Metoda doboru tensometrów oporowych

Tensometryczne oporniki rezystancyjne (nazywane potocznie tensometrami) są kluczowymi elementami czułymi, które przekształcają odkształcenie mechaniczne elementów konstrukcyjnych na zmiany rezystancji, szeroko stosowane w czujnikach obciążenia, siłomierzach, monitorowaniu stanu technicznego konstrukcji, testach lotniczych i kosmicznych oraz innych dziedzinach. Ich dobór bezpośrednio wpływa na dokładność, stabilność i trwałość systemu pomiarowego. Podstawową zasadą jest "dwukierunkowe dopasowanie właściwości odkształceniowych i warunków eksploatacji" — unikanie marnotrawstwa środków spowodowanego nadmiarem parametrów oraz zapobieganie awariom pomiarowym wynikającym z niewystarczającej wydajności. Poniżej przedstawiono kompleksową metodę doboru, łączącą parametry techniczne, adaptację do środowiska oraz praktyczne aspekty kluczowe dla precyzyjnego wyboru.

Krok 1: Określenie podstawowych wymagań pomiarowych i scenariuszy zastosowania (warunek wstępny doboru)

Przed dokonaniem wyboru konieczne jest zdefiniowanie „jakiego odkształcenia należy dokonać pomiaru, w jakim środowisku i w jaki sposób zainstalować”, co stanowi podstawę do późniejszego doboru parametrów i pozwala uniknąć ślepego dążenia do wysokich parametrów wydajności.

1. Definicja podstawowych wymagań pomiarowych

• Typ i zakres odkształcenia: Określ charakter odkształcenia mierzonego elementu (odkształcenie statyczne, np. odkształcenie struktury spowodowane ciężarem własnym, odkształcenie dynamiczne, np. drgania mechaniczne) oraz maksymalną wartość odkształcenia, zachowując zapas bezpieczeństwa wynoszący 1,2–1,5 razy. Przykład: jeśli rzeczywiste maksymalne odkształcenie wynosi 1000με, należy wybrać tensometr o zakresie 1200–1500με; w przypadku odkształceń dynamicznych (np. obciążenia udarowe) zaleca się zapas bezpieczeństwa 1,5–2 razy, aby uniknąć uszkodzenia siatki czułej spowodowanego chwilowym przeciążeniem.
• Wymóg dokładności: Czy chodzi o monitorowanie jakościowe (np. wczesne ostrzeganie przed pęknięciami konstrukcyjnymi), analizę ilościową (np. kalibrację czujników) czy pomiar precyzyjny (np. laboratoryjne badanie naprężeń)? Przykład: tensometry do czujników siły muszą spełniać błąd czułości ±0,1%, monitoring stanu technicznego konstrukcji może mieć błąd ≤±0,5%, a precyzyjny pomiar laboratoryjny wymaga ≤±0,05%.
• Kierunek działania siły: Czy element jest poddawany sile jednokierunkowej (np. zginanie belki wspornikowej), dwukierunkowej (np. części mechaniczne w stanie naprężenia płaskiego) czy wielokierunkowej (np. złożone węzły konstrukcyjne)? Dla siły jednokierunkowej wybiera się tensometry jednoosiowe, a dla siły dwu- lub wielokierunkowej — tensometry dwuosiowe (prostopadłe, różyczkowe) lub wieloosiowe.
• Częstotliwość pomiaru: W przypadku pomiarów dynamicznych należy sprecyzować zakres częstotliwości sygnału odkształcenia. Częstotliwość odpowiedzi tensometru musi być ≥3 razy większa niż częstotliwość mierzonego sygnału (aby uniknąć zniekształceń sygnału). Przykład: Aby zmierzyć odkształcenie drgań o częstotliwości 50 Hz, należy wybrać tensometr o częstotliwości odpowiedzi ≥150 Hz.

2. Montaż i warunki konstrukcyjne

• Charakterystyka powierzchni elementu: Czy powierzchnia elementu jest płaska, zakrzywiona (jaki jest promień krzywizny) czy ma kształt specjalny? Elastyczne tensometry (np. foliowe) nadają się do elementów zakrzywionych, natomiast przy małych promieniach krzywizny (≤10 mm) wymagane są tensometry o krótkiej długości siatki; typy o silnym przyleganiu podłoża nadają się do powierzchni chropowatych.
• Przestrzeń montażowa: W przypadku wąskich obszarów komponentów (takich jak fazki elementów precyzyjnych) wymagane są miniaturyzowane tensometry (długość siatki ≤2 mm), natomiast dla dużych komponentów można dobrać tensometry o średniej lub długiej długości siatki, w zależności od jednolitości odkształcenia.
• Sposób montażu: Czy instalacja odbywa się w temperaturze pokojowej za pomocą klejenia, spawania w wysokiej temperaturze, czy chwilowego przyklejenia? W warunkach wysokich temperatur wymagane są tensometry nadające się do spawania, natomiast do chwilowego monitorowania można wykorzystać tensometry magnetyczne.

3. Warunki środowiskowe pracy

• Zakres temperatur: Należy określić zakres temperatury normalnej (-20℃~60℃), średniej (60℃~200℃), wysokiej (200℃~1000℃) lub niskiej (＜-20℃) w środowisku pracy. Zakres kompensacji temperatury tensometru musi w pełni obejmować rzeczywistą temperaturę, aby uniknąć wpływu dryftu temperaturowego na dokładność.
• Średnie środowisko: Czy występuje wilgoć (np. pod wodą, wilgotne warsztaty), korozja (np. gazy kwasowo-zasadowe, zanieczyszczenie olejem w warsztatach chemicznych), kurz lub silne promieniowanie? W przypadku wilgotnych środowisk wymagane są tensometry wodoodporne, w przypadku środowisk agresywnych – materiały odporne na korozję (np. siatki ze stopu niklu i chromu, podłoża poliimidowe) połączone z uszczelnieniem.
• Czynniki zakłócające: Czy występują silne zakłócenia elektromagnetyczne (np. w pobliżu silników, urządzeń wysokonapięciowych) lub drgania i uderzenia? W przypadku silnych zakłóceń wymagane są tensometry ze warstwą ekranującą, a w przypadku drgań i uderzeń – typy o dobrej wytrzymałości podłoży i klejów.

Krok 2: Wybór podstawowych parametrów technicznych (dokładne dopasowanie wymagań)

Po ustaleniu wymagań należy skupić się na kluczowych parametrach technicznych tensometru, co jest głównym etapem doboru i bezpośrednio decyduje o dokładności pomiaru.

1. Podstawowe parametry siatki czułości (określają podstawowe właściwości pomiarowe)

• Wartość rezystancji: Typowa wartość rezystancji tensometrów wynosi 120Ω (zgodna z większością tensometrów, najwyższa uniwersalność), istnieją również wersje o wartościach takich jak 350Ω i 1000Ω. Tensometry o wysokiej rezystancji są odpowiednie dla systemów o niskim poborze mocy, natomiast tensometry 120Ω charakteryzują się najwyższym współczynnikiem opłacalności w zastosowaniach przemysłowych. Podczas doboru należy zapewnić, że wartość rezystancji tensometru jest zgodna z rezystancją wejściową mostka tensometrycznego (odchylenie ≤±5%), aby uniknąć tłumienia sygnału.
• Współczynnik siatki: Wskazuje proporcjonalną zależność między odkształceniem a zmianą rezystancji (wartość konwencjonalna 2,0±0,02), jest to kluczowy parametr przy obliczaniu wartości odkształcenia. Podczas doboru należy ustawić pierwszeństwo tensometrom o dobrej spójności współczynnika siatki (odchyłka partii ≤±1%), szczególnie gdy stosuje się wiele tensometrów w mostku (np. pełny mostek czujnika obciążenia), ponieważ słaba spójność prowadzi do zwiększenia błędów pomiarowych.
• Długość siatki i szerokość siatki: Długość siatki określa „średni zakres pomiarowy” tensometru. Mała długość siatki (0,2–2 mm) nadaje się do pomiaru odkształceń lokalnych (np. przy wierzchołkach pęknięć), średnia długość siatki (3–10 mm) nadaje się do elementów konwencjonalnych, a duża długość siatki (10–100 mm) nadaje się do dużych elementów o małych gradientach odkształceń. Szerokość siatki musi być dopasowana do kierunku działania siły w elemencie: wąska siatka dla siły jednokierunkowej oraz szeroka siatka lub struktura rozet odkształceniowych dla siły dwukierunkowej.
• Materiał wrażliwej siatki:
  • Stop miedziowo-niklowy (Constantan): Preferowany w warunkach normalnej temperatury (-20℃~150℃), o małym współczynniku temperaturowym i dobrej stabilności, odpowiedni do komórek obciążeniowych i monitorowania konstrukcji;
  • Stop niklu i chromu (Karma): Do zastosowań w średnich i wysokich temperaturach (-50℃~400℃), o wysokiej czułości, odpowiedni do monitorowania silników i rurociągów w wysokiej temperaturze;
  • Stop platyny i irydu: Do zastosowań w wysokich temperaturach (400℃~1000℃), o wysokiej odporności na korozję, odpowiedni do techniki lotniczej i urządzeń metalurgicznych;
  • Materiały półprzewodnikowe: Ekstremalnie wysoka czułość (50~100 razy większa niż u metali), ale słaba stabilność temperaturowa, odpowiednie do precyzyjnych pomiarów laboratoryjnych.

2. Parametry podłoża i kleju (określają odporność na warunki środowiskowe)

• Materiał podłoża:
  • Podłoże papierowe: Niski koszt, łatwe w montażu, odpowiednie do warunków normalnej temperatury i suchych środowisk (≤60℃), np. do tymczasowego monitorowania urządzeń cywilnych;
  • Podłoże z żywicy fenolowej: odporność na temperaturę do 120℃, dobra odporność olejowa, odpowiednie do standardowych zastosowań w maszynach przemysłowych;
  • Podłoże poliimidowe: odporność na temperaturę do 250℃, odporność na korozję i wilgoć, odpowiednie do zastosowań chemicznych, wilgotnych oraz przy umiarkowanych i wysokich temperaturach;
  • Podłoże ceramiczne: odporność na temperaturę powyżej 1000℃, odpowiednie do ekstremalnych warunków, takich jak piece wysokotemperaturowe i silniki lotnicze.
• Typ kleju: musi być dopasowany do materiału podłoża i temperatury pracy. W warunkach normalnej temperatury stosuje się kleje cyjanoakrylowe (szybkoschnące), w warunkach średniej temperatury – na bazie żywicy epoksydowej (odporność termiczna 150℃), a w warunkach wysokiej temperatury – nieorganiczne (odporność termiczna powyżej 500℃). Wytrzymałość kleju na ścinanie musi wynosić ≥2 MPa, aby uniknąć odklejenia tensometru.

3. Parametry kompensacji temperaturowej (określają stabilność pomiaru)

• Metoda kompensacji temperaturowej:
  • Samokompensujące tensometry: Poprzez dobór materiałów siatki czułej, zmiana rezystancji spowodowana temperaturą jest kompensowana przez rozszerzalność cieplną elementu, odpowiednie do jednorodnych materiałów (np. stal, aluminium), łatwe w montażu, preferowane w zastosowaniach przemysłowych;
  • Kompensacja za pomocą tensometru kompensacyjnego: Dodatkowe tensometry tego samego typu co robocze są naklejane na nienastawione identyczne elementy, a błędy temperaturowe są kompensowane poprzez obwód elektryczny, odpowiednie dla złożonych pól temperaturowych lub wielomateriałowych komponentów.
• Zakres kompensacji temperatury: Musi obejmować rzeczywisty zakres pracy temperaturowej. Przykład: W środowisku warsztatu o temperaturze -10℃~80℃ należy wybrać tensometr o zakresie kompensacji -20℃~100℃, aby zapewnić rezerwę temperaturową.

4. Parametry konstrukcji i wyprowadzeń (określają montaż i transmisję sygnału)

• Konstrukcja tensometru:
  • Dziewizory jednokierunkowe: Dla scenariuszy sił jednokierunkowych (takich jak belki konsole, pręty rozciągane), prosta konstrukcja i niski koszt;
  • Dziewizory dwukierunkowe (dziewizory pod kątem prostym): Dla scenariuszy sił dwukierunkowych (takich jak elementy pod naprężeniem płaskim), pozwalają jednocześnie mierzyć odkształcenia w dwóch prostopadłych kierunkach;
  • Rozety odkształceniowe (45°, 60°): Dla scenariuszy sił wielokierunkowych (takich jak węzły konstrukcyjne, skomplikowane części), pozwalają obliczyć główną wartość odkształcenia i kierunek naprężenia głównego, odpowiednie do analizy naprężeń.
• Specyfikacja przewodów: Materiałami przewodów są zazwyczaj miedziane druty pokryte srebrem. W przypadku warunków temperatury normalnej stosuje się przewody izolowane PVC, a w przypadku wysokich temperatur – przewody z izolacją PTFE. Długość przewodu musi odpowiadać odległości pomiarowej. W przypadku transmisji na duże odległości (>10 m) wymagane są przewody z warstwą ekranującą, aby uniknąć zakłóceń elektromagnetycznych.

Krok 3: Adaptacja do scenariusza i unikanie błędów w doborze

Wybierz tensometry zgodnie z charakterystyką różnych scenariuszy zastosowań oraz unikaj typowych błędów doboru, aby zapewnić stabilność i niezawodność systemu pomiarowego.

1. Przykłady doboru dla typowych scenariuszy

2. Powszechne błędy doboru i metody ich unikania

• Błąd 1: Koncentracja wyłącznie na czułości tensometru i pomijanie spójności — gdy kilka tensometrów jest używanych w mostku, nawet jeśli czułość pojedynczego tensometru spełnia normę, duże odchylenia partii (>±1%) powodują niestabilność mostka i gwałtownie zwiększają błędy pomiarowe. Sposób unikania: Wymagaj od dostawców przedstawienia raportów z testów czułości dla tensometrów z tej samej partii i kontroluj odchylenie w zakresie ±0,5%.
• Błąd 2: Niezgodność między długością siatki a gradientem odkształcenia — stosowanie tensometrów o dużej długości siatki w obszarach lokalnego skupienia odkształceń, takich jak wierzchołki pęknięć, prowadzi do „uśredniania” mierzonych wartości i nie oddaje rzeczywistego odkształcenia. Zapobieganie: wybierz długość siatki ≤2 mm dla obszarów o dużym gradientzie odkształcenia oraz 5–10 mm dla obszarów o jednostajnym odkształceniu.
• Błąd 3: Pomijanie dopasowania kompensacji temperaturowej do materiału elementu — stosowanie tensometrów skompensowanych dla stali do elementów aluminiowych powoduje poważne błędy temperaturowe z powodu różnic w współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Zapobieganie: wybierz samokompensujące tensometry odpowiednich typów kompensacyjnych zgodnie z materiałem elementu (stal, aluminium, miedź itp.).
• Błąd 4: „Radzenie sobie” z parametrami adaptowalności środowiskowej — stosowanie zwykłych tensometrów z podłożem papierowym w wilgotnych warunkach bez obróbki uszczelniającej spowoduje awarię podłoża z powodu wilgoci w krótkim czasie. Zapobieganie: należy dobrać odpowiedni materiał podłoża zgodnie z klasą środowiska (wilgotne, agresywne chemicznie, wysokotemperaturowe) oraz w razie potrzeby dodać wodoszczelną warstwę uszczelniającą.

Krok 4: Dodatkowe uwagi dotyczące praktycznego doboru

• Zgodność mostka: gdy wiele tensometrów tworzy obwód pełnego lub półmostka, należy zapewnić spójność wartości rezystancji, czynnika tensometrycznego oraz charakterystyk temperaturowych. Zaleca się dobór z tej samej partii, aby zmniejszyć błędy mostka.
• Wymagania kalibracji: dla tensometrów stosowanych w pomiarach handlowych (np. komórek obciążeniowych) lub precyzyjnych pomiarach zaleca się wybór znanych marek objętych ciągłością pomiarową, których produkty uzyskały certyfikację metrologiczną, co ułatwia późniejszą kalibrację systemu.
• Dopasowanie procesu instalacji: W przypadku elementów zakrzywionych należy z góry potwierdzić zdolność tensometru do gięcia (promień krzywizny gięcia ≤ promienia krzywizny elementu). W przypadku tensometrów spawalnych należy dobrać odpowiednie wyposażenie i proces spawania.
• Wsparcie dostawcy: Priorytetowo wybierać dostawców oferujących wsparcie techniczne. Należy poinformować ich o materiale elementu, warunkach obciążenia oraz parametrach środowiskowych, aby uzyskać dokładniejsze rekomendacje doboru i uniknąć niecelnego wyboru samodzielnego.

Podsumowanie: Główne zasady doboru tensometrów oporowych

Istota doboru tensometru oporowego to zamknięty cykl postaci „dekompozycja wymagań → dopasowanie parametrów → weryfikacja w scenariuszu”: najpierw należy zdekomponeować cztery podstawowe wymagania dotyczące „zakresu odkształcenia, dokładności, środowiska i montażu”, następnie celowo dobrać kluczowe parametry, takie jak siatka czuła, podłoże i kompensacja temperatury, a na końcu sprawdzić poprawność wyboru poprzez przykłady sytuacyjne i unikanie błędów.

Jeśli nadal nie masz pewności co do wyboru, możesz przekazać dostawcy następujące informacje: ① materiał elementu i rodzaj obciążenia (jednoosiowe/wieloosiowe); ② maksymalna wartość odkształcenia i wymagana dokładność; ③ temperatura pracy i środowisko medium; ④ dostępna przestrzeń oraz sposób montażu. Dostawca szybko wskaże odpowiedni model.