Varžos deformacijos matuoklių atrankos metodas

Varžos deformacijos matuokliai (vadinami tiesiog deformacijos matuokliais) yra pagrindiniai jautrūs komponentai, kurie konstruktinių elementų mechaninę deformaciją paverčia varžos pokyčiais ir yra plačiai naudojami apkrovos jutikliuose, jėgos jutikliuose, konstrukcijų būklės stebėjime, aviacijos bei kosmoso bandymuose ir kitose srityse. Jų atranka tiesiogiai lemia matavimo sistemos tikslumą, stabilumą ir tarnavimo laiką. Pagrindinė logika – „dvipusis atitikimas tarp deformacijos charakteristikų ir eksploatacijos aplinkos“: reikia vengti išlaidų, susidarančių dėl perteklinių parametrų, taip pat neleisti matavimų nesėkmių, kurių priežastis – nepakankamas našumas. Žemiau pateikiamas visapusiškas atrankos metodas, apimantis techninius parametrus, pritaikymą aplinkai ir praktines pagrindines nuostatas, kad būtų užtikrinta tikslūs atranka.

1 žingsnis: Nustatyti pagrindinius matavimo reikalavimus ir taikymo scenarijus (atrankos sąlyga)

Prieš atlikdami pasirinkimą, būtina nustatyti „kokį deformacijos tipą matuoti, kokiomis aplinkos sąlygomis matuoti ir kaip įrengti“, kas yra pagrindas tolimesniam parametrų pasirinkimui ir padeda išvengti neapdairaus aukštos kokybės parametrų siekimo.

1. Pagrindinių matavimo reikalavimų apibrėžimas

• Deformacijos tipas ir diapazonas: nustatykite matuojamo komponento deformacijos pobūdį (statiška deformacija, pvz., konstrukcijos nuolatinės masės sukelta deformacija, ar dinaminė deformacija, pvz., mechaninės vibracijos deformacija) bei maksimalią deformacijos vertę, palikdami 1,2–1,5 karto saugos rezervą. Pavyzdys: jei faktinė maksimali deformacija yra 1000 με, turėtų būti pasirenkamas deformacijos matuoklis su 1200–1500 με diapazonu; dinaminėms deformacijoms (pvz., smūginėms apkrovoms) rekomenduojama palikti 1,5–2 karto saugos koeficientą, kad būtų išvengta jautriosios gardelės pažeidimo dėl akimirkinės perkrovos.
• Tikslumo reikalavimas: ar tai kokybinis stebėjimas (pvz., konstrukcinių įtrūkimų ankstyvoji perspėjimo sistema), kiekybinis analizavimas (pvz., jutiklių kalibravimas) ar tikslus matavimas (pvz., laboratorinis apkrovos testavimas)? Pavyzdys: deformacijos matuokliai apkrovos jutikliams turi atitikti jautrumo paklaidą ±0,1%, konstrukcijos būklės stebėjimui leidžiama paklaida iki ±0,5%, o laboratoriniam tiksliajam matavimui reikalinga paklaida iki ±0,05%.
• Jėgos kryptis: ar detalė yra veikiama vienakrypčių jėgų (pvz., konsoles sijos lenkimas), dvikrypčių jėgų (pvz., mechaniniai komponentai plokščiosios įtemties būsenoje) ar daugiakrypčių jėgų (pvz., sudėtingi konstrukciniai mazgai)? Vienakrypčioms jėgoms pasirinkite vienašalius deformacijos matuoklius, dvikrypčiems/daugiakrypčiams – dviašius (stačiakampius, deformacijos rožetes) arba daugiaašius deformacijos matuoklius.
• Matavimo dažnis: dinaminiams matavimams turi būti nustatytas deformacijos signalo dažnių diapazonas. Deformacijos daviklio reakcijos dažnis turi būti ≥3 kartų didesnis už matuojamo signalo dažnį (kad būtų išvengta signalo iškraipymo). Pavyzdys: norint matuoti virpčių sukeltą deformaciją 50 Hz, reikia pasirinkti deformacijos daviklį, kurio reakcijos dažnis ≥150 Hz.

2. Montavimas ir konstrukcinės sąlygos

• Komponento paviršiaus charakteristikos: ar komponento paviršius yra plokščias, išlenktas (koks lenkimo spindulys) arba nestandartinės formos? Lankstūs deformacijos davikliai (pvz., folijiniai) tinka išlenktiems komponentams, o mažam lenkimo spinduliui (≤10 mm) reikalingi trumpo tinklelio ilgio davikliai; stipriai prie pagrindo prilipdantys tipai tinka šiurkštiems paviršiams.
• Montavimo erdvė: siaurų komponentų dalių (pvz., tikslaus mechanizmo briaunų) atveju reikalingi miniatiūriniai deformacijos matuokliai (tinklelio ilgis ≤2 mm), o didelio dydžio komponentams priklausomai nuo deformacijos vientisumo galima pasirinkti vidutinio ar ilgo tinklelio ilgio deformacijos matuoklius.
• Montavimo metodas: Ar tai montavimas klijuojant kambario temperatūroje, aukštos temperatūros suvirinimu ar laikinas klijavimas? Aukštos temperatūros sąlygoms reikalingi suvirinami deformacijos matuokliai, o laikinam stebėjimui gali būti naudojami magnetiniai deformacijos matuokliai.

3. Darbo aplinkos sąlygos

• Temperatūros diapazonas: nustatykite darbo aplinkos normalią temperatūrą (-20 ℃ ~ 60 ℃), vidutinę temperatūrą (60 ℃ ~ 200 ℃), aukštą temperatūrą (200 ℃ ~ 1000 ℃) arba žemą temperatūrą (<-20 ℃). Deformacijos matuoklio temperatūros kompensavimo diapazonas turi visiškai apimti faktinę temperatūrą, kad būtų išvengta tikslumo poveikio dėl temperatūros poslinkio.
• Vidutinė aplinka: ar yra drėgmė (pvz., po vandeniu, drėgnos dirbtuvės), korozija (pvz., rūgščių ir šarmų dujos, alyvos teršalai cheminėse dirbtuvėse), dulkių ar stiprių spindulių? Drėgnoms aplinkoms reikalingi vandeniui atsparūs deformacijos matuokliai, korozijai atsparios medžiagos (pvz., nichrominių lydinių gardelės, polimido pagrindai) reikalingos korozijai atsparioms aplinkoms, kartu su hermetizavimo apdorojimu.
• Trukdžių veiksniai: ar yra stiprūs elektromagnetiniai trikdžiai (pvz., šalia variklių, aukštos įtampos įrangos) ar vibracijos poveikis? Stipriems trikdžiams reikalingi deformacijos matuokliai su ekranavimo sluoksniu, o vibracijų atveju – tokie, kurių pagrindai ir klijai turi gerą elastingumą.

2 žingsnis: Pagrindinių techninių parametrų parinkimas (tiksli atitiktis reikalavimams)

Nustatę reikalavimus, sutelkite dėmesį į deformacijos matuoklio pagrindinius techninius parametrus, kurie yra parinkimo esmė ir tiesiogiai lemia matavimo našumą.

1. Jautraus tinklelio pagrindiniai parametrai (nustato pagrindines matavimo charakteristikas)

• Varža: įprastinė deformacinių jutiklių varža yra 120 Ω (suderinama su dauguma deformacinių jutiklių, labiausiai universalūs), taip pat yra ir tokių specifikacijų kaip 350 Ω ir 1000 Ω. Didelės varžos deformaciniai jutikliai tinka mažos energijos sąnaudų sistemoms, o pramonėje 120 Ω deformaciniai jutikliai pasižymi aukščiausiu kainos ir našumo santykiu. Renkantis reikia užtikrinti, kad deformacinio jutiklio varža atitiktų deformacinio jutiklio įėjimo varžą (nuokrypis ≤±5 %), kad būtų išvengta signalo silpninimo.
• Matavimo faktorius: Nurodo santykinį ryšį tarp deformacijos ir varžos pokyčio (konvencinis reikšmė 2,0±0,02), tai yra pagrindinis parametras, naudojamas apskaičiuojant deformacijos reikšmę. Renkantis pirmenybė teikiama deformacijos matuokliams su geru matavimo faktoriaus nuoseklumu (partijos nuokrypis ≤±1%), ypač kai daugelis matuoklių naudojami tiltelyje (pvz., pilnasis tiltelis apkrovos jutiklyje), bloga nuoseklumas gali sukelti didesnes matavimo klaidas.
• Tinklelio ilgis ir tinklelio plotis: Tinklelio ilgis nustato „vidutinio matavimo diapazono“ dydį deformacijos matuoklyje. Mažas tinklelio ilgis (0,2–2 mm) tinka vietinei deformacijai matuoti (pvz., įtrūkimų galuose), vidutinis tinklelio ilgis (3–10 mm) tinka standartinėms detalėms, o didelis tinklelio ilgis (10–100 mm) tinka stambaus formato detalėms su mažais deformacijos gradientais. Tinklelio plotis turi atitikti detalės veikiančios jėgos kryptį: siauras tinklelio plotis – vienai krypčiai, o platus tinklelio plotis arba deformacijos rožetė – dvikrypčiams apkrovimams.
• Jautrus tinklelio medžiaga:
  • Vario-nikelio lydinys (konstantanas): pageidautinas normalioms temperatūros sąlygoms (-20℃~150℃), mažu temperatūros koeficientu ir geria stabilumu, tinka apkrovos jutikliams ir konstrukcijų stebėjimui;
  • Nikelio-chromo lydinys (Karma): vidutinėms ir aukštoms temperatūroms (-50℃~400℃), aukštu jautrumu, tinka variklių ir aukštos temperatūros vamzdynų stebėjimui;
  • Platina-iridžio lydinys: aukštai temperatūrai (400℃~1000℃), stipriai atsparus korozijai, tinka aviacijai ir metalurgijos įrangai;
  • Puslaidininkiniai medžiagai: itin aukštas jautrumas (50–100 kartų didesnis nei metalų), tačiau bloga temperatūros stabilumo, tinka laboratoriniams tiksliesiems matavimams.

2. Pagrindo ir klijų parametrai (nustato aplinkos prisitaikymą)

• Pagrindo medžiaga:
  • Popierinis pagrindas: žemos kainos, lengvai klijuojamas, tinka normalioms temperatūroms ir sausoms aplinkoms (≤60℃), pvz., laikinam civilinės įrangos stebėjimui;
  • Fenolio dervos pagrindas: temperatūros atsparumas iki 120 ℃, gerai atsparus aliejui, tinka standartinėms pramoninės mechanikos sąlygoms;
  • Poliimidinė pagrindo medžiaga: temperatūros atsparumas iki 250 ℃, atsparus korozijai ir vandeniui, tinka cheminėms, drėgnoms bei vidutinės ir aukštos temperatūros aplinkoms;
  • Keraminis pagrindas: temperatūros atsparumas virš 1000 ℃, tinka ekstremalioms sąlygoms, tokioms kaip aukštos temperatūros krosnys ir aviaciniai varikliai.
• Klijų tipas: turi atitikti pagrindo medžiagą ir darbo temperatūrą. Normalioms temperatūroms parenkami cianakrilato tipo (greitai džiūstantys) klijai, vidutinei temperatūrai – epoksidinės dervos tipo klijai (temperatūros atsparumas iki 150 ℃), aukštai temperatūrai – neorganiniai klijai (temperatūros atsparumas virš 500 ℃). Klijų skersinė stipris turi būti ≥2 MPa, kad nebūtų atitrūkę deformacijos matuokliai.

3. Temperatūros kompensavimo parametrai (nustato matavimų stabilumą)

• Temperatūros kompensavimo metodas:
  • Savarankiškai kompensuojantys deformacijos matuokliai: parinkus jautraus tinklelio medžiagas, temperatūros sukeltas varžos pokytis kompensuojamas dėl detalės šiluminio plėtimosi, tinka vienos medžiagos detalėms (pvz., plieno, aliuminio), lengva įrengti, privalomas pramoniniams taikymams;
  • Kompensacinio matuoklio kompensavimas: ant netempiamų tos pačios rūšies detalių klijuojami papildomi tokie patys darbiniai matuokliai, o temperatūrinės klaidos kompensuojamos per grandinę, tinka sudėtingiems temperatūros laukams arba daugiakomponentėms struktūroms.
• Temperatūros kompensavimo diapazonas: turi apimti faktinį darbo temperatūros diapazoną. Pavyzdys: cecho aplinkoje nuo -10 ℃ iki 80 ℃ reikėtų pasirinkti deformacijos matuoklį su kompensavimo diapazonu nuo -20 ℃ iki 100 ℃, kad būtų palikta temperatūrinė rezerva.

4. Konstrukcija ir laidų parametrai (nustato montavimą ir signalo perdavimą)

• Deformacijos matuoklio konstrukcija:
  • Vienaeiliai deformacijos matuokliai: vienkrypčių jėgų atvejams (pvz., konsolinės sijos, tempimo strypai), paprasta konstrukcija ir žema kaina;
  • Dvieiliai deformacijos matuokliai (stačiakampiai matuokliai): dvikrypčių jėgų atvejams (pvz., plokštinės įtempimo detalės), gali matuoti deformaciją dviejose statmenose kryptyse vienu metu;
  • Deformacijos rožės (45°, 60°): daugiakrypčių jėgų atvejams (pvz., konstrukcinių mazgų, sudėtingų detalių), gali apskaičiuoti pagrindinę deformaciją ir pagrindinio įtempio kryptį, tinka įtempimo analizei.
• Laidų specifikacijos: laidų medžiaga dažniausiai yra vario laidai su sidabro danga. Normalioms temperatūroms parenkami PVC izoliuoti laidai, aukštoms temperatūroms – PTFE izoliuoti laidai. Laido ilgis turi atitikti matavimo atstumą. Ilgesniam perdavimui (>10 m) reikalingi ekranuoti laidai, kad būtų išvengta elektromagnetinio trikdžio.

3 žingsnis: Scenarijaus pritaikymas ir pasirinkimo klaidų vengimas

Pasirinkite deformacijos jutiklius pagal skirtingų taikymo scenarijų charakteristikas ir išvengkite įprastų pasirinkimo klaidų, kad užtikrintumėte matavimo sistemos stabilumą ir patikimumą.

1. Tipinių scenarijų pasirinkimo pavyzdžiai

2. Dažnos parinkimo klaidos ir jų išvengimo būdai

• Klaida 1: Dėmesys tik jautrumo koeficientui ir nuoseklumo nepaisymas – naudojant kelias jutiklines juosteles tiltelyje, net jei vienos juostelės jautrumo koeficientas atitinka standartą, dideli partijos nuokrypiai (>±1 %) sukelia tilto nebalansą ir smarkiai padidina matavimo klaidas. Išvengimo būdas: reikalauti iš tiekėjų pateikti jautrumo koeficiento bandymų ataskaitas tos pačios partijos deformacijos jutikliams ir kontroliuoti nuokrypį ribose ±0,5 %.
• Klaida 2: Tinklelio ilgio ir deformacijos gradiento neatitikimas – naudojant didelio ilgio tinklelio deformacijos matuoklius vietose su lokalėmis deformacijų koncentracijomis, tokiomis kaip įtrūkimų galai, atsiranda matuojamų verčių „išlyginimas“ ir negalima nustatyti tikrųjų deformacijų. Prevencija: Vietoms su dideliais deformacijos gradientais pasirinkite tinklelio ilgį ≤2 mm, o vietoms su vienodais deformacijos laukais – 5–10 mm.
• Klaida 3: Nepaisoma temperatūros kompensavimo ir detalės medžiagos suderinamumo – plieno kompensavimo deformacijos matuoklių naudojimas aliuminio detalemse dėl skirtingų šiluminio plėtimosi koeficientų sukelia rimtų temperatūrinių klaidų. Prevencija: Pagal detalės medžiagą (plienas, aliuminis, varis ir kt.) pasirinkite atitinkamo kompensavimo tipo savikompensuojančius deformacijos matuoklius.
• Klaida 4: aplinkos prisitaikymo parametrų „pakankamumo“ taikymas – drėgnose aplinkose be hermetizavimo apdorojimo naudoti įprastus popierines paklotus turinčius deformacijos matuoklius greitai sukels pakloto sugedimą dėl drėgmės. Išvengimas: parenkite atitinkamus paklotų medžiagų tipus pagal aplinkos sąlygas (drėgna/korozinė/aukšta temperatūra) ir, jei reikia, pridėkite vandeniui atsparias hermetizavimo dangas.

4 žingsnis: Papildomi praktinio pasirinkimo pastebėjimai

• Tiltelio suderinamumas: kai keli matuokliai sudaro pilnojo arba pusiau tiltelio grandinę, užtikrinkite, kad deformacijos matuoklių varža, jutrimo koeficientas ir temperatūrinės charakteristikos būtų vienodos. Rekomenduojama rinktis iš to paties gamybos partijos, kad būtų sumažintos tiltelio klaidos.
• Kalibravimo reikalavimai: deformacijos matuokliams, naudojamiems prekybos apskaitoje (pvz., masės matavimo įrenginiuose) ar tikslumuose matavimuose, rekomenduojama rinktis sekamus prekių ženklus, užtikrinančius, kad produktai atitiktų metrologines sertifikacijas, palengvinant tolimesnį sistemos kalibravimą.
• Montavimo proceso suderinamumas: Išlenktiems komponentams iš anksto patvirtinkite deformacijos matavimo juostelės lenkiamumo charakteristikas (leistinas lenkimo spindulys ≤ komponento kreivio spindulys). Norint suvirinti deformacijos matavimo juosteles, reikia parinkti atitinkamą suvirinimo įrangą ir technologiją.
• Tiekėjo parama: Teikite pirmenybę tiekėjams, kurie teikia techninę pagalbą. Praneškite jiems apie komponento medžiagą, apkrovos sąlygas ir aplinkos parametrus, kad gautumėte tikslesnes parinkimo rekomendacijas ir išvengtumėte nepagrįsto savarankiško pasirinkimo.

Santrauka: Varžinių deformacijos matavimo juostelių atrankos pagrindinė logika

Varžos matavimo tiltelio parinkimo esmė yra uždaro ciklo „reikalavimų dekomponavimas → parametrų suderinimas → scenarijaus tikrinimas“ procesas: iš pradžių išskaidomi keturi pagrindiniai reikalavimai – „įtempių diapazonas, tikslumas, aplinka ir montavimas“, tada taikomi tiksliniai pagrindinių parametrų, tokių kaip jautrusis tinklelis, pagrindas ir temperatūros kompensacija, atitikimai, galiausiai parinkimo teisingumas patvirtinamas naudojant praktinius pavyzdžius ir klaidų vengimą.

Jei vis dar nesate tikri dėl parinkimo, galite tiekėjui pateikti šią informaciją: ① detalės medžiagą ir apkrovos tipą (vienaeigę/arba dvikrypčią); ② maksimalią įtempių vertę ir tikslumo reikalavimus; ③ darbo temperatūrą bei aplinkos sąlygas; ④ montavimo vietą ir būdą. Tiekėjas greitai galės nustatyti tinkamą modelį.