Metod izbora otpornosnih tenzometara

Отпорнички тензометри (скраћено тензометри) су кључни осетљиви елементи који механичку деформацију конструкцијских делова претварају у промене отпорности и користе се у системима за мерење оптерећења, сензорима силе, надзором структурног здравља, испитивањем у аеросвемиру и другим областима. Њихов избор директно одређује тачност, стабилност и дужину радног века система за мерење. Основна логика је „двосмерно усклађивање карактеристика деформације и радне средине“ — избегавање трошкова услед сувишних параметара и спречавање грешака мерења услед недовољних перформанси. У наставку је описан метод избора у целом процесу, који укључује техничке параметре, прилагођавање средини и практичне аспекте ради прецизног избора.

Корак 1: Прецизирање основних захтева за мерење и сценарија примене (претпоставка за избор)

Пре избора, неопходно је дефинисати „коју деформацију мерити, у ком окружењу мерити и како инсталирати“, што је основа за наредни избор параметара и спречава слепо тражење високих перформанси.

1. Дефинисање основних захтева за мерење

• Врста и опсег деформације: Прецизирајте природу деформације мереног дела (статичка деформација, као што је прогибање конструкције услед сталног оптерећења, динамичка деформација, као што је деформација услед механичке вибрације) и максималну вредност деформације, резервишући сигурносни опсег од 1,2~1,5 пута. Пример: Ако је стварна максимална деформација 1000με, треба одабрати тензометар са опсегом од 1200~1500με; за динамичку деформацију (као што је ударно оптерећење), препоручује се резервни сигурносни фактор од 1,5~2 пута ради спречавања оштећења осетљиве мреже услед тренутног прекотеретећења.
• Захтев за тачношћу: Да ли је реч о квалитативном праћењу (као што је рано упозоравање на пукотине у конструкцији), квантитативној анализи (као што је калибрација сензора) или прецизном мерењу (као што је испитивање напона у лабораторији)? Пример: отпорнички мостови за челичне ћелије морају имати грешку осетљивости ±0,1%, праћење структурног здравља може имати грешку до ≤±0,5%, док прецизна лабораторијска мерења захтевају ≤±0,05%.
• Смер силе: Да ли је компонента изложена једносмерној сили (као што је савијање конзолне греде), двосмерној сили (као што су машински делови у раванском стању напона) или вишесмерној сили (као што су комплексни чворови конструкције)? За једносмерне силе користите једноосне отпорничке мостове, а за двосмерне/вишесмерне силе користите биаксијалне (под правим углом, розете) или вишеосне отпорничке мостове.
• Учестаност мерења: За динамичка мерења, мора се појаснити опсег учестаности сигнала деформације. Учестаност одзива тензометра мора бити ≥3 пута већа од учестаности мереног сигнала (рад спречавања изобличења сигнала). Пример: За мерење вибрационе деформације од 50 Hz, треба одабрати тензометар са учестаношћу одзива ≥150 Hz.

2. Монтажа и структурни услови

• Кarakтеристике површине компоненте: Да ли је површина компоненте равна, закривљена (који је полупречник закривљености) или специјалног облика? Флексибилни тензометри (као што су фолијски) одговарају за закривљене компоненте, а за мале полупречнике закривљености (≤10 mm) потребни су тензометри са кратким решеткама; типови са јаком адхезијом подлоге одговарају за храпаве површине.
• Простор за инсталацију: За уске области компоненти (као што су фасони прецизних делова) потребни су минијатурни тензометри (дужина мреже ≤2мм), док се за компоненте већих димензија могу одабрати тензометри средње и дуге дужине мреже, у зависности од једноликости напона.
• Метода инсталације: Да ли је инсталација лепљењем на собној температури, заваривањем на високој температури или привременим лепљењем? За услове високе температуре потребни су завариви тензометри, док се за привремено мерење могу користити тензометри са магнетном фиксацијом.

3. Радни услови у средини

• Опсег температуре: Потребно је одредити опсег нормалне температуре (-20℃~60℃), средње температуре (60℃~200℃), високе температуре (200℃~1000℃) или ниске температуре (＜-20℃) радне средине. Опсег компензације температуре тензометра мора у потпуности обухватити стварну температуру како би се избегао утицај на тачност услед померања због температуре.
• Средина умерене влажности: Да ли постоји влажност (као што је испод воде, влажне радионице), корозија (као што су киселинско-базни гасови, загађење уљем у хемијским радионицама), прашине или јако зрачење? За влажне услове потребни су водоотпорни тензометри, за корозивне услове потребни су материјали отпорни на корозију (као што су никл-хром легуре, полиимидне подлоге), у комбинацији са заптивном обрадом.
• Фактори ометања: Да ли постоји јако електромагнетно ометање (на пример, поред мотора, опреме на висок напон) или удари од вибрација? У ситуацијама јаког ометања потребни су тензометри са штитним слојевима, док се за ситуације са вибрацијама и ударима захтевају типови са добром чврстоћом подлога и лепака.

Корак 2: Избор основних техничких параметара (прецизно усклађивање захтева)

Након што се захтеви разјасне, фокусирајте се на основне техничке параметре тензометра, што је кључни део избора и директно одређује перформансе мерења.

1. Основни параметри осетљиве мреже (одређују основне перформансе мерења)

• Вредност отпорности: Конвенционална вредност отпорности тензометара је 120Ω (компатибилно са већином тензометара, највећа универзалност), а постоје и спецификације као што су 350Ω и 1000Ω. Тензометри са високом отпорношћу погодни су за системе са ниском потрошњом енергије, док тензометри од 120Ω имају највишу рентабилност у индустријским сценаријима. Приликом избора, обезбедите да вредност отпорности тензометра одговара улазној отпорности тензометра (одступање ≤±5%) како би се избегло ослабљење сигнала.
• Коефицијент мерења: Указује на пропорционални однос између деформације и промене отпора (конвенционална вредност 2,0±0,02), што је кључни параметар за израчунавање вредности деформације. Приликом избора, приоритет треба дати тензометрима са добром конзистентношћу коефицијента мерења (девијација серије ≤±1%), нарочито када се користи више тензометара у мосту (као што је потпуни мост мерног елемента), лоша конзистентност доводи до повећања грешака мерења.
• Дужина и ширина решетке: Дужина решетке одређује „просечни опсег мерења“ тензометра. Мала дужина решетке (0,2~2 mm) погодна је за мерење локалних деформација (на пример, врхови пукотина), средња дужина решетке (3~10 mm) погодна је за конвенционалне компоненте, а велика дужина решетке (10~100 mm) погодна је за велике компоненте са малим градијентима деформације. Ширина решетке мора бити усклађена са правцем силе компоненте: уска ширина за једносмерну силу, а широка ширина или структура расејане решетке за двосмерну силу.
• Осетљив материјал мреже:
  • Бакар-никл легура (Константан): Предност у нормалним температурним условима (-20℃~150℃), са малим коефицијентом температуре и добром стабилношћу, погодан за челике за оптерећење и контролу конструкција;
  • Никл-хром легура (Карма): За средње и високе температурне услове (-50℃~400℃), са високом осетљивошћу, погодан за контролу мотора и високотемпературних цевовода;
  • Платина-иридијум легура: За високе температурне услове (400℃~1000℃), са јаком отпорношћу према корозији, погодан за аеропростор и металуршку опрему;
  • Полупроводнички материјали: Екстремно висока осетљивост (50~100 пута већа него код метала), али слаба стабилност на температуру, погодни за прецизно мерење у лабораторијама.

2. Параметри подлоге и лепка (одређују прилагођеност околини)

• Материјал подлоге:
  • Папирна подлога: Ниска цена, лако лепљење, погодна за нормалне температуре и суву средину (≤60℃), на пример привремена контрола грађевинске опреме;
  • Фенолна смола као подлога: отпорност на температуру од 120℃, добра отпорност на уље, погодна за конвенционалне индустријске машине;
  • Полиимидна подлога: отпорност на температуру од 250℃, отпорност на корозију и воду, погодна за хемијску индустрију, влажне и средње-високе температурне услове;
  • Керамичка подлога: отпорност на температуру изнад 1000℃, погодна за екстремне услове као што су високотемпературне пећи и аеромотори.
• Тип лепка: мора бити усклађен са материјалом подлоге и радном температуром. За услове на нормалној температури користе се цијаноакрилатни (брзо сушећи) лепкови, за средње температуре епоксидни лепкови (отпорност на температуру 150℃), а за високе температуре неоргански лепкови (отпорност на температуру изнад 500℃). Посмична чврстоћа лепка мора бити ≥2MPa како би се спречило одвајање тензометра.

3. Параметри компензације температуре (одређују стабилност мерења)

• Метод компензације температуре:
  • Самокомпензацијски отпорници: Одабиром материјала осетљиве мреже, промена отпора изазвана температуром компенсира се топлотним ширењем компоненте, погодно за компоненте од једног материјала (као што су челик, алуминијум), лако за инсталирање и предност у индустријским условима;
  • Компензација помоћу референтног отпорника: Додатни отпорници истог модела као радни отпорници наносе се на ненапрегнуте идентичне компоненте, а температурне грешке се компенсирају преко кола, погодно за комплексна температурна поља или компоненте од више материјала.
• Опсег компензације температуре: Мора обухватити стварни радни опсег температуре. Пример: У радној средини цеха од -10℃ до 80℃, треба одабрати отпорник са опсегом компензације од -20℃ до 100℃ како би се обезбедила температурна резерва.

4. Структура и параметри прикључака (одређују инсталацију и пренос сигнала)

• Структура отпорника
  • Uniaxijalni tenzometri: Za unidirekcione sile (kao što su konzolne grede, zategе), jednostavna konstrukcija i niska cena;
  • Biaxijalni tenzometri (tenzometri pod pravim uglom): Za bidirekcione sile (kao što su elementi u ravnom naprezanju), mogućnost merenja deformacija u dva uzajamno normalna pravca istovremeno;
  • Tenzometri u obliku ruža (45°, 60°): Za multidirekcione sile (kao što su čvorovi konstrukcija, složeni delovi), mogućnost izračunavanja glavnih deformacija i pravca glavnih napona, pogodni za analizu naprezanja.
• Specifikacije provodnika: Materijali za provodnike su obično bakarne žice sa srebrnim prevlakama. Za uslove normalne temperature koriste se žice sa PVC izolacijom, a za visoke temperature žice sa PTFE izolacijom. Dužina provodnika mora odgovarati rastojanju merenja. Za prenos na velike razdaljine (>10 m), potrebni su provodnici sa ekranom kako bi se izbeglo elektromagnetno smetanje.

Korak 3: Prilagođavanje scenariju i izbegavanje grešaka pri izboru

Изаберите тензометре према карактеристикама различитих сценарија употребе и избегавајте уобичајене грешке при избору како бисте осигурали стабилност и поузданост система мерења.

1. Примери избора за типичне сценарије

2. Уколико је потребно. Уобичајене грешке у избору и методе за избегавање

• Грешка 1: Фокусирање само на фактор размера и игнорисање конзистенцијекада се у мосту користе више размера, чак и ако фактор размера једног размера испуњава стандард, велика одступања за партије (> ± 1%) ће изазвати неуравнотеженост моста и оштро повећати грешке мере Избегавање: од добављача се захтева да пруже извештаје о испитивању фактора за мерење за исте партије и контролишу одступање у оквиру ±0,5%.
• Greška 2: Nepoklapanje između dužine rešetke i gradijenta naprezanja — korišćenje tenzometara sa velikom dužinom rešetke u lokalnim oblastima koncentracije naprezanja, kao što su vrhovi pukotina, dovesti će do „prosečenja“ izmerenih vrednosti i neće odražavati stvarno naprezanje. Prevencija: Izaberite dužinu rešetke ≤2 mm za oblasti sa velikim gradijentom naprezanja, a 5~10 mm za oblasti sa ravnomernim naprezanjem.
• Greška 3: Zanemarivanje usklađenosti između kompenzacije temperature i materijala komponente — korišćenje tenzometara sa kompenzacijom za čelik na aluminijumskim komponentama izazvaće značajne greške usled temperature zbog razlika u koeficijentima toplotnog širenja. Prevencija: Izaberite samokompenzacione tenzometre odgovarajućih tipova kompenzacije u zavisnosti od materijala komponente (čelik, aluminijum, bakar itd.).
• Greška 4: „Pristajanje“ na parametre prilagodljivosti okolini – korišćenje običnih tenzometara sa papirnom podlogom u vlažnim uslovima bez zaptivanja uzrokuje oštećenje podloge usled vlage u kratkom vremenskom periodu. Prevencija: Izaberite odgovarajuće materijale podloge u skladu sa klasama sredine (vlažna/korozivna/visokotemperaturna) i po potrebi dodajte vodootporne zaštitne prevlake.

Korak 4: Dodatne napomene za praktičan izbor

• Kompatibilnost mosta: Kada više tenzometara čini puni ili polovini mjerni most, osigurajte da su vrednosti otpornosti, faktor osjetljivosti i temperaturne karakteristike tenzometara usklađeni. Preporučuje se izbor iz iste serije kako bi se smanjile greške mosta.
• Zahtevi za kalibraciju: Za tenzometre koji se koriste u komercijalne svrhe (npr. senzori mase) ili precizna merenja, izaberite brendove sa mogućnošću praćenja porekla, koji su prošli metrološku certifikaciju, što olakšava dalju kalibraciju sistema.
• Usklađenost procesa instalacije: Za zakrivljene komponente, unapred potvrditi sposobnost savijanja tenzometra (poluprečnik krivine za savijanje ≤ poluprečnik krivine komponente). Za zavarive tenzometre, osigurati odgovarajuću zavarujuću opremu i postupak.
• Podrška dobavljača: Dati prednost dobavljačima koji pružaju tehničku podršku. Obavestiti ih o materijalu komponente, opterećenju i parametrima sredine kako bi se dobile preciznije preporuke za izbor i izbeglo neodređeno samostalno odabiranje.

Zaključak: Osnovna logika izbora otpornosnog tenzometra

Суштина избора отпорничког тензометра је затворена петља „декомпозиција захтева → усклађивање параметара → верификација сценарија“: прво декомпонујте четири основна захтева „опсег деформације, тачност, околина и монтажа“, затим циљано ускладите кључне параметре као што су осетљива решетка, подлога и компензација температуре, а на крају проверите исправност избора кроз примере сценарија и избегавање грешака.

Ако сте и даље непеверни у одабир, можете доставити следеће информације добављачу: ① материјал делова и тип силе (унаксијални/бидирекционални); ② максимална вредност деформације и захтев за тачношћу; ③ радна температура и средински услови; ④ простор и метод инсталације. Добављач може брзо изоловати одговарајући модел.