Izbirni način upornostnih tenzometrov

Uporovni tenzometri (imenovani tudi tenzometri) so jedrni občutljivi elementi, ki mehansko deformacijo konstrukcijskih delov pretvorijo v spremembo upora. Široko se uporabljajo pri senzorjih za merjenje obremenitve, sil, spremljanju stanja konstrukcij, testiranju v letalstvu in vesolju ter drugih področjih. Njihova izbira neposredno določa natančnost, stabilnost in življenjsko dobo meritvenega sistema. Osnovna logika je »dvostransko usklajevanje lastnosti tenzije in obratovalnega okolja« – s tem se preprečujejo stroški zaradi odvečnih parametrov in napake pri meritvah zaradi nezadostne zmogljivosti. Spodaj je opisan celoten postopek izbire, ki združuje tehnične parametre, prilagoditev okolju in praktične ključne točke za podporo natančni izbiri.

Korak 1: Določitev osnovnih zahtev za merjenje in aplikacijskih scenarijev (predpogoj za izbiro)

Pred izbiro je potrebno določiti »katero napetost meriti, v katerem okolju meriti in kako namestiti«, kar je osnova za nadaljnjo izbiro parametrov ter preprečuje slepo zasledovanje visokih zmogljivostnih parametrov.

1. Opredelitev osnovnih zahtev za merjenje

• Vrsta in obseg napetosti: Pojasnite naravo napetosti merjenega sestavnega dela (statična napetost, kot je deformacija zaradi lastne teže konstrukcije, dinamična napetost, kot je vibracijska napetost mehanizma) in največjo vrednost napetosti ter pustite varnostni razpon 1,2–1,5-krat. Primer: Če je dejanska maksimalna napetost 1000 με, je treba izbrati merni trak z obsegom 1200–1500 με; pri dinamični napetosti (npr. udarno obremenitev) se priporoča varnostni faktor 1,5–2-krat, da se izognete poškodbam občutljive mreže zaradi trenutnega preobremenjevanja.
• Zahteva za natančnost: Ali gre za kvalitativno spremljanje (na primer zgodnje opozarjanje na razpoke v konstrukcijah), kvantitativno analizo (na primer kalibracijo senzorjev) ali precizno merjenje (na primer laboratorijsko preizkušanje napetosti)? Na primer: tenzometri za merilne členke morajo izpolnjevati napako občutljivosti ±0,1 %, pri spremljanju stanja konstrukcije je dovoljena napaka ≤±0,5 %, pri laboratorijskem preciznem merjenju pa je zahtevana napaka ≤±0,05 %.
• Smer sile: Ali je komponenta izpostavljena enosmerni sili (na primer upogibanje konzolnega nosilca), dvosmerni sili (na primer mehanski deli v ravninskem napetostnem stanju) ali večsmerni sili (na primer kompleksni strukturni vozlišča)? Za enosmerno silo izberite enosmerne tenzometre, za dvosmerno/večsmerno silo pa dvosmjerne (pravokotne, mrežice tenzometrov) ali večosmjerne tenzometre.
• Merilna frekvenca: Pri dinamičnem merjenju je treba pojasniti frekvenčno območje signala deformacije. Odzivna frekvenca tenziometra mora biti ≥3-krat večja od frekvence merjenega signala (da se izognemo popačenju signala). Primer: Za merjenje vibracijske deformacije pri 50 Hz je treba izbrati tenziometer z odzivno frekvenco ≥150 Hz.

2. Namestitev in konstrukcijski pogoji

• Značilnosti površine komponente: Ali je površina komponente ravna, ukrivljena (kakšen je polmer ukrivljenosti) ali posebne oblike? Elastični tenziometri (npr. folijskega tipa) so primerni za ukrivljene komponente, za majhne polmere ukrivljenosti (≤10 mm) pa so potrebni tenziometri s kratko mrežno dolžino; tipi z močnim oprijemom podlage so primerni za hrapave površine.
• Namestitev: Za ozke površine komponent (kot so posneti robovi natančnih delov) so potrebni miniaturizirani tenzometri (dolžina mreže ≤2 mm), za večje komponente pa se lahko izberejo tenzometri srednje ali dolge mreže, glede na enakomernost napetosti.
• Način namestitve: Ali gre za lepljenje pri sobni temperaturi, visokotemperaturno zavarjanje ali začasno lepljenje? Pri visokih temperaturah so potrebni zavarljivi tenzometri, za začasno spremljanje pa se lahko uporabijo tenzometri z magnetnim vlekom.

3. Delovni pogoji okolja

• Temperaturno območje: Določite običajno temperaturo (-20 ℃ ~ 60 ℃), srednjo temperaturo (60 ℃ ~ 200 ℃), visoko temperaturo (200 ℃ ~ 1000 ℃) ali nizko temperaturo (<-20 ℃). Območje kompenzacije temperature tenzometra mora v celoti pokrivati dejansko temperaturo, da se izognemo nesprejemljivemu vplivu temperaturnega drifta na natančnost.
• Srednje okolje: Ali je prisotna vlaga (na primer pod vodo, v vlažnih delavnicah), korozija (na primer kislo-bazni plini, onesnaženje z olji v kemičnih delavnicah), prah ali močno sevanje? Za vlažna okolja so potrebni vodotesni tenzometri, za agresivna okolja pa korozijo odporni materiali (na primer nikl-krom zlitine, poliimidne podlage), skupaj s tesnilnim postopkom.
• Dejavniki motenj: Ali so prisotne močne elektromagnetne motnje (na primer v bližini motorjev, visokonapetostne opreme) ali vibracijski udari? V primeru močnih motenj so potrebni tenzometri s ščitnimi plastmi, v primeru vibracijskih udarov pa tipi z dobro žilavostjo podlag in lepil.

Korak 2: Izbira osnovnih tehničnih parametrov (natančno usklajevanje z zahtevami)

Po pojasnitvi zahtev se osredotočimo na osnovne tehnične parametre tenzometra, kar je temeljni korak izbire in neposredno določa merilno zmogljivost.

1. Osnovni parametri občutljive mreže (določajo osnovne meritve zmogljivosti)

• Vrednost upora: Običajna vrednost upora za tenzometre je 120 Ω (združljivo z večino tenzometrov, največja univerzalnost), obstajajo pa tudi izvedbe, kot so 350 Ω in 1000 Ω. Tenzometri z visokim uporom so primerni za sisteme z nizko porabo energije, medtem ko imajo tenzometri 120 Ω najvišjo razmerje med stroški in učinkovitostjo v industrijskih primerih. Pri izbiri zagotovite, da se vrednost upora tenzometra ujema z vhodnim uporom tenzometra (odstopanje ≤ ±5 %), da se izognete slabljenju signala.
• Faktor obremenitve: Nakazuje sorazmerno razmerje med deformacijo in spremembo upornosti (običajna vrednost 2,0 ± 0,02), kar je ključen parameter za izračun vrednosti deformacije. Pri izbiri najima prednost merilnim trakom z dobro konsistentnostjo faktorja obremenitve (odstopanje v seriji ≤ ±1 %), še posebej kadar se več trakov uporablja v mostičnem vezju (npr. celotno mostično vezje tehtnice), saj slaba konsistentnost poveča napake meritve.
• Dolžina in širina mreže: Dolžina mreže določa »povprečno merilno območje« merilnega traku. Majhna dolžina mreže (0,2–2 mm) je primerna za merjenje lokalne deformacije (npr. na konici razpoka), srednja dolžina mreže (3–10 mm) za običajne komponente, velika dolžina mreže (10–100 mm) pa za velike komponente z majhnim gradientom deformacije. Širina mreže mora biti prilagojena smeri sile na komponenti: ožja mreža za enosmerno obremenitev, širša mreža ali struktura rosete za dvosmerno obremenitev.
• Občutljiv material mreže:
  • Bakro-nikeljeva zlitina (Constantan): Priporočena za običajne temperature (-20℃~150℃), majhen temperaturni koeficient in dobra stabilnost, primerna za merilne celice in nadzor konstrukcij;
  • Nikelj-kromova zlitina (Karma): Za srednje in visoke temperature (-50℃~400℃), visoka občutljivost, primerna za motorje in nadzor vodov pri visokih temperaturah;
  • Platinsko-iridijeva zlitina: Za visoke temperature (400℃~1000℃), odlična odpornost proti koroziji, primerna za letalstvo in metalurško opremo;
  • Polprevodniški materiali: Izjemno visoka občutljivost (50~100-krat večja kot pri kovinah), a slaba temperaturna stabilnost, primerna za natančna laboratorijska merjenja.

2. Parametri podlage in lepila (določajo prilagodljivost okolju)

• Material podlage:
  • Papirnata podlaga: Nizka cena, enostavna nalepkev, primerna za običajne temperature in suhe okolja (≤60℃), na primer za začasni nadzor grajskih naprav;
  • Fenolno smolasto podlaga: odpornost na temperaturo do 120 ℃, dobra odpornost proti olju, primerna za običajne industrijske stroje;
  • Poliamidna podlaga: odpornost na temperaturo do 250 ℃, odpornost proti koroziji in vodi, primerna za kemične, vlažne ter srednje in visokotemperaturne pogoje;
  • Keramična podlaga: odpornost na temperaturo nad 1000 ℃, primerna za ekstremne pogoje, kot so visokotemperaturni peči in letalski motorji.
• Vrsta lepila: mora biti združna z materialom podlage in delovno temperaturo. Za pogoje pri sobni temperaturi se izberejo cianoakrilatna (hitro sušeča) lepila, za srednje temperature epoksi smolasta (odpornost do 150 ℃), za visoke temperature pa neorganska lepila (odpornost nad 500 ℃). Strižna trdnost lepila mora biti ≥2 MPa, da se prepreči odtrganje tenzometra.

3. Parametri kompenzacije temperature (določitev stabilnosti meritve)

• Način kompenzacije temperature:
  • Samokompenzirajoči tenzometri: Z izbiro materialov občutljivih mrež se sprememba upornosti, povzročena s temperaturo, uravna s toplotnim raztezanjem komponente; primeren za enomaterialne komponente (npr. jeklo, aluminij), enostaven za namestitev in prednostno uporabljen v industrijskih scenarijih;
  • Kompenzacija z merilnimi ploščicami: Dodatne tenzometrske ploščice istega modela kot delovne ploščice se prilepijo na neprezapete identične komponente, temperaturne napake pa se izravnajo prek električnih vezij; primeren za kompleksna temperaturna polja ali večmaterialne komponente.
• Obseg temperature kompenzacije: Mora pokrivati dejanski delovni temperaturni razpon. Primer: V delavnici z okoljem -10 ℃ ~ 80 ℃ naj se izbere tenzometer z obsegom kompenzacije -20 ℃ ~ 100 ℃, da se zagotovi rezerva glede na temperaturo.

4. Struktura in parametri priključkov (določajo namestitev in prenos signala)

• Struktura tenzometra:
  • Enosmerni tenzometri: Za enosmerne sile (kot so konzolni nosilci, vlečni drogovi), preprosta struktura in nizka cena;
  • Dvosmerni tenzometri (pravokotni tenzometri): Za dvosmerne sile (kot so elementi ravninskega napetostnega stanja), omogočajo hkratno merjenje raztezka v dveh pravokotnih smereh;
  • Tenzometrijske rožete (45°, 60°): Za večsmerna obremenitvena stanja (kot so strukturni vozlišča, kompleksni deli), omogočajo izračun glavnega raztezka in smeri glavnega napetostnega stanja, primerni za analizo napetosti.
• Specifikacije priključnih vodnikov: Material vodnikov je ponavadi baker s srebrno prevleko. Pri normalnih temperaturnih pogojih se uporabljajo PVC-izolirani vodniki, pri visokih temperaturah pa PTFE-izolirani vodniki. Dolžina priključnega vodnika mora ustrezati razdalji meritve. Pri daljših razdaljah (>10 m) so potrebni vodniki s ščitno plastjo, da se izognemo elektromagnetnim motnjam.

Korak 3: Prilagoditev scenariju in izogibanje napakam pri izbiri

Izberite tenziometre glede na značilnosti različnih primerov uporabe in se izogibajte pogostim napakam pri izbiri, da zagotovite stabilnost in zanesljivost merilnega sistema.

1. Tipični primeri izbire

2. Pogoste napake pri izbiri in načini njihovega preprečevanja

• Napaka 1: Osredotočenje le na faktor mere in zanemarjanje doslednosti – ko se več merilnih trakov uporablja v mostiču, lahko povzročijo neuravnoteženje mostiča in močno povečajo meritvene napake, tudi če faktor mere posameznega traku ustreza standardu, vendar imajo velike odstopanja v seriji (>±1 %). Preprečevanje: Zahtevajte od dobaviteljev poročila o preskusu faktorja mere za deformacijske trakove iste serije ter omejite odstopanje na ±0,5 %.
• Napaka 2: Neujemanje med dolžino mreže in gradientom napetosti – uporaba tenzometrov z veliko dolžino mreže v območjih lokalne koncentracije napetosti, kot so konice razpok, povzroči »povprečenje« izmerjenih vrednosti in ne odraža dejanske napetosti. Preprečevanje: Izberite dolžino mreže ≤2 mm za območja z velikimi gradienti napetosti ter 5–10 mm za območja z enakomerno napetostjo.
• Napaka 3: Ignoriranje ujemanja med temperaturno kompenzacijo in materialom komponente – uporaba tenzometrov, kompenziranih za jeklo, na aluminijastih komponentah povzroči resne temperaturne napake zaradi razlik v koeficientih toplotne razteznosti. Preprečevanje: Izberite samokompenzirajoče tenzometre ustrezne kompenzacijske vrste glede na material komponente (jeklo, aluminij, baker itd.).
• Napaka 4: »Zadovoljevanje« z zmogljivostmi prilagoditve okolju – izbira običajnih tenzometrov s papirnato podlago v vlažnih okoljih brez tesnilne obdelave povzroči okvaro podlage zaradi vlage v kratkem času. Preprečevanje: Izberite ustrezne materiale podlage glede na razred okolja (vlažno/korozivno/visoka temperatura) in po potrebi dodajte vodoodporna tesnilna premaza.

Korak 4: Dodatna opomba pri praktični izbiri

• Kompatibilnost mostu: Ko več senzorjev tvori celoten most ali polovični most, zagotovite, da so vrednosti upora, faktorja senzorja in temperaturne lastnosti tenzometrov enaki. Priporočljivo je, da izberete iz iste serije, da zmanjšate napake mostu.
• Zahteve za kalibracijo: Za tenzometre, ki se uporabljajo pri trgovanju (npr. senzorji obremenitve) ali natančnem merjenju, izberite sledljive blagovne znamke, da zagotovite, da so izdelki opravili metrološko certifikacijo, kar olajša nadaljnjo kalibracijo sistema.
• Uskladitev postopka namestitve: Za ukrivljene komponente vnaprej potrdite upogibne lastnosti tenzometra (najmanjši dovoljeni polmer ukrivljenosti ≤ polmer ukrivljenosti komponente). Za zavarljive tenzometre izberite ustrezno opremo in postopek za zvarjenje.
• Podpora dobavitelja: Prednost dajte dobaviteljem, ki ponujajo tehnično podporo. Obvestite jih o materialu komponente, obremenitvenih pogojih in okoljskih parametrih, da prejmete natančnejše priporočilo glede izbire in se izognete slepi izbiri.

Povzetek: Osnovna logika izbire tenzometra na osnovi električnega upora

Bit rezistancega izbora tenziometra je zaprt zanki »razčlenitev zahtev → ujemanje parametrov → preverjanje v okolju«: najprej razčlenite štiri temeljne zahteve »obseg napetosti, natančnost, okolje in namestitev«, nato ciljno uskladite ključne parametre, kot so občutljiva mreža, podlaga in kompenzacija temperature ter nazadnje preverite smiselnost izbire s primeri iz prakse in izogibanjem napakam.

Če še vedno niste prepričani glede izbire, lahko dobavitelju posredujete naslednje informacije: ① material komponente in vrsta obremenitve (enosmerna/dvosmerna); ② največja vrednost napetosti in zahteva po natančnosti; ③ delovna temperatura in okolje medija; ④ prostor in način namestitve. Dobavitelj tako hitro določi primerno modelsko varianto.