Metodo di Selezione delle Celle a Strain Gauge a Resistenza

Gli estensimetri a resistenza (detti comunemente estensimetri) sono componenti sensibili fondamentali che convertono la deformazione meccanica di elementi strutturali in variazioni di resistenza, ampiamente utilizzati in celle di carico, sensori di forza, monitoraggio della salute strutturale, test aerospaziali e altri settori. La loro scelta determina direttamente l'accuratezza, la stabilità e la durata del sistema di misurazione. La logica fondamentale è la "corrispondenza bidirezionale tra caratteristiche di deformazione e ambiente operativo"—evitando sprechi di costo causati da parametri ridondanti e prevenendo malfunzionamenti di misurazione dovuti a prestazioni insufficienti. Di seguito viene illustrato un metodo completo di selezione, che combina parametri tecnici, adattamento ambientale e punti chiave pratici per supportare una selezione precisa.

Passaggio 1: Definire i Requisiti Fondamentali di Misurazione e gli Scenari di Applicazione (Prerequisito per la Selezione)

Prima della selezione, è necessario definire "quale deformazione misurare, in quale ambiente misurare e come installare", che costituisce la base per la successiva selezione dei parametri ed evita la ricerca cieca di parametri ad alte prestazioni.

1. Definizione dei requisiti fondamentali di misurazione

• Tipo e portata della deformazione: chiarire la natura della deformazione del componente da misurare (deformazione statica, come la deformazione dovuta al peso strutturale, o deformazione dinamica, come la deformazione causata dalle vibrazioni meccaniche) e il valore massimo della deformazione, prevedendo un margine di sicurezza compreso tra 1,2 e 1,5 volte. Esempio: se la deformazione massima effettiva è di 1000με, si dovrebbe selezionare un estensimetro con un campo di misura compreso tra 1200 e 1500με; per le deformazioni dinamiche (ad esempio carichi d'urto), si raccomanda di prevedere un fattore di sicurezza compreso tra 1,5 e 2 volte per evitare danni alla griglia sensibile causati da sovraccarichi istantanei.
• Requisito di accuratezza: Si tratta di un monitoraggio qualitativo (ad esempio avviso precoce di fessurazioni strutturali), di un'analisi quantitativa (ad esempio calibrazione del sensore) o di una misurazione di precisione (ad esempio test di resistenza in laboratorio)? Ad esempio: gli estensimetri per celle di carico devono rispettare un errore di sensibilità dello ±0,1%, il monitoraggio dello stato di salute strutturale può avere un errore ≤±0,5%, mentre la misurazione di precisione in laboratorio richiede un errore ≤±0,05%.
• Direzione della forza: Il componente è soggetto a forze unidirezionali (ad esempio flessione di una trave a sbalzo), bidirezionali (ad esempio componenti meccanici in stato di tensione piano) o multidirezionali (ad esempio nodi strutturali complessi)? Scegliere estensimetri uniaxiali per forze unidirezionali, e estensimetri biaxiali (a angolo retto, rosa degli estensimetri) o multiasse per forze bidirezionali/multidirezionali.
• Frequenza di misura: Per la misura dinamica, deve essere chiarificato il campo di frequenza del segnale di deformazione. La frequenza di risposta dell'estensimetro deve essere ≥3 volte la frequenza del segnale misurato (per evitare distorsioni del segnale). Esempio: per misurare una deformazione da vibrazione a 50 Hz, si deve selezionare un estensimetro con frequenza di risposta ≥150 Hz.

2. Condizioni di installazione e strutturali

• Caratteristiche della superficie del componente: La superficie del componente è piana, curva (qual è il raggio di curvatura) o di forma speciale? Gli estensimetri flessibili (ad esempio a lamina) sono adatti per componenti curvi; per raggi di curvatura piccoli (≤10 mm) sono richiesti estensimetri con griglia corta; tipi con elevata adesione del substrato sono adatti per superfici ruvide.
• Spazio di installazione: sono richiesti estensimetri miniaturizzati (lunghezza della griglia ≤2 mm) per aree ridotte dei componenti (ad esempio smussi di parti di precisione), mentre per componenti di grandi dimensioni possono essere selezionati estensimetri con griglia media o lunga in base all'uniformità della deformazione.
• Metodo di installazione: si tratta di un'installazione con incollaggio a temperatura ambiente, saldatura ad alta temperatura o incollaggio temporaneo? Negli scenari ad alta temperatura sono necessari estensimetri saldabili, mentre per il monitoraggio temporaneo possono essere utilizzati estensimetri a suzione magnetica.

3. Condizioni operative ambientali

• Intervallo di temperatura: specificare l'intervallo di temperatura normale (-20 ℃ ~ 60 ℃), media temperatura (60 ℃ ~ 200 ℃), alta temperatura (200 ℃ ~ 1000 ℃) o bassa temperatura (< -20 ℃) dell'ambiente operativo. L'intervallo di compensazione termica dell'estensimetro deve coprire pienamente la temperatura reale per evitare influenze sull'accuratezza causate dalla deriva termica.
• Ambiente medio: È presente umidità (ad esempio sott'acqua, officine umide), corrosione (ad esempio gas acido-base, inquinamento da oli in officine chimiche), polvere o radiazioni intense? Per ambienti umidi sono necessari estensimetri impermeabili, per ambienti corrosivi sono richiesti materiali resistenti alla corrosione (ad esempio griglie in lega di nichel-cromo, substrati in polimide), abbinati a un trattamento di sigillatura.
• Fattori di interferenza: Sono presenti forti interferenze elettromagnetiche (ad esempio vicino a motori, apparecchiature ad alta tensione) o impatti da vibrazioni? Nei casi di forte interferenza sono necessari estensimetri con strati schermanti, mentre nei casi di impatto da vibrazioni sono richiesti tipi con buona tenacità dei substrati e degli adesivi.

Passo 2: Selezione dei parametri tecnici principali (corrispondenza precisa dei requisiti)

Dopo aver chiarito i requisiti, concentrarsi sui parametri tecnici principali dell'estensimetro, che rappresentano il passaggio fondamentale della selezione e determinano direttamente le prestazioni di misura.

1. Parametri Fondamentali della Griglia Sensibile (Determinano le Prestazioni di Misurazione di Base)

• Valore di resistenza: Il valore di resistenza convenzionale degli estensimetri è 120Ω (compatibile con la maggior parte degli estensimetri, con la massima versatilità); esistono tuttavia anche specifiche come 350Ω e 1000Ω. Gli estensimetri ad alta resistenza sono adatti a sistemi a basso consumo energetico, mentre gli estensimetri da 120Ω offrono il miglior rapporto costo-efficacia negli scenari industriali. Nella selezione, assicurarsi che il valore di resistenza dell'estensimetro corrisponda alla resistenza in ingresso del ponte estensimetrico (deviazione ≤±5%) per evitare attenuazione del segnale.
• Fattore di taratura: Indica la relazione proporzionale tra deformazione e variazione di resistenza (valore convenzionale 2,0±0,02), ed è un parametro fondamentale per il calcolo del valore di deformazione. Nella selezione, si deve dare priorità a estensimetri con buona coerenza del fattore di taratura (deviazione di lotto ≤±1%), specialmente quando più estensimetri vengono utilizzati in un ponte (ad esempio un circuito a ponte completo in una cella di carico); una scarsa coerenza porta a un aumento degli errori di misurazione.
• Lunghezza e larghezza della griglia: La lunghezza della griglia determina la "zona media di misurazione" dell'estensimetro. Una piccola lunghezza della griglia (0,2~2 mm) è adatta per misurare deformazioni locali (ad esempio alle estremità di una fessura), una lunghezza media (3~10 mm) è adatta per componenti convenzionali, mentre una lunghezza elevata (10~100 mm) è adatta per componenti di grandi dimensioni con gradienti di deformazione ridotti. La larghezza della griglia deve corrispondere alla direzione della forza applicata al componente: larghezza ridotta per forze unidirezionali, larghezza maggiore o struttura a rosetta per forze bidirezionali.
• Materiale della griglia sensibile:
  • Lega rame-nickel (Constantan): preferita per scenari a temperatura normale (-20℃~150℃), con basso coefficiente termico e buona stabilità, adatta per celle di carico e monitoraggio strutturale;
  • Lega nichel-cromo (Karma): per scenari a media e alta temperatura (-50℃~400℃), con elevata sensibilità, adatta al monitoraggio di motori e tubazioni ad alta temperatura;
  • Lega platino-iridio: per scenari ad alta temperatura (400℃~1000℃), con elevata resistenza alla corrosione, adatta a settori aerospaziali e impianti metallurgici;
  • Materiali semiconduttori: sensibilità estremamente elevata (50~100 volte rispetto ai metalli), ma scarsa stabilità termica, adatti a misurazioni di precisione in laboratorio.

2. Parametri del substrato e dell'adesivo (determinano l'adattabilità ambientale)

• Materiale del substrato:
  • Substrato cartaceo: costo ridotto, facile da applicare, adatto a temperature normali e ambienti asciutti (≤60℃), come nel monitoraggio temporaneo di apparecchiature civili;
  • Supporto in resina fenolica: resistenza alla temperatura di 120℃, buona resistenza all'olio, adatto a scenari di macchinari industriali convenzionali;
  • Supporto in poliimide: resistenza alla temperatura di 250℃, resistenza alla corrosione e all'acqua, adatto a scenari chimici, umidi e a media-alta temperatura;
  • Supporto in ceramica: resistenza alla temperatura superiore a 1000℃, adatto ad ambienti estremi come forni ad alta temperatura e motori aeronautici.
• Tipo di adesivo: deve essere compatibile con il materiale del supporto e la temperatura di esercizio. Per scenari a temperatura ambiente si utilizzano adesivi a base di cianoacrilato (a rapida essiccazione), per temperature medie adesivi a base di resina epossidica (resistenza termica di 150℃) e per alte temperature adesivi inorganici (resistenza termica superiore a 500℃). La resistenza al taglio dell'adesivo deve essere ≥2MPa per evitare il distacco dell'estensimetro.

3. Parametri di compensazione termica (determinano la stabilità della misurazione)

• Metodo di compensazione termica:
  • Estensimetri autocompensanti: selezionando materiali della griglia sensibile, la variazione di resistenza causata dalla temperatura viene compensata dall'espansione termica del componente, adatti per componenti in materiale singolo (ad esempio acciaio, alluminio), facili da installare e preferiti in scenari industriali;
  • Compensazione con estensimetro ausiliario: ulteriori estensimetri dello stesso modello di quelli attivi vengono incollati su componenti identici ma non sollecitati, e gli errori di temperatura vengono compensati attraverso circuiti, adatti per campi termici complessi o componenti in materiali multipli.
• Intervallo di compensazione della temperatura: deve coprire l'intervallo di temperatura operativa reale. Esempio: in un ambiente di officina di -10 ℃ ~ 80 ℃, si dovrebbe selezionare un estensimetro con un intervallo di compensazione di -20 ℃ ~ 100 ℃ per garantire un margine termico.

4. Struttura e parametri dei conduttori (determinano l'installazione e la trasmissione del segnale)

• Struttura dell'estensimetro
  • Estensimetri uniaxiali: per scenari di forza unidirezionale (ad esempio travi a sbalzo, tiranti), struttura semplice e costo ridotto;
  • Estensimetri biaxiali (estensimetri ad angolo retto): per scenari di forza bidirezionale (ad esempio componenti in stato di tensione piano), in grado di misurare deformazioni in due direzioni perpendicolari simultaneamente;
  • Rosette estensimetriche (45°, 60°): per scenari di forza multidirezionale (ad esempio nodi strutturali, parti complesse), in grado di calcolare la deformazione principale e la direzione della tensione principale, adatte all'analisi delle sollecitazioni.
• Specifiche dei cavi di collegamento: i materiali dei conduttori sono generalmente fili di rame placcati in argento. Per applicazioni a temperatura normale si utilizzano cavi isolati in PVC, mentre per temperature elevate si impiegano cavi isolati in PTFE. La lunghezza del cavo deve corrispondere alla distanza di misura. Per trasmissioni a lunga distanza (>10 m) sono necessari cavi con schermo per evitare interferenze elettromagnetiche.

Passaggio 3: Adattamento allo scenario ed evitazione di errori di selezione

Selezionare gli estensimetri in base alle caratteristiche di diversi scenari applicativi, evitando errori comuni di scelta per garantire la stabilità e l'affidabilità del sistema di misura.

1. Esempi di selezione per scenari tipici

2. Errori comuni di selezione e metodi per evitarli

• Errore 1: Concentrarsi solo sul fattore di taratura trascurando la coerenza—quando si utilizzano più estensimetri in un ponte, anche se il fattore di taratura di un singolo estensimetro soddisfa lo standard, deviazioni elevate tra lotti (>±1%) causeranno uno squilibrio del ponte e aumenteranno bruscamente gli errori di misurazione. Soluzione: Richiedere ai fornitori di fornire rapporti di prova del fattore di taratura per estensimetri dello stesso lotto, mantenendo la deviazione entro ±0,5%.
• Errore 2: Mancata corrispondenza tra lunghezza della griglia e gradiente di deformazione — l'uso di estensimetri con grande lunghezza della griglia in aree di concentrazione locale della deformazione, come le punte delle crepe, porta a una "media" dei valori misurati e alla mancata rappresentazione della deformazione reale. Soluzione: scegliere una lunghezza della griglia ≤2 mm per aree con elevati gradienti di deformazione, e 5÷10 mm per aree con deformazione uniforme.
• Errore 3: Non tenere conto della compatibilità tra compensazione termica e materiale del componente — utilizzare estensimetri compensati per l'acciaio su componenti in alluminio provoca gravi errori termici a causa delle differenze nei coefficienti di espansione termica. Soluzione: selezionare estensimetri autocompensanti del tipo di compensazione corrispondente in base al materiale del componente (acciaio, alluminio, rame, ecc.).
• Errore 4: Accontentarsi di parametri di adattabilità ambientale: utilizzare estensimetri con substrato in carta comune in ambienti umidi senza trattamento di sigillatura provocherà il danneggiamento del substrato a causa dell'umidità in breve tempo. Soluzione: scegliere materiali di substrato adeguati in base alle condizioni ambientali (umido/corrosivo/alta temperatura) e aggiungere rivestimenti impermeabili se necessario.

Passaggio 4: Note aggiuntive per la selezione pratica

• Compatibilità del ponte: quando più estensimetri formano un circuito a ponte intero o mezzo ponte, assicurarsi che il valore di resistenza, il fattore di taratura e le caratteristiche termiche degli estensimetri siano coerenti. Si raccomanda di selezionarli dallo stesso lotto per ridurre gli errori del ponte.
• Requisiti di calibrazione: per estensimetri utilizzati in contesti di regolamento commerciale (ad esempio celle di carico) o misurazioni di precisione, scegliere marche tracciabili, garantendo che i prodotti abbiano ottenuto la certificazione metrologica, facilitando così la successiva calibrazione del sistema.
• Abbinamento del processo di installazione: per componenti curvi, verificare in anticipo le prestazioni di flessione dell'estensimetro (raggio di curvatura pieghevole ≤ raggio di curvatura del componente). Per estensimetri saldabili, abbinare l'equipaggiamento e il processo di saldatura corrispondente.
• Supporto del fornitore: dare la priorità ai fornitori che offrono supporto tecnico. Informarli sul materiale del componente, sulle condizioni di carico e sui parametri ambientali per ottenere raccomandazioni di selezione più accurate ed evitare una scelta autonoma non mirata.

Riepilogo: Logica fondamentale della selezione degli estensimetri a resistenza

L'essenza della selezione di un estensimetro a resistenza è un ciclo chiuso di "decomposizione dei requisiti → abbinamento dei parametri → verifica in scenari reali": innanzitutto decomporre i quattro requisiti fondamentali di "campo di deformazione, precisione, ambiente e installazione", quindi abbinare in modo mirato parametri chiave come griglia sensibile, substrato e compensazione termica, e infine verificare la correttezza della scelta attraverso esempi pratici ed evitando errori comuni.

Se siete ancora incerti sulla scelta, potete fornire al fornitore le seguenti informazioni: ① Materiale del componente e tipo di sollecitazione (unidirezionale/bidirezionale); ② Valore massimo di deformazione e requisito di precisione; ③ Temperatura di funzionamento e ambiente del mezzo; ④ Spazio disponibile e metodo di installazione. Il fornitore potrà così identificare rapidamente il modello più adatto.