Valmetod för motståndstöjningsgivare

Resistiva töjningsgivare (kallas ofta bara töjningsgivare) är känsliga kärnkomponenter som omvandlar mekanisk töjning i konstruktionsdelar till förändringar i resistans, och används flitigt i lastceller, kraftgivare, övervakning av strukturell hälsa, testning inom flyg- och rymdindustri samt andra områden. Valet av töjningsgivare avgör direkt mätsystemets noggrannhet, stabilitet och livslängd. Den centrala principen är "ömsesidig anpassning av töjningsegenskaper och användningsmiljö" – för att undvika kostnadsförluster orsakade av onödiga parametrar och förhindra mätmisslyckanden på grund av otillräcklig prestanda. Nedan följer en heltäckande valmetod som kombinerar tekniska parametrar, anpassning till miljö och praktiska nyckelpunkter för att underlätta ett precist val.

Steg 1: Tydliggör kärnmätkrav och användningsscenarier (förutsättning för valet)

Innan val måste man definiera "vilken töjning som ska mätas, i vilken miljö mätningen ska ske och hur installationen ska utföras", vilket utgör grunden för efterföljande parameterval och undviker en blind strävan efter högpresterande parametrar.

1. Definition av kärnmätkrav

• Töjningstyp och omfång: Klargör den uppmätta komponentens töjningskaraktär (statisk töjning såsom deformation orsakad av strukturell dödvikt, dynamisk töjning såsom töjning vid mekanisk vibration) och det maximala töjningsvärdet, samt inkludera en säkerhetsmarginal på 1,2–1,5 gånger. Exempel: Om den faktiska maximala töjningen är 1000 με bör en töjningsgivare med ett område på 1200–1500 με väljas; för dynamisk töjning (till exempel vid stötlaster) rekommenderas en säkerhetsfaktor på 1,5–2 gånger för att undvika skador på den känsliga gitterstrukturen orsakade av ögonblicklig överlast.
• Noggrannhetskrav: Är det kvalitativ övervakning (till exempel tidig varning för strukturella sprickor), kvantitativ analys (till exempel sensorkalibrering) eller precisionmätning (till exempel laboratoriebelastningstest)? Exempel: Töjningsgivare för lastceller måste uppfylla en känslighetsfel på ±0,1 %, strukturell hälsouppföljning kan ha ett fel på ≤±0,5 %, och precisionsmätning i laboratorium kräver ≤±0,05 %.
• Kraftriktning: Är komponenten utsatt för envägs kraft (till exempel böjning av en utskjutande balk), tvåvägs kraft (till exempel mekaniska delar i plan spänningsstatus) eller flervägs kraft (till exempel komplexa strukturella noder)? Välj enhälsade töjningsgivare för envägs kraft, och tvåhälsade (rätvinkliga, töjningsrosseter) eller fleraxliga töjningsgivare för tvåvägs/flervägs kraft.
• Mätfrekvens: För dynamiska mätningar måste frekvensområdet för töjningssignalen specificeras. Svarsfrekvensen för töjningsgivaren måste vara ≥3 gånger den uppmätta signalens frekvens (för att undvika signalförvrängning). Exempel: För att mäta vibrerande töjning på 50 Hz bör en töjningsgivare med en svarsfrekvens på ≥150 Hz väljas.

2. Installation och strukturella förhållanden

• Komponentens ytbeskaffenhet: Är komponentens yta plan, böjd (vad är krökningsradien) eller har den en speciell form? Flexibla töjningsgivare (till exempel folietyp) är lämpliga för böjda komponenter, och korta gallerlängder krävs vid liten krökningsradie (≤10 mm); typer med starkt bunden bärare är lämpliga för grova ytor.
• Installationsutrymme: Miniatyra töjningsgivare (gallerlängd ≤2 mm) krävs för smala områden på komponenter (till exempel avfasningar på precisionsdelar), medan givare med medellång eller lång gallerlängd kan väljas för stora komponenter beroende på töjningsjämnhet.
• Installationsmetod: Är det vidhäftning vid rumstemperatur, högtemperatursvetsning eller tillfällig klistring? Svetsbara töjningsgivare krävs i högtemperaturmiljöer, och magnetiska töjningsgivare kan användas för tillfällig övervakning.

3. Miljömässiga driftsförhållanden

• Temperaturområde: Klargör det normala temperaturområdet (-20℃~60℃), medeltemperatur (60℃~200℃), högtemperatur (200℃~1000℃) eller lågtemperatur (＜-20℃). Temperaturkompensationsområdet för töjningsgivaren måste helt täcka den faktiska temperaturen för att undvika noggrannhetsförlust orsakad av temperaturdrift.
• Mediummiljö: Finns det fukt (till exempel under vatten, fuktiga verkstäder), korrosion (till exempel syra-bas-gaser, oljeföroreningar i kemiska verkstäder), damm eller stark strålning? Vattentäta töjningsgivare krävs för fuktiga miljöer, korrosionsbeständiga material (till exempel nickellegeringar, polyimidbärare) krävs för korrosiva miljöer, kombinerat med tätningsbehandling.
• Störningsfaktorer: Finns det stark elektromagnetisk störning (till exempel i närheten av motorer, högspänningsutrustning) eller vibrationspåverkan? Töjningsgivare med skärmningsskikt krävs vid starka störningsförhållanden, och typer med god tagghet hos bärare och lim krävs vid vibrationspåverkade scenarier.

Steg 2: Val av kärntekniska parametrar (exakt anpassade till kraven)

Efter att kraven har preciserats ska man fokusera på töjningsgivarens kärntekniska parametrar, vilket är den centrala delen i urvalet och direkt avgör mätresultatets prestanda.

1. Kärnparametrar för känslig nät (avgör grundläggande mätprestanda)

• Motståndsvärde: Det konventionella motståndsvärdet för töjningsgivare är 120 Ω (kompatibelt med de flesta töjningsgivare, med högst mångsidighet), och det finns även specifikationer som 350 Ω och 1000 Ω. Töjningsgivare med högt motstånd är lämpliga för system med låg effektförbrukning, och 120 Ω-töjningsgivare har bäst kostnadsnytta i industriella scenarier. Vid val ska du säkerställa att töjningsgivarens motståndsvärde överensstämmer med töjningsgivarens ingångsmotstånd (avvikelse ≤±5 %) för att undvika signaldämpning.
• Gaugefaktor: Anger det proportionella förhållandet mellan töjning och resistansändring (konventionellt värde 2,0±0,02), vilket är en nyckelparameter för att beräkna töjningsvärde. Vid val bör man prioritera töjningsgivare med god gaugefaktorkonsekvens (batchavvikelse ≤±1 %), särskilt när flera givare används i en bro (till exempel en helbros krets i en lastcell), då sämre konsekvens leder till ökade mätfel.
• Nätlängd och nätbredd: Nätlängden bestämmer "genomsnittlig mätomfattning" för töjningsgivaren. Små nätlängder (0,2–2 mm) är lämpliga för att mäta lokal töjning (till exempel vid sprickspetsar), medellånga nätlängder (3–10 mm) är lämpliga för konventionella komponenter, och stora nätlängder (10–100 mm) är lämpliga för stora komponenter med små töjningsgradienter. Nätbredden måste anpassas till kraftens riktning i komponenten: smal nätbredd för envägsbelastning och bred nätbredd eller töjningsrossettstruktur för tvåvägsbelastning.
• Känsligt nätmaterial:
  • Koppar-nickellegering (konstantan): Att föredra för normala temperaturförhållanden (-20℃~150℃), med liten temperaturkoefficient och god stabilitet, lämplig för lastceller och strukturell övervakning;
  • Nickel-kromlegering (Karma): För medelhöga och höga temperaturer (-50℃~400℃), med hög känslighet, lämplig för motorns och högtemperaturlednings övervakning;
  • Platina-iridiumlegering: För höga temperaturer (400℃~1000℃), med stark korrosionsmotstånd, lämplig för rymdteknik och metallurgisk utrustning;
  • Halvledarmaterial: Extremt hög känslighet (50~100 gånger högre än metaller), men dålig temperaturstabilitet, lämplig för laboratoriets precisionsmätning.

2. Parametrar för substrat och lim (avgör anpassning till miljön)

• Substratmaterial:
  • Papperssubstrat: Låg kostnad, enkelt att applicera, lämpligt för normala temperaturer och torra miljöer (≤60℃), såsom tillfällig övervakning av civil utrustning;
  • Fenolhartsbundet underlag: Temperaturmotstånd på 120℃, god oljebeständighet, lämpligt för konventionella industriella maskineri-scenarier;
  • Polyimidbundet underlag: Temperaturmotstånd på 250℃, korrosions- och vattenbeständigt, lämpligt för kemiska, fuktiga samt medelhöga till höga temperatur-scenarier;
  • Keramiskt underlag: Temperaturmotstånd över 1000℃, lämpligt för extrema miljöer såsom högtemperaturovnar och flygmotorer.
• Limtyp: Måste matcha underlagsmaterialet och driftstemperaturen. Cyanoakrylatbaserade (snabbtorkande) lim används för normala temperatur-scenarier, epoxyhartsbaserade (temperaturmotstånd på 150℃) för medelhöga temperaturer och oorganiska lim (temperaturmotstånd över 500℃) för höga temperaturer. Skjuvhållfastheten hos limmet måste vara ≥2 MPa för att undvika att töjningsgivaren lossnar.

3. Temperaturkompensationsparametrar (avgör mätstabilitet)

• Temperaturkompensationsmetod:
  • Självkompenserande töjningsgivare: Genom att välja känsliga gittermaterial kompenseras motståndsförändringen orsakad av temperatur med komponentens termiska expansion, lämpligt för komponenter av ett enda material (till exempel stål, aluminium), enkel installation och föredragen i industriella scenarier;
  • Kompensationsgivarkompensation: Ytterligare töjningsgivare av samma modell som de arbetande givarna limmas på ospända identiska komponenter, och temperaturfel kompenseras via kretsar, lämpligt för komplexa temperaturfält eller komponenter av flera material.
• Temperaturkompensationsomfång: Måste täcka det faktiska arbetsområdet för temperatur. Exempel: I ett verkstadsutrymmes klimat på -10℃~80℃ bör en töjningsgivare med ett kompensationsområde på -20℃~100℃ väljas för att säkerställa temperaturmarginal.

4. Struktur och ledningsparametrar (avgör installation och signalöverföring)

• Töjningsgivarens struktur:
  • Enaxliga töjningsgivare: För envägskraftsscenario (som utspringande balkar, dragstänger), enkel struktur och låg kostnad;
  • Tvåaxliga töjningsgivare (rätvinkliga töjningsgivare): För tvåvägskraftsscenario (som plana spänningskomponenter), kan mäta töjning i två vinkelräta riktningar samtidigt;
  • Töjningsrosor (45°, 60°): För flervägskraftsscenario (som strukturella noder, komplexa delar), kan beräkna huvudtöjning och riktning för huvudspänning, lämpliga för spänningsanalys.
• Ledningsdata: Ledningsmaterial är vanligtvis silverbelagda koppartrådar. PVC-isolerade ledningar väljs för normala temperaturförhållanden, och PTFE-isolerade ledningar för höga temperaturer. Ledningslängden måste anpassas till mätavståndet. För långdistansöverföring (>10 m) krävs skärmade ledningar för att undvika elektromagnetisk störning.

Steg 3: Anpassning till scenario och undvikande av valfel

Välj töjningsgivare enligt egenskaperna hos olika applikationscenarier och undvik vanliga valfel för att säkerställa mätsystemets stabilitet och tillförlitlighet.

1. Exempel på typiska scenarier

2. Vanliga valfel och metoder för att undvika dem

• Fel 1: Fokusera endast på töjningsfaktorn och ignorerar konsekvensen – när flera givare används i en brygga kan stora batchavvikelser (>±1 %) orsaka obalans i bryggan och snabbt öka mätfelen, även om töjningsfaktorn för en enskild givare uppfyller standarden. Undvikande: Kräv att leverantörer lämnar testrapporter för töjningsfaktor för töjningsgivare från samma batch och håll avvikelsen inom ±0,5 %.
• Misstag 2: Diskrepans mellan gitterlängd och töjningsgradient – att välja töjningsgivare med stor gitterlängd i lokala områden med hög töjningskoncentration, till exempel vid sprickspetsar, leder till "medelvärdesbildning" av mätvärdena och missar att återge den verkliga töjningen. Undvikande: Välj gitterlängd ≤2 mm för områden med stora töjningsgradienter och 5–10 mm för områden med jämn töjning.
• Misstag 3: Bortse från anpassningen mellan temperaturkompensation och komponentmaterial – att använda töjningsgivare kompenserade för stål på aluminiumkomponenter orsakar allvarliga temperaturfel på grund av skillnader i termiska expansionskoefficienter. Undvikande: Välj självkompenserande töjningsgivare av motsvarande kompensationstyp enligt komponentmaterialet (stål, aluminium, koppar, etc.).
• Misstag 4: Att "nöja sig" med anpassningsparametrar för miljöförhållanden – att välja vanliga pappersbaserade töjningsgivare i fuktiga miljöer utan tätningsbehandling leder till att underlaget går sönder på grund av fukt inom kort tid. Undvikande: Välj motsvarande underlagsmaterial enligt miljöklasser (fuktig/korrosiv/högtemperatur) och lägg till vattentäta skyddslager vid behov.

Steg 4: Ytterligare anmärkningar för praktisk val

• Bridgens kompatibilitet: När flera givare bildar en helbrygga/halvbrygga måste resistansvärde, gallfaktor och temperaturberoende hos töjningsgivarna vara lika. Det rekommenderas att välja från samma batch för att minska bryggfel.
• Kalibreringskrav: För töjningsgivare som används vid handelsavvägning (till exempel lastceller) eller precisionmätning bör spårbara märken väljas, så att produkterna har genomgått metrologisk certifiering, vilket underlättar efterföljande systemkalibrering.
• Anpassning av installationsprocess: För böjda komponenter, bekräfta töjningsgivarens böjegenskaper i förväg (böjbar krökningsradie ≤ komponentens krökningsradie). För svetsbara töjningsgivare, anpassa motsvarande svetsutrustning och process.
• Leverantörsstöd: Prioritera leverantörer som erbjuder tekniskt stöd. Informera dem om komponentens material, kraftförhållanden och miljöparametrar för att erhålla mer exakta urvalsförslag och undvika blind val utan stöd.

Sammanfattning: Kärnlogik för val av resistiv töjningsgivare

Kärnan i valet av resistiva töjningsgivare är en sluten loop av "kravdekomposition → parameteranpassning → scenariobekräftelse": först dekomponera de fyra kärnkraven "töjningsomfång, noggrannhet, miljö och montering", därefter rikta in viktiga parametrar såsom känslig gitter, bärare och temperaturkompensation, och till sist verifiera valens rimlighet genom scenarieexempel och felundvikande.

Om du fortfarande är osäker på valet kan du lämna följande information till leverantören: ① Komponentmaterial och krafttyp (enaxlig/tvåriktad); ② Maximal töjningsvärde och noggrannhetskrav; ③ Driftstemperatur och mediemiljö; ④ Installationsutrymme och metod. Leverantören kan då snabbt identifiera lämplig modell.