Metoda de selecție a traductoarelor rezistive de tensiune

Traductoarele rezistive de deformare (denumite pe scurt traductoare de deformare) sunt componente sensibile centrale care transformă deformarea mecanică a elementelor structurale în variații ale rezistenței electrice, fiind utilizate în mod frecvent în celule de încărcare, senzori de forță, monitorizarea stării de sănătate a structurilor, testarea în domeniul aerospațial și alte aplicații. Alegerea acestora determină direct precizia, stabilitatea și durata de viață a sistemului de măsurare. Logica principală este „potrivirea bidirecțională între caracteristicile de deformare și mediul de funcționare“ — evitând risipa de costuri cauzată de parametri redundanți și prevenind eșecurile de măsurare datorate performanței insuficiente. Mai jos este prezentată o metodă completă de selecție, care combină parametri tehnici, adaptarea la mediu și aspecte practice cheie pentru a facilita o alegere precisă.

Pasul 1: Clarificarea cerințelor principale de măsurare și a scenariilor de aplicare (condiție prealabilă pentru selecție)

Înainte de selecție, este necesar să se definească «ce tip de deformație să se măsoare, în ce condiții de mediu să se facă măsurarea și cum să se instaleze», ceea ce reprezintă baza pentru selecția ulterioară a parametrilor și evită urmărirea oarbă a unor parametri cu performanțe ridicate.

1. Definirea cerințelor principale de măsurare

• Tipul și domeniul de deformație: Se clarifică natura deformației componentului măsurat (deformație statică, cum ar fi deformația datorată greutății structurale, sau deformație dinamică, cum ar fi deformația datorată vibrațiilor mecanice) și valoarea maximă a deformației, rezervându-se un domeniu de siguranță de 1,2~1,5 ori. Exemplu: Dacă deformația maximă reală este de 1000με, trebuie selectat un traductor de deformație cu un domeniu de 1200~1500με; pentru deformații dinamice (de exemplu, sarcini de impact), se recomandă rezervarea unui factor de siguranță de 1,5~2 ori pentru a evita deteriorarea grilei sensibile cauzată de suprasarcina instantanee.
• Cerința de precizie: Este vorba despre monitorizare calitativă (cum ar fi avertizarea timpurie privind fisurile structurale), analiză cantitativă (cum ar fi calibrarea senzorilor) sau măsurare de precizie (cum ar fi testarea în laborator a solicitărilor)? Exemplu: Traductoarele de deformație pentru celule de sarcină trebuie să respecte o eroare de sensibilitate de ±0,1%, monitorizarea stării de sănătate a structurilor poate avea o eroare de ≤±0,5%, iar măsurarea de precizie în laborator necesită ≤±0,05%.
• Direcția forței: Este componenta supusă unei forțe unidirecționale (cum ar fi încovoierea grinzii în consolă), bidirecționale (cum ar fi piesele mecanice aflate într-o stare plană de tensiune) sau multidirecționale (cum ar fi nodurile structurale complexe)? Alegeți traductori de deformație uniaxiali pentru forțe unidirecționale și traductori biaxiali (unghi drept, rosetă de deformație) sau multiaxiali pentru forțe bidirecționale/multidirecționale.
• Frecvența de măsurare: Pentru măsurarea dinamică, trebuie clarificat domeniul de frecvență al semnalului de deformație. Frecvența de răspuns a traductorului de deformație trebuie să fie ≥3 ori frecvența semnalului măsurat (pentru a evita distorsiunea semnalului). Exemplu: Pentru măsurarea deformației la vibrații de 50 Hz, trebuie selectat un traductor de deformație cu o frecvență de răspuns de ≥150 Hz.

2. Instalare și condiții structurale

• Caracteristicile suprafeței componentului: Suprafața componentului este plană, curbă (care este raza de curbură) sau de formă specială? Traductoarele de deformație flexibile (de exemplu, tip folie) sunt potrivite pentru componente curbe, iar traductoarele cu lungime mică a grilei sunt necesare pentru raze mici de curbură (≤10 mm); tipurile cu adeziune puternică a suportului sunt potrivite pentru suprafețe aspre.
• Spațiu de instalare: Sunt necesari traductori miniaturizați (lungimea grilei ≤2 mm) pentru zonele înguste ale componentelor (cum ar fi teșiturile pieselor de precizie), iar pentru componentele de dimensiuni mari se pot alege traductori cu grilă medie sau lungă, în funcție de uniformitatea deformației.
• Metodă de instalare: Este vorba de o montare prin lipire la temperatură ambiantă, montare la cald prin sudură sau lipire temporară? În cazul aplicațiilor la temperaturi ridicate sunt necesari traductori sudabili, iar pentru monitorizarea temporară se pot utiliza traductori cu fixare magnetică.

3. Condiții de lucru în mediu

• Gamă de temperatură: Se precizează domeniul de temperatură normală (-20℃~60℃), medie (60℃~200℃), înaltă (200℃~1000℃) sau joasă (＜-20℃). Domeniul de compensare termică al traductorului trebuie să acopere integral temperatura reală, pentru a evita influența asupra preciziei datorată deriverii termice.
• Mediu mediu: Există umiditate (cum ar fi sub apă, ateliere umede), coroziune (cum ar fi gaze acido-bazice, poluare cu ulei în ateliere chimice), praf sau radiații puternice? Pentru mediile umede sunt necesare traductoare de forță impermeabile, iar pentru mediile corozive sunt necesare materiale rezistente la coroziune (cum ar fi grile din aliaj nichel-crom, suporturi din poliimida), combinate cu un tratament de etanșare.
• Factori de interferență: Există interferențe electromagnetice puternice (cum ar fi în apropierea motoarelor, echipamente înalte tensiune) sau impact vibrațional? În cazurile cu interferențe puternice sunt necesare traductoare de forță cu straturi de ecranare, iar în cazurile cu vibrații sunt necesare tipuri cu suporturi și adezivi de mare tenacitate.

Pasul 2: Selectarea parametrilor tehnici principali (potriviți precis cerințele)

După clarificarea cerințelor, concentrați-vă asupra parametrilor tehnici principali ai traductorului de forță, care reprezintă veriga esențială a selecției și determină direct performanța măsurării.

1. Parametrii de bază ai grilei sensibile (determină performanța de măsurare de bază)

• Valoarea rezistenței: Valoarea obișnuită a rezistenței pentru traductoarele tensometrice este de 120Ω (compatibilă cu majoritatea traductoarelor tensometrice, având cea mai mare versatilitate), existând și specificații precum 350Ω și 1000Ω. Traductoarele tensometrice cu rezistență înaltă sunt potrivite pentru sistemele cu consum redus de energie, iar cele de 120Ω oferă cel mai bun raport cost-performanță în aplicațiile industriale. La alegere, asigurați-vă că valoarea rezistenței traductorului tensometric corespunde rezistenței de intrare a acestuia (abaterea ≤±5%) pentru a evita atenuarea semnalului.
• Factorul de sensibilitate: Indică relația proporțională dintre deformație și schimbarea rezistenței (valoare convențională 2,0±0,02), fiind un parametru cheie pentru calculul valorii deformației. La alegere, trebuie acordată prioritate extensometrelor cu o bună consistență a factorului de sensibilitate (abatere de lot ≤±1%), mai ales atunci când se utilizează mai multe extensometre într-un punte (de exemplu, un circuit complet în punte al unei celule de încărcare), o consistență slabă ducând la creșterea erorilor de măsurare.
• Lungimea și lățimea grilei: Lungimea grilei determină "intervalul mediu de măsurare" al extensometrului. O lungime mică a grilei (0,2~2 mm) este potrivită pentru măsurarea deformațiilor locale (de exemplu, vârfuri de fisuri), o lungime medie a grilei (3~10 mm) este potrivită pentru componente obișnuite, iar o lungime mare a grilei (10~100 mm) este potrivită pentru componente de dimensiuni mari cu gradient redus al deformației. Lățimea grilei trebuie să corespundă direcției forței componentei: lățime îngustă pentru forță unidirecțională, și lățime mare sau structură de rosetă pentru forță bidirecțională.
• Material grilă sensibil:
  • Aliaj cupru-nichel (Constantan): Preferat pentru scenarii de temperatură normală (-20℃~150℃), cu coeficient redus de temperatură și stabilitate bună, potrivit pentru celule de sarcină și monitorizarea structurilor;
  • Aliaj nichel-crom (Karma): Pentru scenarii de temperatură medie și înaltă (-50℃~400℃), cu sensibilitate ridicată, potrivit pentru motor și monitorizarea conductelor la temperatură înaltă;
  • Aliaj platin-iridiu: Pentru scenarii de temperatură înaltă (400℃~1000℃), cu rezistență mare la coroziune, potrivit pentru echipamente aero-spațiale și metalurgice;
  • Materiale semiconductoare: Sensibilitate extrem de ridicată (de 50~100 ori mai mare decât a metalelor), dar stabilitate termică slabă, potrivit pentru măsurători de precizie în laborator.

2. Parametrii substratului și adezivului (Determină adaptabilitatea la mediu)

• Materialul substratului:
  • Substrat din hârtie: Costuri reduse, ușor de aplicat, potrivit pentru temperaturi normale și medii uscate (≤60℃), cum ar fi monitorizarea temporară a echipamentelor civile;
  • Substrat din rășină fenolică: rezistență la temperaturi de 120℃, rezistență bună la ulei, potrivit pentru scenarii obișnuite de mașini industriale;
  • Substrat din poliimid: rezistență la temperaturi de 250℃, rezistență la coroziune și apă, potrivit pentru scenarii chimice, umede și cu temperaturi medii-mari;
  • Substrat ceramic: rezistență la temperaturi peste 1000℃, potrivit pentru medii extreme precum cuptoarele la înaltă temperatură și motoarele aeronautice.
• Tipul adezivului: Trebuie să fie compatibil cu materialul substratului și temperatura de funcționare. Se utilizează adezivi pe bază de cianoacrilat (uscare rapidă) pentru condiții de temperatură normală, adezivi pe bază de rășină epoxidică (rezistență la temperaturi de 150℃) pentru condiții de temperatură medie și adezivi anorganici (rezistență la temperaturi peste 500℃) pentru condiții de temperatură ridicată. Rezistența la forfecare a adezivului trebuie să fie ≥2MPa pentru a evita desprinderea extensometrului.

3. Parametri de compensare termică (Determină stabilitatea măsurătorii)

• Metoda de compensare termică:
  • Traductoare de tensiune auto-compensate: Prin alegerea materialelor pentru grila sensibilă, modificarea rezistenței cauzată de temperatură este compensată de dilatarea termică a componentului, fiind potrivite pentru componente dintr-un singur material (cum ar fi oțel, aluminiu), ușor de instalat și preferate în aplicații industriale;
  • Compensare cu traductor auxiliar: Se aplică traductoare suplimentare de același model ca cele active pe componente identice dar neîncărcate, iar erorile de temperatură sunt compensate prin circuite electrice, fiind potrivit pentru câmpuri complexe de temperatură sau componente din materiale diverse.
• Plaja de compensare a temperaturii: Trebuie să acopere întregul domeniu de temperatură în funcționare. Exemplu: Într-un mediu de atelier de -10℃~80℃, trebuie ales un traductor de tensiune cu o plajă de compensare de -20℃~100℃ pentru a asigura o marjă de siguranță termică.

4. Parametrii structurii și ai cablurilor (Determină instalarea și transmiterea semnalului)

• Structura traductorului de tensiune
  • Traductoare de tensiune uniaxiale: Pentru scenarii cu forțe unidirecționale (cum ar fi grinzi în consolă, tiranți), structură simplă și cost redus;
  • Traductoare de tensiune biaxiale (traductoare la unghi drept): Pentru scenarii cu forțe bidirecționale (cum ar fi componente sub stres plan), pot măsura deformațiile în două direcții perpendiculare simultan;
  • Rozele de deformare (45°, 60°): Pentru scenarii cu forțe multidirecționale (cum ar fi noduri structurale, piese complexe), pot calcula direcția deformației principale și direcția tensiunii principale, potrivite pentru analiza tensiunilor.
• Specificații cablu: Materialele cablurilor sunt de obicei fire din cupru placate cu argint. Se aleg cabluri izolate cu PVC pentru scenarii la temperatură normală și cabluri izolate cu PTFE pentru scenarii la temperatură ridicată. Lungimea cablului trebuie să corespundă distanței de măsurare. Pentru transmisii pe distanțe lungi (>10 m), sunt necesare cabluri cu straturi de ecranare pentru a evita interferențele electromagnetice.

Pasul 3: Adaptarea la scenariu și evitarea erorilor de selecție

Selectați traductoarele de tensiune în funcție de caracteristicile diferitelor scenarii de aplicație și evitați erorile comune de selecție pentru a asigura stabilitatea și fiabilitatea sistemului de măsurare.

1. Exemple tipice de selecție după scenariu

2. Erori comune de selecție și metode de evitare

• Eroare 1: Concentrarea doar pe factorul de sensibilitate și ignorarea consistenței — atunci când se folosesc mai mulți traductori într-un punte, chiar dacă factorul de sensibilitate al unui singur traductor respectă standardul, abaterile mari ale lotului (>±1%) vor provoca dezechilibrul punții și vor crește brusc erorile de măsurare. Evitare: Solicitați furnizorilor să ofere rapoarte de testare a factorului de sensibilitate pentru traductori din același lot și controlați abaterea în limitele ±0,5%.
• Greșeala 2: Nepotrivire între lungimea grilei și gradientul de deformație—utilizarea traductoarelor de deformație cu grilă lungă în zonele de concentrație locală a deformației, cum ar fi vârfurile de fisură, va duce la „medierea” valorilor măsurate și la incapacitatea de a reflecta deformația reală. Evitare: Selectați traductoare cu lungimea grilei ≤2 mm pentru zonele cu gradient mare de deformație și 5~10 mm pentru zonele cu deformație uniformă.
• Greșeala 3: Ignorarea potrivirii dintre compensarea termică și materialul componentei—utilizarea traductoarelor de deformație compensate pentru oțel pe componente din aluminiu va provoca erori termice semnificative datorită diferențelor de coeficient de dilatare termică. Evitare: Selectați traductoare de deformație auto-compensatoare de tipul corespunzător compensării, în funcție de materialul componentei (oțel, aluminiu, cupru etc.).
• Greșeala 4: Utilizarea unor parametri de adaptabilitate la mediu necorespunzători — alegerea unor traductoare cu suport din hârtie obișnuită în medii umede fără tratament de etanșare va duce la defectarea suportului din cauza umezelii într-un timp scurt. Soluție: Alegeți materiale corespunzătoare de suport conform claselor de mediu (umed/coroziv/înaltă temperatură) și adăugați, dacă este necesar, straturi protectoare impermeabile.

Pasul 4: Observații suplimentare privind selecția practică

• Compatibilitatea punții: Când mai multe traductoare formează un circuit în punte completă/semi-punte, asigurați-vă că valorile rezistenței, factorul de sensibilitate și caracteristicile termice ale traductoarelor sunt consistente. Se recomandă selectarea din aceeași serie pentru a reduce erorile de punte.
• Cerințe de calibrare: Pentru traductoarele utilizate în tranzacții comerciale (de exemplu, celule de sarcină) sau în măsurători precise, alegeți mărci care oferă urmărirea datelor și asigurați-vă că produsele au trecut certificarea metrologică, facilitând astfel calibrarea ulterioară a sistemului.
• Potrivirea procesului de instalare: Pentru componentele curbe, confirmați în prealabil performanța senzorului de tensiune la îndoire (raza de curbură îndoită ≤ raza de curbură a componentei). Pentru senzorii de tensiune sudabili, asigurați potrivirea cu echipamentul și procesul de sudare corespunzător.
• Suport furnizor: Dați prioritate furnizorilor care oferă asistență tehnică. Informați-i despre materialul componentei, condițiile de forță și parametrii de mediu pentru a obține recomandări de selecție mai precise și pentru a evita selecția independentă fără orientare.

Rezumat: Logica centrală a selecției senzorului de tensiune rezistiv

Esenta alegerii traductorului rezistiv de deformație este un ciclu închis de tipul „descompunerea cerințelor → potrivirea parametrilor → verificarea scenariului”: mai întâi se descompun cele patru cerințe principale referitoare la „domeniul de deformație, precizie, mediu și montaj”, apoi se asociază în mod specific parametri-cheie precum grila sensibilă, suportul și compensarea temperaturii, iar în final se verifică corectitudinea alegerii prin exemple de scenariu și evitarea erorilor.

Dacă încă nu sunteți sigur cu privire la alegere, puteți pune la dispoziția furnizorului următoarele informații: ① Materialul componentei și tipul forței (uniaxial/bidirecțional); ② Valoarea maximă a deformației și cerința de precizie; ③ Temperatura de funcționare și mediul înconjurător; ④ Spațiul disponibil și metoda de montaj. Furnizorul va putea astfel identifica rapid modelul potrivit.