Метод выбора тензометрических сопротивлений

Тензометрические датчики сопротивления (сокращённо — тензодатчики) являются основными чувствительными компонентами, преобразующими механические деформации конструкций в изменения сопротивления. Они широко используются в тензодатчиках нагрузки, датчиках силы, мониторинге состояния конструкций, испытаниях в аэрокосмической отрасли и других областях. Их выбор напрямую определяет точность, стабильность и срок службы измерительной системы. Основная логика заключается в «двустороннем согласовании характеристик деформации и условий эксплуатации» — это позволяет избежать перерасхода средств из-за избыточности параметров и предотвратить сбои измерений из-за недостаточной производительности. Ниже приведён поэтапный метод выбора, сочетающий технические параметры, адаптацию к условиям окружающей среды и практические ключевые моменты для обеспечения точного подбора.

Шаг 1: Определение основных требований к измерению и сценариев применения (предпосылка для выбора)

Перед выбором необходимо определить «какую деформацию измерять, в какой среде проводить измерения и как выполнять монтаж», что является основой для последующего выбора параметров и позволяет избежать слепого стремления к высоким эксплуатационным характеристикам.

1. Определение основных требований к измерению

• Тип и диапазон деформации: уточните характер деформации измеряемого элемента (статическая деформация, например, изменение формы конструкции под собственным весом, динамическая деформация, например, деформация от механических колебаний) и максимальное значение деформации, оставив запас прочности в 1,2–1,5 раза. Пример: если фактическая максимальная деформация составляет 1000 мкε, следует выбрать тензодатчик с диапазоном измерений 1200–1500 мкε; для динамической деформации (например, ударные нагрузки) рекомендуется предусматривать коэффициент запаса 1,5–2 раза, чтобы избежать повреждения чувствительной решётки вследствие мгновенной перегрузки.
• Требование к точности: требуется ли качественный мониторинг (например, раннее предупреждение о трещинах в конструкциях), количественный анализ (например, калибровка датчиков) или прецизионные измерения (например, испытания напряжений в лаборатории)? Пример: тензометры для измерительных ячеек должны обеспечивать погрешность чувствительности ±0,1 %, для мониторинга состояния конструкций допускается погрешность ≤±0,5 %, а для прецизионных лабораторных измерений требуется погрешность ≤±0,05 %.
• Направление силы: подвергается ли компонент одностороннему усилию (например, изгиб консольной балки), двустороннему (например, механические детали в плоском напряжённом состоянии) или многонаправленному (например, сложные узлы конструкций)? Для одностороннего усилия выбирают однорядные тензометры, а для двустороннего/многонаправленного — двухосные (под прямым углом, розеточные) или многоосные тензометры.
• Частота измерения: при динамических измерениях необходимо уточнить диапазон частоты сигнала деформации. Частота отклика тензодатчика должна быть ≥3-кратной частоте измеряемого сигнала (во избежание искажения сигнала). Пример: для измерения вибрационных деформаций на частоте 50 Гц следует выбрать тензодатчик с частотой отклика ≥150 Гц.

2. Условия монтажа и конструкции

• Характеристики поверхности компонента: является ли поверхность компонента плоской, изогнутой (каков радиус кривизны) или имеет сложную форму? Гибкие тензодатчики (например, фольговые) подходят для изогнутых компонентов; при малом радиусе кривизны (≤10 мм) требуются тензодатчики с короткой базой решетки; для шероховатых поверхностей подходят типы с высокой адгезией основы.
• Пространство для установки: Для узких участков деталей (например, фасок прецизионных элементов) требуются миниатюрные тензометрические датчики (длина решётки ≤2 мм), а для крупногабаритных компонентов в зависимости от равномерности деформации могут выбираться датчики со средней и длинной решёткой.
• Метод установки: Производится ли монтаж с клеевым соединением при комнатной температуре, высокотемпературной пайкой или временным приклеиванием? В условиях высоких температур требуются паяемые тензодатчики, а для временного контроля могут применяться датчики с магнитным креплением.

3. Условия эксплуатации

• Диапазон температур: Необходимо определить диапазон рабочей среды — нормальная температура (-20 ℃~60 ℃), средняя температура (60 ℃~200 ℃), высокая температура (200 ℃~1000 ℃) или низкая температура (<-20 ℃). Диапазон температурной компенсации тензометрического датчика должен полностью охватывать реальные температурные условия, чтобы избежать потери точности из-за температурного дрейфа.
• Среда эксплуатации: есть ли влажность (например, подводные условия, влажные цехи), коррозия (например, кислотно-щелочные газы, загрязнение маслом в химических цехах), пыль или сильное радиационное воздействие? Для влажных условий требуются водонепроницаемые тензометрические датчики, для агрессивных сред — коррозионностойкие материалы (например, сетки из никель-хромового сплава, подложки из полиимида) в сочетании с герметизацией.
• Факторы помех: присутствует ли сильное электромагнитное воздействие (например, рядом с двигателями, высоковольтным оборудованием) или вибрационные удары? В условиях сильных помех требуются тензодатчики со слоем экранирования, а при вибрационных и ударных нагрузках — типы с подложками и клеями, обладающими высокой прочностью.

Шаг 2: Выбор основных технических параметров (точное соответствие требованиям)

После уточнения требований следует сосредоточиться на основных технических параметрах тензометрического датчика — это ключевой этап выбора, который напрямую определяет точность измерений.

1. Основные параметры чувствительной решетки (определяют базовые характеристики измерения)

• Значение сопротивления: традиционное значение сопротивления тензодатчиков составляет 120 Ом (совместимо с большинством тензодатчиков, обладает наибольшей универсальностью), также существуют спецификации 350 Ом и 1000 Ом. Тензодатчики с высоким сопротивлением подходят для систем с низким энергопотреблением, а тензодатчики 120 Ом обладают наивысшей экономической эффективностью в промышленных условиях. При выборе необходимо обеспечить соответствие сопротивления тензодатчика входному сопротивлению измерительного моста (отклонение ≤±5%), чтобы избежать ослабления сигнала.
• Коэффициент тензочувствительности: указывает на пропорциональную зависимость между деформацией и изменением сопротивления (стандартное значение 2,0±0,02), что является ключевым параметром для расчета значения деформации. При выборе следует отдавать предпочтение тензодатчикам с хорошей согласованностью коэффициента тензочувствительности (разброс в партии ≤±1%), особенно при использовании нескольких датчиков в мостовой схеме (например, полномостовой схеме тензодатчика нагрузки), поскольку низкая согласованность приведет к увеличению погрешности измерения.
• Длина и ширина решётки: длина решётки определяет «средний диапазон измерения» тензодатчика. Малая длина решётки (0,2–2 мм) подходит для измерения локальных деформаций (например, у вершины трещины), средняя длина решётки (3–10 мм) — для обычных компонентов, а большая длина решётки (10–100 мм) — для крупногабаритных компонентов с малыми градиентами деформации. Ширина решётки должна соответствовать направлению приложения усилия компонента: узкая ширина — для одностороннего усилия, а широкая ширина или конструкция розетки — для двустороннего усилия.
• Чувствительный сеточный материал:
  • Сплав медь-никель (константан): предпочтителен для условий нормальной температуры (-20℃~150℃), обладает малым температурным коэффициентом и хорошей стабильностью, подходит для тензодатчиков и контроля состояния конструкций;
  • Сплав никель-хром (Карма): для средних и высоких температур (-50℃~400℃), отличается высокой чувствительностью, подходит для контроля двигателей и высокотемпературных трубопроводов;
  • Сплав платина-иридий: для высокотемпературных условий (400℃~1000℃), обладает высокой коррозионной стойкостью, подходит для авиакосмической и металлургической техники;
  • Полупроводниковые материалы: чрезвычайно высокая чувствительность (в 50–100 раз выше, чем у металлов), но низкая температурная стабильность, подходят для прецизионных измерений в лабораториях.

2. Параметры подложки и клея (определяют адаптацию к окружающей среде)

• Материал подложки:
  • Бумажная подложка: низкая стоимость, простота наклейки, подходит для нормальных температур и сухих условий (≤60℃), например, для временного контроля гражданского оборудования;
  • Фенольная смола в качестве подложки: термостойкость до 120 °С, хорошая маслостойкость, подходит для традиционных условий промышленного оборудования;
  • Полиимидная подложка: термостойкость до 250 °С, устойчивость к коррозии и влаге, подходит для химической промышленности, влажных и среднетемпературных условий;
  • Керамическая подложка: термостойкость выше 1000 °С, подходит для экстремальных условий, таких как высокотемпературные печи и авиационные двигатели.
• Тип клея: должен соответствовать материалу подложки и рабочей температуре. Для условий нормальной температуры выбирают клеи на основе цианакрилата (быстросохнущие), для средних температур — эпоксидные смолы (термостойкость до 150 °С), для высоких температур — неорганические клеи (термостойкость выше 500 °С). Прочность клеевого соединения при сдвиге должна быть ≥2 МПа, чтобы избежать отслоения тензодатчика.

3. Параметры температурной компенсации (определение стабильности измерений)

• Метод температурной компенсации:
  • Тензометрические датчики с самокомпенсацией: путем выбора материалов чувствительной решетки изменение сопротивления, вызванное температурой, компенсируется тепловым расширением компонента; подходят для компонентов из одного материала (например, сталь, алюминий), просты в установке и предпочтительны для промышленных применений;
  • Компенсация с помощью компенсационного датчика: дополнительные тензометрические датчики того же типа, что и рабочие, наклеиваются на идентичные, но не подверженные нагрузке участки компонента, а температурные погрешности компенсируются с помощью электрической схемы; подходит для сложных температурных полей или компонентов из нескольких материалов.
• Диапазон температурной компенсации: должен охватывать фактический диапазон рабочих температур. Пример: в условиях цеха при температуре от -10 ℃ до 80 ℃ следует выбирать тензометрический датчик с диапазоном компенсации от -20 ℃ до 100 ℃, чтобы обеспечить температурный запас.

4. Конструкция и параметры выводов (определяют монтаж и передачу сигнала)

• Конструкция тензометрического датчика:
  • Одноосевые тензодатчики: для однонаправленных силовых сценариев (например, консольные балки, тяговые стержни), простая конструкция и низкая стоимость;
  • Двухосевые тензодатчики (тензодатчики под прямым углом): для двунаправленных силовых сценариев (например, элементы плоского напряжённого состояния), позволяют одновременно измерять деформации в двух перпендикулярных направлениях;
  • Тензорозетки (45°, 60°): для многонаправленных силовых сценариев (например, узлы конструкций, сложные детали), позволяют рассчитать главную деформацию и направление главных напряжений, подходят для анализа напряжений.
• Характеристики проводов: материалы проводов обычно представляют собой медные провода с серебряным покрытием. Для условий нормальной температуры выбираются провода с ПВХ изоляцией, а для высоких температур — с фторопластовой (PTFE) изоляцией. Длина провода должна соответствовать расстоянию измерения. Для передачи на большие расстояния (>10 м) требуются провода со shielding-слоем для предотвращения электромагнитных помех.

Шаг 3: Адаптация к сценариям и избежание ошибок выбора

Выбирайте тензометрические датчики в соответствии с характеристиками различных сценариев применения и избегайте типичных ошибок выбора, чтобы обеспечить стабильность и надежность измерительной системы.

1. Примеры выбора для типичных сценариев

2. Распространённые ошибки выбора и методы их предотвращения

• Ошибка 1: Уделение внимания только коэффициенту тензочувствительности и игнорирование согласованности — при использовании нескольких датчиков в мостовой схеме даже если коэффициент одного датчика соответствует стандарту, значительные отклонения партии (>±1%) вызовут дисбаланс моста и резко увеличат погрешность измерений. Метод предотвращения: требовать от поставщиков предоставления отчётов об испытаниях коэффициента тензочувствительности для датчиков одной партии и ограничивать отклонение в пределах ±0,5%.
• Ошибка 2: Несоответствие длины решётки и градиента деформации — использование тензодатчиков с большой длиной решётки в местах локальной концентрации деформаций, таких как вершины трещин, приведёт к «усреднению» измеряемых значений и невозможности отразить реальную деформацию. Способ предотвращения: выбирайте длину решётки ≤2 мм для участков с большим градиентом деформации и 5–10 мм для участков с равномерной деформацией.
• Ошибка 3: Игнорирование согласования между температурной компенсацией и материалом детали — использование тензодатчиков, скомпенсированных по стали, на алюминиевых деталях вызовет значительные температурные погрешности из-за различий в коэффициентах теплового расширения. Способ предотвращения: выбирайте самокомпенсирующие тензодатчики соответствующих типов компенсации в зависимости от материала детали (сталь, алюминий, медь и т.д.).
• Ошибка 4: «Удовлетворение» параметрами адаптации к окружающей среде — использование тензодатчиков с бумажной основой в условиях повышенной влажности без герметизации приведет к выходу из строя основы из-за воздействия влаги в кратчайшие сроки. Меры предупреждения: выбирайте соответствующие материалы основы в зависимости от класса окружающей среды (влажная/агрессивная/высокотемпературная), при необходимости наносите водонепроницаемые герметизирующие покрытия.

Шаг 4: Дополнительные замечания по практическому выбору

• Совместимость моста: При формировании полномостовой/полумостовой схемы из нескольких датчиков необходимо обеспечить согласованность значений сопротивления, коэффициента тензочувствительности и температурных характеристик тензодатчиков. Рекомендуется выбирать датчики из одной партии, чтобы уменьшить погрешности моста.
• Требования к калибровке: Для тензодатчиков, используемых при торговых расчетах (например, в датчиках нагрузки) или при точных измерениях, следует выбирать проверенные бренды, продукция которых прошла метрологическую сертификацию, что облегчает последующую калибровку системы.
• Соответствие процессу установки: Для изогнутых компонентов заранее подтвердите гибочные характеристики тензодатчика (радиус кривизны изгиба ≤ радиус кривизны компонента). Для свариваемых тензодатчиков подберите соответствующее сварочное оборудование и технологию.
• Поддержка поставщика: Отдавайте предпочтение поставщикам, предоставляющим техническую поддержку. Сообщите им материал компонента, условия нагрузки и параметры окружающей среды, чтобы получить более точные рекомендации по выбору и избежать необоснованного самостоятельного отбора.

Резюме: Основная логика выбора тензодатчика сопротивления

Суть выбора тензометрического сопротивления — это замкнутый цикл «декомпозиция требований → сопоставление параметров → проверка в сценариях»: сначала необходимо разложить четыре основных требования — «диапазон деформации, точность, окружающая среда и монтаж», затем целенаправленно подобрать ключевые параметры, такие как чувствительная решётка, основание и температурная компенсация, и в конце проверить обоснованность выбора на примерах применения и типичных ошибках.

Если вы всё ещё сомневаетесь в выборе, вы можете предоставить поставщику следующую информацию: ① материал детали и тип нагрузки (одноосная/двухосная); ② максимальное значение деформации и требование к точности; ③ рабочая температура и условия окружающей среды; ④ пространство для установки и способ монтажа. Поставщик сможет быстро определить подходящую модель.