Metode Pemilihan Pengukur Regangan Resistansi

Hambatan gauge regangan (disebut sebagai strain gauge) adalah komponen sensitif inti yang mengubah regangan mekanis dari elemen struktural menjadi perubahan hambatan, banyak digunakan dalam sel beban , sensor gaya, pemantauan kesehatan struktur, pengujian dirgantara, dan bidang lainnya. Pemilihannya secara langsung menentukan ketepatan, kestabilan, serta umur pakai sistem pengukuran. Logika utamanya adalah "kesesuaian dua arah antara karakteristik regangan dan lingkungan operasi"—menghindari pemborosan biaya akibat redundansi parameter dan mencegah kegagalan pengukuran karena kinerja yang tidak memadai. Berikut ini adalah metode pemilihan menyeluruh, yang menggabungkan parameter teknis, adaptasi lingkungan, dan poin-poin penting praktis untuk membantu pemilihan secara tepat.

Langkah 1: Menentukan Kebutuhan Pengukuran Utama dan Skenario Aplikasi (Prasyarat Pemilihan)

Sebelum pemilihan, perlu mendefinisikan "jenis regangan yang diukur, lingkungan pengukuran, dan cara pemasangan", yang menjadi dasar pemilihan parameter selanjutnya serta menghindari pengejaran buta terhadap parameter kinerja tinggi.

1. Definisi Kebutuhan Pengukuran Inti

• Jenis dan rentang regangan: Jelaskan sifat regangan komponen yang diukur (regangan statis seperti deformasi akibat beban mati struktural, regangan dinamis seperti regangan getaran mekanis) dan nilai regangan maksimum, serta sediakan margin keamanan 1,2~1,5 kali. Contoh: Jika regangan maksimum aktual adalah 1000με, sebaiknya dipilih strain gauge dengan rentang 1200~1500με; untuk regangan dinamis (seperti beban benturan), disarankan menyediakan faktor keamanan 1,5~2 kali guna menghindari kerusakan pada kisi sensitif akibat beban lebih sesaat.
• Persyaratan akurasi: Apakah kebutuhannya adalah pemantauan kualitatif (seperti peringatan dini retakan struktural), analisis kuantitatif (seperti kalibrasi sensor), atau pengukuran presisi (seperti pengujian tegangan laboratorium)? Contoh: Pengukur regangan untuk load cell harus memenuhi kesalahan sensitivitas ±0,1%, pemantauan kesehatan struktur dapat memiliki kesalahan ≤±0,5%, dan pengukuran presisi laboratorium memerlukan kesalahan ≤±0,05%.
• Arah gaya: Apakah komponen mengalami gaya satu arah (seperti lenturan balok kantilever), gaya dua arah (seperti komponen mekanis dalam kondisi tegangan bidang), atau gaya multi arah (seperti node struktur kompleks)? Pilih pengukur regangan uniaxial untuk gaya satu arah, dan pengukur regangan biaxial (sudut siku-siku, rosette regangan) atau multi-axial untuk gaya dua arah/multi arah.
• Frekuensi pengukuran: Untuk pengukuran dinamis, rentang frekuensi sinyal regangan harus diklarifikasi. Frekuensi respons dari alat ukur regangan harus ≥3 kali frekuensi sinyal yang diukur (untuk menghindari distorsi sinyal). Contoh: Untuk mengukur regangan getaran 50Hz, alat ukur regangan dengan frekuensi respons ≥150Hz harus dipilih.

2. Pemasangan dan Kondisi Struktural

• Karakteristik permukaan komponen: Apakah permukaan komponen datar, melengkung (berapa radius kelengkungannya), atau berbentuk khusus? Alat ukur regangan fleksibel (seperti tipe foil) cocok untuk komponen melengkung, dan alat ukur regangan dengan panjang kisi pendek diperlukan untuk radius kelengkungan kecil (≤10mm); tipe dengan daya rekat substrat kuat cocok untuk permukaan kasar.
• Ruang pemasangan: Diperlukan strain gauge miniaturisasi (panjang kisi ≤2mm) untuk area sempit komponen (seperti chamfer pada bagian presisi), dan strain gauge dengan panjang kisi sedang hingga panjang dapat dipilih untuk komponen berukuran besar sesuai keseragaman regangan.
• Metode pemasangan: Apakah pemasangan pengeleman suhu ruang, pemasangan pengelasan suhu tinggi, atau penempelan sementara? Strain gauge yang dapat dilas diperlukan untuk skenario suhu tinggi, dan strain gauge tipe hisap magnetik dapat digunakan untuk pemantauan sementara.

3. Kondisi Kerja Lingkungan

• Rentang suhu: Jelaskan rentang suhu normal (-20℃~60℃), suhu sedang (60℃~200℃), suhu tinggi (200℃~1000℃), atau suhu rendah (＜-20℃) dari lingkungan kerja. Rentang kompensasi suhu strain gauge harus sepenuhnya mencakup suhu aktual agar terhindar dari dampak ketidakakuratan akibat pergeseran suhu.
• Lingkungan sedang: Apakah ada kelembapan (seperti di bawah air, bengkel lembap), korosi (seperti gas asam-basa, polusi minyak di bengkel kimia), debu, atau radiasi kuat? Diperlukan strain gauge tahan air untuk lingkungan lembap, bahan tahan korosi (seperti kisi paduan nikel-kromium, substrat poliimida) diperlukan untuk lingkungan korosif, dikombinasikan dengan perlakuan penyegelan.
• Faktor gangguan: Apakah ada interferensi elektromagnetik kuat (seperti dekat motor, peralatan tegangan tinggi) atau dampak getaran? Diperlukan strain gauge dengan lapisan pelindung untuk skenario interferensi kuat, dan jenis dengan ketangguhan substrat serta perekat yang baik diperlukan untuk skenario dampak getaran.

Langkah 2: Pemilihan Parameter Teknis Inti (Sesuaikan Secara Tepat dengan Kebutuhan)

Setelah kebutuhan diklarifikasi, fokuslah pada parameter teknis inti dari strain gauge, yang merupakan tahap utama dalam pemilihan dan secara langsung menentukan kinerja pengukuran.

1. Parameter Inti dari Kisi Sensitif (Menentukan Kinerja Pengukuran Dasar)

• Nilai resistansi: Nilai resistansi konvensional pada strain gauge adalah 120Ω (kompatibel dengan kebanyakan strain gauge, dengan versatilitas tertinggi), serta tersedia juga spesifikasi seperti 350Ω dan 1000Ω. Strain gauge berhambatan tinggi cocok untuk sistem dengan konsumsi daya rendah, sedangkan strain gauge 120Ω memiliki efisiensi biaya tertinggi dalam skenario industri. Saat pemilihan, pastikan nilai resistansi strain gauge sesuai dengan resistansi masukan perangkat pengukur regangan (deviasi ≤±5%) untuk menghindari redaman sinyal.
• Faktor pengukur: Menunjukkan hubungan proporsional antara regangan dan perubahan hambatan (nilai konvensional 2,0±0,02), yang merupakan parameter utama dalam menghitung nilai regangan. Saat pemilihan, berikan prioritas pada extensiometer dengan konsistensi faktor pengukur yang baik (penyimpangan batch ≤±1%), terutama ketika digunakan beberapa extensiometer dalam satu jembatan (seperti rangkaian jembatan penuh pada sel beban), konsistensi yang buruk akan menyebabkan peningkatan kesalahan pengukuran.
• Panjang kisi dan lebar kisi: Panjang kisi menentukan "rentang pengukuran rata-rata" dari extensiometer. Panjang kisi kecil (0,2~2 mm) cocok untuk mengukur regangan lokal (seperti ujung retakan), panjang kisi sedang (3~10 mm) cocok untuk komponen konvensional, dan panjang kisi besar (10~100 mm) cocok untuk komponen berukuran besar dengan gradien regangan kecil. Lebar kisi harus sesuai dengan arah gaya pada komponen: lebar kisi sempit untuk gaya searah, dan lebar kisi lebar atau struktur roset ekstensiometer untuk gaya dua arah.
• Bahan grid sensitif:
  • Paduan tembaga-nikel (Constantan): Dipilih untuk skenario suhu normal (-20℃~150℃), dengan koefisien suhu kecil dan stabilitas baik, cocok untuk sel beban dan pemantauan struktural;
  • Paduan nikel-kromium (Karma): Untuk skenario suhu sedang dan tinggi (-50℃~400℃), dengan sensitivitas tinggi, cocok untuk pemantauan mesin dan saluran bertemperatur tinggi;
  • Paduan platinum-iridium: Untuk skenario suhu tinggi (400℃~1000℃), dengan ketahanan korosi yang kuat, cocok untuk peralatan dirgantara dan metalurgi;
  • Bahan semikonduktor: Sensitivitas sangat tinggi (50~100 kali lipat dibanding logam), tetapi stabilitas suhu buruk, cocok untuk pengukuran presisi laboratorium.

2. Parameter Substrat dan Perekat (Menentukan Kemampuan Adaptasi Lingkungan)

• Bahan substrat:
  • Substrat kertas: Biaya rendah, mudah ditempelkan, cocok untuk lingkungan suhu normal dan kering (≤60℃), seperti pemantauan sementara peralatan sipil;
  • Substrat resin fenolik: Tahan suhu hingga 120℃, ketahanan minyak yang baik, cocok untuk skenario mesin industri konvensional;
  • Substrat polimida: Tahan suhu hingga 250℃, tahan korosi dan air, cocok untuk skenario kimia, lembap, serta suhu sedang hingga tinggi;
  • Substrat keramik: Tahan suhu di atas 1000℃, cocok untuk lingkungan ekstrem seperti tungku suhu tinggi dan mesin pesawat terbang.
• Jenis perekat: Harus sesuai dengan bahan substrat dan suhu kerja. Perekat berbasis sianokrilat (cepat kering) dipilih untuk skenario suhu normal, perekat berbasis resin epoksi (tahan suhu 150℃) untuk skenario suhu sedang, dan perekat anorganik (tahan suhu di atas 500℃) untuk skenario suhu tinggi. Kekuatan geser perekat harus ≥2MPa untuk mencegah lepasnya strain gauge.

3. Parameter Kompensasi Suhu (Menentukan Stabilitas Pengukuran)

• Metode kompensasi suhu:
  • Gauge regangan kompensasi-diri: Dengan memilih bahan kisi sensitif, perubahan resistansi yang disebabkan oleh suhu dikompensasi oleh ekspansi termal komponen, cocok untuk komponen bahan tunggal (seperti baja, aluminium), mudah dipasang, dan menjadi pilihan utama untuk skenario industri;
  • Kompensasi dengan gauge pembanding: Gauge regangan tambahan dengan model yang sama seperti gauge kerja ditempelkan pada komponen identik yang tidak mengalami tegangan, dan kesalahan suhu dikompensasi melalui rangkaian, cocok untuk medan suhu kompleks atau komponen multi-material.
• Rentang kompensasi suhu: Harus mencakup rentang suhu kerja aktual. Contoh: Pada lingkungan bengkel -10℃~80℃, sebaiknya dipilih gauge regangan dengan rentang kompensasi -20℃~100℃ untuk memberikan cadangan suhu.

4. Struktur dan Parameter Kabel (Menentukan Pemasangan dan Transmisi Sinyal)

• Struktur gauge regangan
  • Gauge regangan uniaxial: Untuk skenario gaya satu arah (seperti balok kantilever, batang pengikat), struktur sederhana dan biaya rendah;
  • Gauge regangan biaxial (gauge regangan sudut siku): Untuk skenario gaya dua arah (seperti komponen tegangan bidang), dapat mengukur regangan dalam dua arah vertikal secara bersamaan;
  • Roset regangan (45°, 60°): Untuk skenario gaya multi-arah (seperti simpul struktural, bagian kompleks), dapat menghitung regangan utama dan arah tegangan utama, cocok untuk analisis tegangan.
• Spesifikasi kabel penghubung: Bahan kabel biasanya berupa kawat tembaga berlapis perak. Kabel berinsulasi PVC dipilih untuk kondisi suhu normal, dan kabel berinsulasi PTFE untuk kondisi suhu tinggi. Panjang kabel harus sesuai dengan jarak pengukuran. Untuk transmisi jarak jauh (10 m), diperlukan kabel dengan lapisan pelindung untuk menghindari gangguan elektromagnetik.

Langkah 3: Adaptasi Skenario dan Pencegahan Kesalahan Pemilihan

Pilih roset pengukur regangan sesuai karakteristik yang berbeda aplikasi kondisi, dan hindari kesalahan umum dalam pemilihan untuk memastikan stabilitas dan keandalan sistem pengukuran.

1. Contoh Pemilihan Skenario Khas

2. Kesalahan Pemilihan Umum dan Metode Pencegahannya

• Kesalahan 1: Hanya fokus pada faktor pengukur dan mengabaikan konsistensi—saat beberapa pengukur digunakan dalam satu jembatan, meskipun faktor pengukur dari satu pengukur memenuhi standar, deviasi besar dalam satu lot (±1%) akan menyebabkan ketidakseimbangan jembatan dan secara tajam meningkatkan kesalahan pengukuran. Pencegahan: Minta pemasok menyediakan laporan uji faktor pengukur untuk pengukur regangan dari lot yang sama, dan kendalikan deviasi dalam kisaran ±0,5%.
• Kesalahan 2: Ketidaksesuaian antara panjang kisi dan gradien regangan—memilih pengukur regangan dengan panjang kisi besar di area konsentrasi regangan lokal seperti ujung retakan akan menyebabkan "rata-rata" nilai terukur dan gagal mencerminkan regangan sebenarnya. Pencegahan: Pilih panjang kisi ≤2 mm untuk area dengan gradien regangan besar, dan 5~10 mm untuk area dengan regangan seragam.
• Kesalahan 3: Mengabaikan kesesuaian antara kompensasi suhu dan material komponen—menggunakan pengukur regangan yang dikompensasi untuk baja pada komponen aluminium akan menyebabkan kesalahan suhu yang serius karena perbedaan koefisien ekspansi termal. Pencegahan: Pilih pengukur regangan dengan kompensasi sendiri sesuai jenis kompensasi yang sesuai berdasarkan material komponen (baja, aluminium, tembaga, dll.).
• Kesalahan 4: "Menggunakan apa adanya" parameter kemampuan adaptasi lingkungan—memilih strain gauge berbahan dasar kertas biasa dalam lingkungan lembap tanpa perlakuan penyegelan akan menyebabkan kegagalan substrat akibat kelembapan dalam waktu singkat. Pencegahan: Pilih bahan substrat yang sesuai menurut tingkat lingkungan (lembap/korosif/suhu tinggi), dan tambahkan lapisan pelindung tahan air jika diperlukan.

Langkah 4: Catatan Tambahan untuk Pemilihan Praktis

• Kompatibilitas jembatan: Saat beberapa gauge membentuk rangkaian jembatan penuh/jembatan setengah, pastikan nilai resistansi, faktor gauge, dan karakteristik suhu dari strain gauge tersebut konsisten. Disarankan memilih dari batch yang sama untuk mengurangi kesalahan jembatan.
• Persyaratan kalibrasi: Untuk strain gauge yang digunakan dalam penyelesaian perdagangan (seperti load cell) atau pengukuran presisi, pilih merek yang dapat dilacak untuk memastikan produk telah lulus sertifikasi metrologi, sehingga memudahkan kalibrasi sistem selanjutnya.
• Pencocokan proses pemasangan: Untuk komponen lengkung, konfirmasikan terlebih dahulu kinerja lentur dari strain gauge (jari-jari kelengkungan yang dapat ditekuk ≤ jari-jari kelengkungan komponen). Untuk strain gauge yang dapat dilas, sesuaikan peralatan dan proses pengelasan yang sesuai.
• Dukungan pemasok: Utamakan pemasok yang menyediakan dukungan teknis. Beri tahu mereka mengenai material komponen, kondisi gaya, dan parameter lingkungan untuk mendapatkan rekomendasi pemilihan yang lebih akurat serta menghindari pemilihan mandiri yang bersifat sembarangan.

Ringkasan: Logika Inti Pemilihan Strain Gauge Resistansi

Inti dari pemilihan strain gauge resistansi adalah lingkaran tertutup "dekomposisi kebutuhan → pencocokan parameter → verifikasi skenario": pertama-tama dekomposisi empat kebutuhan utama "rentang regangan, akurasi, lingkungan, dan pemasangan", kemudian mencocokkan secara tepat parameter kunci seperti elemen sensitif, substrat, dan kompensasi suhu, serta akhirnya memverifikasi kewajaran pemilihan melalui contoh skenario dan pencegahan kesalahan.

Jika Anda masih ragu mengenai pemilihannya, Anda dapat memberikan informasi berikut kepada pemasok: ① Material komponen dan jenis gaya (uniaxial/bidireksional); ② Nilai regangan maksimum dan persyaratan akurasi; ③ Suhu kerja dan lingkungan medium; ④ Ruang dan metode pemasangan. Pemasok dapat dengan cepat menentukan model yang sesuai.