Метод вибору тензометричних опорів

Тензометричні опори (скорочено — тензорезистори) є основними чутливими компонентами, які перетворюють механічну деформацію конструкційних елементів на зміни опору, і широко використовуються у навантажувальних комірках, датчиках сили, моніторингу стану конструкцій, випробуваннях в авіаційно-космічній галузі та інших сферах. Їх вибір безпосередньо визначає точність, стабільність і термін служби вимірювальної системи. Основна логіка полягає у «двосторонньому узгодженні характеристик деформації та умов експлуатації» — уникнення витрат через надлишкові параметри та запобігання відмовам вимірювань через недостатню продуктивність. Нижче наведено повний процес вибору, що поєднує технічні параметри, адаптацію до середовища та практичні ключові аспекти для допомоги у точному виборі.

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.
• Специфікації проводів: матеріалами проводів зазвичай є мідні дроти із срібним покриттям. Для умов нормальної температури використовуються дроти з ПВХ ізоляцією, а для високотемпературних умов — з фторопластовою (PTFE) ізоляцією. Довжина проводів 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 сценаріїв застосування та уникайте типових помилок під час вибору, щоб забезпечити стабільність і надійність вимірювальної системи.

1. Типові приклади вибору за сценаріями

2. Поширені помилки при виборі та способи їх уникнення

• Помилка 1: Зосередження уваги лише на коефіцієнті тензорезистора й ігнорування узгодженості — коли кілька датчиків використовуються у містку, навіть якщо коефіцієнт окремого датчика відповідає стандарту, великі відхилення партії (>±1%) призведуть до дисбалансу містка й різкого зростання похибки вимірювання. Як уникнути: вимагайте від постачальників надання звітів про випробування коефіцієнта тензорезисторів однієї партії та контролюйте відхилення в межах ±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.