Metóda výberu odporových tenzometrov

Odporové tenzometry (ďalej len tenzometry) sú kľúčové citlivé komponenty, ktoré premieňajú mechanické napätie konštrukčných prvkov na zmeny odporu a sú široko využívané v snímačoch záťaže, silových senzoroch, monitorovaní stavu konštrukcií, testovaní v leteckej a vesmírnej technike a iných oblastiach. Ich výber priamo určuje presnosť, stabilitu a životnosť meracieho systému. Základnou logikou je „dvojsmerné prispôsobenie vlastností tenzometra a prevádzkového prostredia“ – zabráni sa tak nadmerným nákladom spôsobeným prebytkom parametrov a zároveň sa predchádza zlyhaniu merania kvôli nedostatočným výkonom. Nižšie je uvedená metóda výberu v celom procese, ktorá kombinuje technické parametre, prispôsobenie prostrediu a praktické kľúčové body na podporu presného výberu.

Krok 1: Ujasnenie základných požiadaviek na meranie a aplikačných scenárov (predpoklad výberu)

Pred výberom je potrebné definovať „aký druh deformácie sa má merať, v akom prostredí sa má merať a ako sa bude inštalovať“, čo predstavuje základ pre následný výber parametrov a umožňuje vyhnúť sa slepému sledovaniu vysokovýkonných parametrov.

1. Definícia základných požiadaviek na meranie

• Typ a rozsah deformácie: Ujasnite si povahu deformácie meranej súčasti (statická deformácia, ako napríklad deformácia spôsobená vlastnou hmotnosťou konštrukcie, alebo dynamická deformácia, ako napríklad deformácia pri mechanickom vibrácii) a maximálnu hodnotu deformácie, pričom zvoľte bezpečnostný rozsah 1,2–1,5-násobok. Príklad: Ak je skutočná maximálna deformácia 1000 με, mala by sa vybrať tenzometrická sonda s rozsahom 1200–1500 με; pri dynamickej deformácii (napr. nárazové zaťaženie) sa odporúča zvoliť bezpečnostný faktor 1,5–2-násobok, aby sa predišlo poškodeniu meracieho mriežky spôsobenému okamžitým preťažením.
• Požiadavka na presnosť: Ide o kvalitatívne monitorovanie (napríklad včasná výstraha pred trhlinami v konštrukcii), kvantitatívnu analýzu (napríklad kalibráciu snímačov) alebo presné meranie (napríklad laboratórne testovanie zaťaženia)? Príklad: Tenziometre pre meracie články musia spĺňať chybu citlivosti ±0,1 %, pri monitorovaní stavu konštrukcie môže byť chyba ≤±0,5 % a pri laboratórnom presnom meraní sa vyžaduje ≤±0,05 %.
• Smer sily: Je komponent vystavený jednosmernému zaťaženiu (napríklad ohyb konzoly), obojsmernému zaťaženiu (napríklad mechanické súčiastky v rovinovom napätom stave) alebo viacsmernej sile (napríklad zložité uzly konštrukcie)? Pre jednosmerné zaťaženie vyberte jednoosé tenziometry a pre obojsmerné/viacsmerné zaťaženie použite dvojosé (pravouhlé, tenzometrické rôžice) alebo viacosié tenziometry.
• Frekvencia merania: Pri dynamickom meraní je potrebné upresniť frekvenčné pásmo signálu deformácie. Odozvová frekvencia tenzometra musí byť ≥3-násobkom frekvencie meraného signálu (za účelom vyhnutia sa skresleniu signálu). Príklad: Na meranie vibračnej deformácie 50 Hz je potrebné vybrať tenzometer s odozvovou frekvenciou ≥150 Hz.

2. Inštalácia a konštrukčné podmienky

• Vlastnosti povrchu komponentu: Je povrch komponentu rovný, zakrivený (aký je polomer krivosti) alebo tvarovo špecifický? Pružné tenzometry (napr. fóliové) sú vhodné pre zakrivené komponenty, pri malom polomere krivosti (≤10 mm) sa vyžadujú tenzometry s krátkou mriežkovou dĺžkou; typy s vysokou adhéziou nosiča sú vhodné pre drsné povrchy.
• Inštalačný priestor: Pre úzke oblasti komponentov (napríklad fazety presných súčiastok) sú potrebné miniaturizované tenzometry (dĺžka mriežky ≤2 mm), zatiaľ čo pre veľké komponenty možno vybrať tenzometry so strednou alebo dlhou dĺžkou mriežky v závislosti od rovnomernosti deformácie.
• Spôsob inštalácie: Ide o inštaláciu lepením pri izbovej teplote, zváraním za vysokých teplôt alebo dočasným prilepením? Pre aplikácie pri vysokých teplotách sú potrebné zvárateľné tenzometry, pre dočasné monitorovanie možno použiť tenzometry s magnetickým upevnením.

3. Prevádzkové podmienky prostredia

• Teplotný rozsah: Uveďte rozsah prevádzkovej teploty – bežná teplota (-20 ℃ až 60 ℃), stredná teplota (60 ℃ až 200 ℃), vysoká teplota (200 ℃ až 1000 ℃) alebo nízka teplota (< -20 ℃). Rozsah teplotnej kompenzácie tenzometra musí plne pokrývať skutočnú teplotu, aby sa predišlo strate presnosti spôsobenej teplotným posunom.
• Stredné prostredie: Je tam vlhkosť (napríklad pod vodou, vlhké dielne), korózia (napríklad kyslé alebo zásadité plyny, znečistenie olejmi v chemických dielniach), prach alebo silné žiarenie? Pre vlhké prostredie sú potrebné vodotesné tenzometry, pre agresívne prostredie sú potrebné materiály odolné voči korózii (napríklad nikel-chromové zliatiny, polyimidové nosníky), ktoré sa kombinujú so zásterou.
• Rušivé faktory: Vyskytuje sa silné elektromagnetické rušenie (napríklad v blízkosti motorov, vysokonapäťových zariadení) alebo vibrácie a nárazy? Pre scenáre s vysokým rušením sú potrebné tenzometry so stínivými vrstvami, pre scenáre s vibráciami a nárazmi sú potrebné typy s dobrými vlastnosťami pevnosti nosníkov a lepidiel.

Krok 2: Výber kľúčových technických parametrov (presné prispôsobenie požiadavkám)

Po objasnení požiadaviek sa sústreďte na kľúčové technické parametre tenzometra, čo je kľúčový krok výberu a priamo určuje merací výkon.

1. Základné parametre senzorovej mriežky (určujú základný výkon merania)

• Hodnota odporu: Bežná hodnota odporu tenzometrov je 120 Ω (kompatibilné s väčšinou tenzometrov, najvyššia univerzálnosť), existujú aj špecifikácie ako 350 Ω a 1000 Ω. Tenzometry s vysokým odporom sú vhodné pre systémy s nízkou spotrebou energie a tenzometry 120 Ω majú v priemyselných aplikáciách najvyššiu cenovú efektivitu. Pri výbere sa uistite, že hodnota odporu tenzometra zodpovedá vstupnému odporu tenzometra (odchýlka ≤ ±5 %), aby sa predišlo útlmu signálu.
• Merný faktor: Označuje priamoúmerný vzťah medzi deformáciou a zmenou odporu (bežná hodnota 2,0 ± 0,02), čo je kľúčový parameter pre výpočet hodnoty deformácie. Pri výbere je potrebné uprednostniť tenzometre s dobrou konzistenciou mernej hodnoty (odchýlka série ≤ ±1 %), najmä keď sa viacero tenzometrov používa v mostíku (napr. celomostíkové zapojenie snímača sily), keď zlá konzistencia spôsobí zvýšenie chyby merania.
• Dĺžka a šírka mriežky: Dĺžka mriežky určuje „priemerný rozsah merania“ tenzometra. Malá dĺžka mriežky (0,2–2 mm) je vhodná na meranie lokálnej deformácie (napr. na špičkách trhlín), stredná dĺžka mriežky (3–10 mm) je vhodná pre bežné komponenty a veľká dĺžka mriežky (10–100 mm) je vhodná pre veľkorozmerné komponenty s malým gradientom deformácie. Šírka mriežky musí byť prispôsobená smeru pôsobenia sily na komponente: úzka šírka mriežky pre jednosmerné zaťaženie a široká šírka mriežky alebo štruktúra tenzometrickej ružice pre obojsmerné zaťaženie.
• Citlivý mriežkový materiál:
  • Meďniklová zliatina (konštantán): Preferovaná pre bežné teplotné podmienky (-20 ℃ až 150 ℃), s malým teplotným koeficientom a dobrou stabilitou, vhodná pre snímače záťaže a štrukturálny monitoring;
  • Niklochrómová zliatina (Karma): Pre stredné a vysoké teploty (-50 ℃ až 400 ℃), s vysokou citlivosťou, vhodná pre monitorovanie motorov a vysokoteplotných potrubí;
  • Platino-irídiová zliatina: Pre vysoké teploty (400 ℃ až 1000 ℃), s vysokou odolnosťou voči korózii, vhodná pre letecký a kovový priemysel;
  • Polovodičové materiály: Extrémne vysoká citlivosť (50 až 100-násobok oproti kovom), ale slabá teplotná stabilita, vhodné pre presné merania v laboratóriách.

2. Parametre nosiča a lepiacej hmoty (určujú odolnosť voči prostrediu)

• Materiál nosiča:
  • Papierový nosič: Nízka cena, ľahké nalepenie, vhodné pre bežnú teplotu a suché prostredie (≤60 ℃), napríklad dočasné monitorovanie civilných zariadení;
  • Fenolická pryskyřicová podložka: Odolnost proti teplotě 120 °C, dobrá odolnost vůči oleji, vhodná pro běžné průmyslové strojní aplikace;
  • Polyimidová podložka: Odolnost proti teplotě 250 °C, odolnost vůči korozi a vodě, vhodná pro chemické, vlhké a střední až vysoké teplotní podmínky;
  • Keramická podložka: Odolnost proti teplotě nad 1000 °C, vhodná pro extrémní prostředí, jako jsou vysokoteplotní peci a letecké motory.
• Typ lepidla: Musí odpovídat materiálu podložky a provozní teplotě. Pro běžné teploty se používají lepidla na bázi kyanakrylátu (rychle tuhnoucí), pro střední teploty lepidla na bázi epoxidové pryskyřice (odolnost do 150 °C) a pro vysoké teploty anorganická lepidla (odolnost nad 500 °C). Smyková pevnost lepidla musí být ≥2 MPa, aby nedošlo k odtržení tenzometru.

3. Parametre kompenzácie teploty (určujú stabilitu merania)

• Metóda teplotnej kompenzácie:
  • Samokompenzujúce tenzometre: Výberom materiálov citlivých mriežok sa zmena odporu spôsobená teplotou vyrovnáva tepelnou rozťažnosťou súčiastky, vhodné pre jednoprúdové komponenty (napr. oceľ, hliník), jednoduchá inštalácia, uprednostňované v priemyselných aplikáciách;
  • Kompenzácia pomocou kompenzačných tenzometrov: Dodatočné tenzometre rovnakého typu ako pracovné sa nalepia na neprenapäté identické komponenty a teplotné chyby sa vyrovnajú cez obvod, vhodné pre komplexné teplotné polia alebo viacmateriálové komponenty.
• Rozsah teplotnej kompenzácie: Musí pokrývať skutočný prevádzkový teplotný rozsah. Príklad: V prostredí dielne -10 °C až 80 °C by mal byť vybratý tenzometer s kompenzačným rozsahom -20 °C až 100 °C, aby bol zabezpečený teplotný rezervný rozsah.

4. Štruktúra a parametre prívodov (určujú inštaláciu a prenos signálu)

• Štruktúra tenzometra:
  • Jednoosé tenzometry: Pre jednosmerné zaťaženie (napr. konzolové nosníky, tyče), jednoduchá štruktúra a nízka cena;
  • Dvojosé tenzometry (tenzometry s pravým uhlom): Pre dvojsmerné zaťaženie (napr. rovinné napätia), umožňujú súčasné meranie deformácií vo dvoch kolmých smeroch;
  • Tenzometrické fareby (45°, 60°): Pre viacsmerne namáhané situácie (napr. uzly konštrukcií, komplexné diely), umožňujú výpočet hlavnej deformácie a smeru hlavného napätia, vhodné pre analýzu napätia.
• Špecifikácie vodičov: Materiál vodičov je zvyčajne meď pozlátená striebrom. Pre bežné teploty sa používajú vodiče s PVC izoláciou, pre vysoké teploty vodiče s izoláciou z PTFE. Dĺžka vodiča musí zodpovedať meranej vzdialenosti. Pri dlhších prenosoch (>10 m) sa vyžadujú vodiče so stínivou vrstvou, aby sa predišlo elektromagnetickému rušeniu.

Krok 3: Prispôsobenie scenáru a vyhýbanie sa chybám pri výbere

Vyberte tenzometre podľa charakteristík rôznych aplikačných scenárov a vyhýbajte sa bežným chybám pri výbere, aby ste zabezpečili stabilitu a spoľahlivosť meracieho systému.

1. Príklady výberu pre typické scenáre

2. Bežné chyby pri výbere a spôsoby ich predchádzania

• Chyba 1: Zameralenie sa len na faktor mriežky a ignorovanie konzistencie – pri použití viacerých mriežok v mostíku môže už veľká odchýlka v dávke (>±1 %) spôsobiť nerovnováhu mostíka a prudko zvýšiť chyby merania, aj keď faktor jednotlivej mriežky spĺňa štandard. Náprava: Vyžadovať od dodávateľov testovacie správy o faktore mriežky pre tenzometre rovnakej dávky a obmedziť odchýlku na hodnotu do ±0,5 %.
• Chyba 2: Nesúlad medzi dĺžkou mriežky a gradientom deformácie – použitie tenzometrov s dlhou mriežkou v oblastiach lokálneho koncentrovaného napätia, ako sú hroty trhlín, spôsobí „vyrovnanie“ nameraných hodnôt a neprejaví skutočnú deformáciu. Náprava: Vyberte dĺžku mriežky ≤2 mm pre oblasti s veľkým gradientom deformácie a 5–10 mm pre oblasti s rovnomernou deformáciou.
• Chyba 3: Ignorovanie zhody medzi teplotnou kompenzáciou a materiálom komponentu – použitie tenzometrov kompenzovaných pre oceľ na hliníkové komponenty spôsobí vážne teplotné chyby kvôli rozdielom v koeficientoch tepelného rozťažnosti. Náprava: Vyberte samokompenzujúce tenzometry s príslušným typom kompenzácie podľa materiálu komponentu (oceľ, hliník, meď atď.).
• Chyba 4: Používanie bežných tenzometrických meračov na papierovej báze v vlhkých prostrediach bez tesniacej úpravy spôsobí krátke trvanie funkčnosti substrátu kvôli vlhkosti. Náprava: Vyberte vhodné materiály substrátu podľa triedy prostredia (vlhké/korózne/vysokoteplotné) a v prípade potreby použite vodotesné tesniace povrchy.

Krok 4: Dodatočné poznámky k praktickému výberu

• Kompatibilita mostíka: Ak viacero snímačov tvorí celý alebo polovičný mostík, uistite sa, že hodnota odporu, faktor snímania a teplotné charakteristiky tenzometrov sú rovnaké. Odporúča sa výber z tej istej dávky, aby sa znížili chyby mostíka.
• Požiadavky na kalibráciu: Pre tenzometry používané pri obchodných prevodoch (napr. snímače záťaže) alebo presnom meraní vyberte sledovateľné značky, ktoré majú metrologické certifikácie, čo uľahčuje následnú kalibráciu systému.
• Zhoda procesu inštalácie: U ohnutých komponentov dopredu overte ohybové vlastnosti tenzometra (polomer krivosti ohybu ≤ polomer krivosti komponentu). U zvárateľných tenzometrov zabezpečte zhodu príslušného zváracieho zariadenia a procesu.
• Podpora dodávateľa: Uprednostňujte dodávateľov, ktorí poskytujú technickú podporu. Informujte ich o materiáli komponentu, silovom zaťažení a environmentálnych parametroch, aby ste získali presnejšie odporúčania pri voľbe a vyhli sa slepému výberu.

Zhrnutie: Kľúčová logika výberu odporového tenzometra

Podstata výberu odporovej tenzometrickej snímača je uzavretá slučka typu „dekompozícia požiadaviek → priradenie parametrov → overenie scenára“: najskôr dekomponujte štyri kľúčové požiadavky „rozsah deformácie, presnosť, prostredie a inštalácia“, potom cielene priraďte kľúčové parametre, ako je meracia mriežka, nosná platnička a kompenzácia teploty, a nakoniec overte správnosť voľby prostredníctvom príkladov z reálnych podmienok a vyhnutia sa chybám.

Ak si stále nie ste istí voľbou, môžete dodávateľovi poskytnúť nasledujúce informácie: ① Materiál súčasti a druh zaťaženia (jednoosé/dvojosé); ② Maximálna hodnota deformácie a požadovaná presnosť; ③ Prevádzková teplota a prostredie média; ④ Inštalačný priestor a spôsob montáže. Dodávateľ tak vie rýchlo určiť vhodný model.