodási paraméterekkel – nedves környezetben szokványos papír alapanyagú alakváltozásmérő ellenállások kiválasztása, zárókezelés nélkül, rövid időn belül az alapanyag meghibásodását okozza a nedvesség hatására. Elkerülés: Válassza ki a megfelelő alapanyagot a környezeti osztályok (nedves/korróziós/forró) szerint, és szükség esetén vízhatlan tömítőréteget alkalmazzon.

4. lépés: További megjegyzések a gyakorlati kiválasztáshoz

• Híd kompatibilitás: Amikor több érzékelő alkot teljes hídkör vagy félhídkör kapcsolást, ügyeljen arra, hogy az alakváltozásmérő ellenállások ellenállásértéke, érzékenységi tényezője és hőmérsékleti jellemzői azonosak legyenek. Ajánlott ugyanabból a tételből választani a hibrid hibák csökkentése érdekében.
• Kalibrálási követelmények: Olyan alakváltozásmérő ellenállások esetében, amelyek kereskedelmi elszámoláshoz (pl. súlycellák) vagy precíziós mérésekhez használatosak, nyomkövethető márkákat célszerű választani, biztosítva, hogy a termékek rendelkezzenek metrológiai tanúsítvánnyal, ami megkönnyíti a későbbi rendszerkalibrációt.
• A felszerelési folyamat illesztése: Görbült alkatrészek esetén előzetesen ellenőrizze a deformációmérő szalag hajlítási teljesítményét (hajlítható görbületi sugár ≤ az alkatrész görbületi sugarához). Hegeszthető deformációmérő szalagok esetén illessze össze a megfelelő hegesztőberendezést és eljárást.
• Beszállítói támogatás: Elsősorban olyan beszállítókat válasszon, amelyek technikai támogatást nyújtanak. Tájékoztassa őket az alkatrész anyagáról, terhelési körülményekről és környezeti paraméterekről, hogy pontosabb kiválasztási javaslatokat kapjon, és elkerülje az önálló, vak választásból fakadó hibákat.

Összegzés: Az ellenállásos deformációmérő szalagok kiválasztásának alapvető logikája

A nyúlásmérő ellenállás-kiválasztás lényege egy zárt kör: „követelmények dekomponálása → paraméterek illesztése → alkalmazási forgatókönyv ellenőrzése”: először dekomponáljuk a „nyúlás-tartomány, pontosság, környezet és szerelés” négy alapkövetelményét, majd célzottan illesztjük a mérőrácshálót, hordozóréteget és hőmérséklet-kiegyenlítést érintő kulcsparamétereket, végül pedig helyszíni példák és hibakerülés segítségével ellenőrizzük a kiválasztás helyességét.

Ha továbbra sem biztos a kiválasztásban, megadhatja a beszállítónak a következő információkat: ① Alkatrész anyaga és terhelés típusa (egytengelyű/kétirányú); ② Maximális nyúlásérték és pontossági igény; ③ Üzemi hőmérséklet és közegkörnyezet; ④ Szerelési hely és módszer. A beszállító így gyorsan be tudja azonosítani a megfelelő típust.