Метод вибору тензометричних опорів

Опір тензометричні датчики (які називають тензодатчиками) є основними чутливими компонентами, що перетворюють механічну деформацію конструкційних елементів на зміни опору, і широко використовуються в датчиках навантаження датчиках сили, моніторингу стану конструкцій, випробуваннях в аерокосмічній галузі та інших галузях. Їх вибір безпосередньо визначає точність, стабільність і термін служби вимірювальної системи. Основна логіка — «двостороннє узгодження характеристик деформації та умов експлуатації»: уникнення витрат через надлишкові параметри та запобігання відмовам вимірювань через недостатню продуктивність. Нижче наведено метод вибору, що охоплює весь процес, поєднуючи технічні параметри, адаптацію до середовища та практичні ключові аспекти для точного підбору.

Крок 1: Уточнення основних вимог щодо вимірювання та сценаріїв застосування (передумова вибору)

Перш ніж робити вибір, необхідно визначити «який вид деформації вимірювати, в яких умовах вимірювати та як встановлювати», що є основою для подальшого вибору параметрів і дозволяє уникнути сліпої погоні за високими експлуатаційними характеристиками.

1. Визначення основних вимог щодо вимірювання

• Тип і діапазон деформації: уточніть характер деформації вимірюваного елемента (статична деформація, наприклад, деформація від власної ваги конструкції, динамічна деформація, наприклад, деформація від вібрації механізму) та максимальне значення деформації, залишаючи запас безпеки 1,2–1,5 раза. Наприклад: якщо фактична максимальна деформація становить 1000 мкε, слід вибрати тензорезистор з діапазоном 1200–1500 мкε; для динамічних деформацій (наприклад, при ударному навантаженні) рекомендується залишати коефіцієнт запасу 1,5–2 рази, щоб уникнути пошкодження чутливих сіток через миттєве перевантаження.
• Вимоги до точності: чи це якісний моніторинг (наприклад, раннє попередження про тріщини в конструкціях), кількісний аналіз (наприклад, калібрування датчиків) чи прецизійне вимірювання (наприклад, лабораторне випробування напружень)? Наприклад, тензометричні перетворювачі для вагових елементів повинні мати похибку чутливості ±0,1%, моніторинг стану конструкцій може мати похибку ≤±0,5%, а прецизійні лабораторні вимірювання вимагають ≤±0,05%.
• Напрямок сили: чи піддається компонент односпрямованій силі (наприклад, згин консольної балки), двоспрямованій силі (наприклад, механічні деталі в стані плоского напруження) чи багатоспрямованій силі (наприклад, складні вузли конструкцій)? Для односпрямованої сили використовують одноосьові тензометри, а для дво- та багатоспрямованих — двоосьові (під прямим кутом, тензорозетки) або багатоосьові тензометри.
• Частота вимірювання: для динамічного вимірювання необхідно уточнити діапазон частот сигналу деформації. Частота реакції тензометричного датчика має бути ≥3 рази більшою за частоту вимірюваного сигналу (щоб уникнути спотворення сигналу). Наприклад: для вимірювання вібраційних деформацій на частоті 50 Гц слід вибрати тензометричний датчик із частотою реакції ≥150 Гц.

2. Установка та конструктивні умови

• Характеристики поверхні компонента: чи є поверхня компонента плоскою, вигнутою (який радіус кривини) чи спеціальної форми? Гнучкі тензометричні датчики (наприклад, фольгові) підходять для вигнутих компонентів; для малих радіусів кривини (≤10 мм) потрібні датчики з короткою довжиною решітки; для шорстких поверхонь підходять типи з високим ступенем адгезії основи.
• Простір для встановлення: для вузьких ділянок компонентів (наприклад, фасок прецизійних деталей) потрібні мініатюрні тензометри (довжина сітки ≤2 мм), а для великих компонентів можна вибирати тензометри із середньою або довгою довжиною сітки залежно від рівномірності деформації.
• Метод встановлення: чи передбачається приклеювання при кімнатній температурі, високотемпературне зварювання чи тимчасове наклеювання? У сценаріях із високою температурою потрібні зварювані тензометри, а для тимчасового моніторингу можна використовувати тензометри з магнітним притяганням.

3. Умови роботи в навколишньому середовищі

• Діапазон температур: уточніть нормальний температурний діапазон (-20℃~60℃), середній (60℃~200℃), високий (200℃~1000℃) або низький (＜-20℃) діапазон робочого середовища. Діапазон температурної компенсації тензометра має повністю охоплювати реальну температуру, щоб уникнути втрати точності через температурний дрейф.
• Середовище помірної вологості: чи є вологість (наприклад, під водою, вологі цехи), корозія (наприклад, кислотно-лужні гази, забруднення нафтою в хімічних цехах), пил або сильне випромінювання? Для вологих середовищ потрібні водонепроникні тензометри, для агресивних середовищ — матеріали, стійкі до корозії (наприклад, сітки з нікелево-хромового сплаву, підкладки з полііміду), разом із герметизацією.
• Фактори перешкод: чи є сильні електромагнітні перешкоди (наприклад, поблизу двигунів, високовольтного обладнання) або вібраційний вплив? У випадках сильних перешкод потрібні тензометри з екрануючим шаром, а для умов вібраційного впливу — типи з високою міцністю підкладок і клеїв.

Крок 2: Вибір основних технічних параметрів (точне відповідність вимогам)

Після уточнення вимог зосередьтеся на основних технічних параметрах тензометра, що є ключовим етапом вибору та безпосередньо визначає точність вимірювання.

1. Основні параметри чутливої решітки (визначають базові характеристики вимірювання)

• Опір: традиційним опором тензорезисторів є 120 Ом (сумісний з більшістю тензорезисторів, найуніверсальніший), існують також специфікації 350 Ом та 1000 Ом. Тензорезистори з високим опором підходять для систем з низьким енергоспоживанням, а тензорезистори 120 Ом мають найвищу ефективність у промислових застосуваннях. Під час вибору забезпечте відповідність опору тензорезистора до вхідного опору вимірювального приладу (відхилення ≤±5%), щоб уникнути послаблення сигналу.
• Коефіцієнт тензочутливості: Вказує на пропорційне співвідношення між деформацією та зміною опору (загальноприйняте значення 2,0±0,02), що є ключовим параметром для розрахунку значення деформації. Під час вибору слід віддавати перевагу тензорезисторам із хорошою узгодженістю коефіцієнта чутливості (розкид партії ≤±1%), особливо коли використовується кілька датчиків у мостовій схемі (наприклад, повній мостовій схемі тензодатчика навантаження), оскільки погана узгодженість призведе до збільшення похибки вимірювань.
• Довжина та ширина решітки: Довжина решітки визначає «середній діапазон вимірювання» тензорезистора. Мала довжина решітки (0,2–2 мм) підходить для вимірювання локальних деформацій (наприклад, біля вершин тріщин), середня довжина (3–10 мм) — для звичайних компонентів, велика довжина (10–100 мм) — для великих компонентів із малими градієнтами деформації. Ширина решітки має відповідати напрямку дії сили компонента: вузька ширина — для одновісного навантаження, широка ширина або структура тензорешітки — для двовісного навантаження.
• Чутливий матеріал решітки:
  • Сплав міді з нікелем (константан): перевага для нормальних температурних умов (-20℃~150℃), має малий температурний коефіцієнт і добру стабільність, підходить для тензометричних датчиків навантаження та контролю конструкцій;
  • Сплав нікелю з хрому (Karma): для середніх і високих температур (-50℃~400℃), висока чутливість, підходить для контролю двигунів і високотемпературних трубопроводів;
  • Сплав платини з іридієм: для високих температур (400℃~1000℃), висока корозійна стійкість, підходить для авіаційно-космічної та металургійної техніки;
  • Напівпровідникові матеріали: надзвичайно висока чутливість (у 50–100 разів вища, ніж у металів), але погана стабільність при зміні температури, підходять для прецизійних лабораторних вимірювань.

2. Параметри основи та клею (визначають адаптацію до навколишнього середовища)

• Матеріал основи:
  • Паперова основа: низька вартість, простота наклеювання, підходить для нормальних температур і сухих умов (≤60℃), наприклад, тимчасовий контроль цивільного обладнання;
  • Фенольна смола як основа: стійкість до температур 120 ℃, гарна стійкість до масел, підходить для звичайних умов промислового обладнання;
  • Поліімідна основа: стійкість до температур 250 ℃, стійкість до корозії та вологи, підходить для хімічних, вологих та середніх і високих температурних умов;
  • Керамічна основа: стійкість до температур понад 1000 ℃, підходить для екстремальних умов, таких як високотемпературні печі та авіаційні двигуни.
• Тип клею: має відповідати матеріалу основи та робочій температурі. Для умов нормальної температури використовують клеї на основі ціаноакрилату (швидкосхоплювані), для середніх температур — епоксидні смоли (стійкість до 150 ℃), для високих температур — неорганічні клеї (стійкість понад 500 ℃). Зсувна міцність клею має бути ≥2 МПа, щоб уникнути відривання тензометра.

3. Параметри температурної компенсації (визначення стабільності вимірювань)

• Метод температурної компенсації:
  • Самокомпенсовані тензометричні датчики: шляхом вибору матеріалів чутливих решіток зміна опору, спричинена температурою, компенсується тепловим розширенням компонента; підходять для однокомпонентних матеріалів (наприклад, сталь, алюміній), прості в установці, переважно використовуються в промислових сценаріях;
  • Компенсація за допомогою компенсувального датчика: додаткові тензометричні датчики того самого типу, що й робочі, наклеюються на такі самі, але ненавантажені компоненти, а температурні похибки компенсуються за допомогою електричних схем; підходить для складних температурних полів або багатоматеріальних компонентів.
• Діапазон температурної компенсації: має охоплювати фактичний діапазон робочих температур. Наприклад: у виробничому приміщенні з температурою від -10℃ до 80℃ слід вибирати тензометричний датчик із діапазоном компенсації від -20℃ до 100℃, щоб забезпечити температурний запас.

4. Конструкція та параметри виводів (визначають монтаж та передачу сигналу)

• Конструкція тензометричного датчика:
  • Одновісні тензометри: для односторонніх силових сценаріїв (наприклад, консольні балки, тягові стрижні), проста конструкція та низька вартість;
  • Двовісні тензометри (прямокутні тензометри): для двонапрямних силових сценаріїв (наприклад, елементи плоского напруженого стану), дозволяють одночасно вимірювати деформації у двох перпендикулярних напрямках;
  • Тензометричні розетки (45°, 60°): для багатонапрямних силових сценаріїв (наприклад, вузли конструкцій, складні деталі), дозволяють розрахувати головну деформацію та напрямок головного напруження, придатні для аналізу напружень.
• Характеристики проводів: як правило, проводи виготовлені з міді, посрібленої на свинець. Для умов нормальної температури використовуються дроти з ПВХ ізоляцією, а для високих температур — з ізоляцією з ПТЕФ. Довжина проводу має відповідати відстані вимірювання. Для передачі на великі відстані (10 м) потрібні проводи з екрануючим шаром, щоб уникнути електромагнітних перешкод.

Крок 3: Адаптація до сценарію та уникнення помилок вибору

Вибирайте тензометричні датчики залежно від характеристик різних застосування сценаріїв та уникайте типових помилок при виборі, щоб забезпечити стабільність і надійність системи вимірювання.

1. Типові приклади вибору за сценаріями

2. Поширені помилки при виборі та способи їх уникнення

• Помилка 1: Зосередження лише на коефіцієнті тензочутливості та ігнорування узгодженості — коли кілька датчиків використовуються в мостовій схемі, навіть якщо коефіцієнт окремого датчика відповідає стандарту, великі відхилення партії (±1%) можуть призвести до дисбалансу моста й різкого зростання похибки вимірювання. Як уникнути: вимагайте від постачальників надання звітів про випробування коефіцієнта тензочутливості для датчиків однієї партії та обмежуйте відхилення межами ±0,5%.
• Помилка 2: Невідповідність між довжиною решітки та градієнтом деформації — використання тензометричних датчиків із великою довжиною решітки в зонах локальної концентрації деформацій, таких як вершини тріщин, призведе до «усереднення» виміряних значень і не зможе відобразити реальну деформацію. Уникнення: обирайте довжину решітки ≤2 мм для ділянок із великим градієнтом деформації та 5–10 мм для ділянок із рівномірною деформацією.
• Помилка 3: Ігнорування узгодження температурної компенсації з матеріалом компонента — використання тензодатчиків із компенсацією для сталі на алюмінієвих компонентах призведе до значних температурних похибок через різницю коефіцієнтів теплового розширення. Уникнення: обирайте самокомпенсуючі тензодатчики відповідних типів компенсації залежно від матеріалу компонента (сталь, алюміній, мідь тощо).
• Помилка 4: «Примітивне використання» параметрів адаптації до навколишнього середовища — вибір тензометричних датчиків із паперовою основою в умовах підвищеної вологості без герметизації призведе до передчасного виходу з ладу матеріалу основи через вологу. Запобігання: обирайте відповідні матеріали основи залежно від класу навколишнього середовища (вологе/агресивне/високотемпературне), за необхідності додавайте водонепроникні герметизуючі покриття.

Крок 4: Додаткові зауваження щодо практичного вибору

• Сумісність моста: коли кілька датчиків утворюють повний або напівмістковий контур, забезпечте однакові опір, коефіцієнт тензочутливості та температурні характеристики всіх тензометричних датчиків. Рекомендується вибирати датчики з однієї партії, щоб зменшити похибки моста.
• Вимоги до калібрування: для тензометричних датчиків, що використовуються у комерційних розрахунках (наприклад, у вагових елементах) або прецизійних вимірах, слід вибирати брендовані продукти з можливістю відстеження походження, які пройшли метрологічну сертифікацію, що полегшує подальше калібрування системи.
• Узгодження процесу встановлення: для вигнутих компонентів заздалегідь підтвердіть гнучкість тензометричного перетворювача (радіус вигину ≤ радіус кривини компонента). Для зварюваних тензометричних перетворювачів забезпечте відповідне зварювальне обладнання та технологію.
• Підтримка постачальника: віддавайте перевагу постачальникам, які надають технічну підтримку. Повідомляйте їм матеріал компонента, умови навантаження та параметри навколишнього середовища, щоб отримати точніші рекомендації щодо вибору та уникнути невизначеності при самостійному виборі.

Резюме: Основна логіка вибору тензометричного перетворювача опору

Суть вибору тензометричного перетворюння опору — це замкнутий цикл «розкладання вимог → підбір параметрів → перевірка сценарію»: спочатку розкладаються чотири основні вимоги — «діапазон деформації, точність, умови навколишнього середовища та монтаж», потім цільово підбираються ключові параметри, такі як чутлива решітка, основа та температурна компенсація, і на завершення перевіряється обґрунтованість вибору за допомогою прикладів сценаріїв та уникнення помилок.

Якщо ви все ще сумніваєтеся щодо вибору, можете надати постачальнику таку інформацію: ① матеріал деталі та тип навантаження (одновісний/двовісний); ② максимальне значення деформації та вимоги до точності; ③ робоча температура та умови навколишнього середовища; ④ простір для встановлення та метод монтажу. Постачальник зможе швидко визначити відповідну модель.