Как увеличить усталостный ресурс фольговых тензорезисторов

Усталостный ресурс фольговых тензорезисторов часто понимается неправильно. Некоторые из наших клиентов спрашивают: «Какова максимальная усталостная долговечность тензорезисторов?» и «Какая максимальная амплитуда деформации допустима для какого количества циклов нагрузки?» Материалы становятся прочнее (композитные материалы) и требуют прочных тензорезисторов для испытаний на долговечность.

 

Электрические тензометрические датчики — это хорошо зарекомендовавшая себя сенсорная технология, используемая для многих испытаний в различных областях, таких как испытания на статическую нагрузку, испытания на усталость компонентов и полномасштабные испытания. В связи с этим материалы и компоненты разрабатываются и совершенствуются для того что бы их можно было использовать на пределе возможностей для улучшения соотношения веса и прочности и удовлетворения потребностей в новых продуктах в будущем.

В ходе этих испытаний необходимо регулярно проверять компоненты и системы — как компоненты или готовые изделия на испытательных машинах — или в мобильных испытаниях, чтобы убедиться в отсутствии отказов во время работы.

Неожиданный отказ тензорезисторов во время испытаний на долговечность может впоследствии привести к значительным дополнительным усилиям и затратам. Поэтому важно знать, сколько циклов нагрузки может выдержать тензорезистор и какой точности можно достичь.

Одним из ограничивающих факторов является материал, из которого изготовлены фольговые тензорезисторы. Одним из основных компонентов тензорезистора является металлическая решетка. Металлическая решетка в форме меандра преднамеренно деформируется во время нагружения, чтобы добиться изменения омического сопротивления. Это изменение омического сопротивления может быть обнаружено как изменение напряжения в мостовой схеме Уитстона.

 

Часто используемые металлы для тензорезисторов - константан или CrNi (Modco). Константан и Modco как металлические материалы имеют сходство с другими материалами, которые в основном известны как строительные материалы, такие как сталь и алюминий. Металлы имеют линейно-упругую и пластическую области деформации. На приведенном ниже графике показано поведение стали с точки зрения напряжения и деформации.

Если материал нагружен только в линейно-упругой области, деформация материала обратима. Напряжение материала выше предела текучести приводит материал к точке, где он пластически деформируется. Когда материал достигает определенного значения напряжения в этой области, он не вернется в исходное состояние при снятии внешнфольговых тензорезисторов!

К сожалению, предел текучести/предел упругости не может быть расширен до бесконечности, и это одна из причин, по которой усталость тензорезисторов ограничена.

Этот график позволяет сделать следующий вывод: то, как долго фольговый тензорезистор выдержит испытание, зависит от нагрузки на него. Меньшие амплитуды нагрузки в линейно-упругом диапазоне повышают усталостную прочность, поскольку деформация материала обратима. Большие амплитуды более критичны, и превышение более высоких значений удлинения в случае тензорезисторов означает значительное ограничение срока службы.

На следующих рисунках показано, как это может выглядеть при механических испытаниях.

1. Примерный профиль нагрузки для испытания на статическую деформацию

Если выполняется испытание на статическую нагрузку (1.), тензорезистор можно использовать в одном направлении (растяжение или сжатие) и превысить предел текучести. Он по-прежнему дает достоверное измеренное значение в зоне пластической деформации. Максимальные значения для тензорезисторов указаны как абсолютная деформация в PDF-каталоге тензорезисторов. Значения растяжения и сжатия указываются отдельно. Для этих испытаний возможны высокие деформации от 1% до 10% с помощью фольговых тензорезисторов HBM.

2. Примерный профиль нагрузки для динамического испытания

Если тензорезистор используется при испытании на динамическую нагрузку (2.), т. е. при растяжении в знакопеременных направлениях (растяжение и сжатие), превышение предела текучести материала сетки не допускается. Максимально допустимые значения также указаны в каталоге Тензорезисторов как режим непрерывной вибрации. Усталостная прочность включает в себя максимально допустимую амплитуду, зависящую от числа циклов нагружения и допуска дрейфа нуля сигнала. При испытаниях на усталостную прочность тензорезисторов в НВМ испытания проводят в обоих направлениях (на растяжение и сжатие).

Один цикл нагрузки соответствует 1-кратному растяжению и 1-кратному сжатию при заданной амплитуде.

 

Абсолютная деформация

Статическая деформация означает, что датчик может быть нагружен определенной деформацией в одном направлении только один раз в течение срока службы. При превышении указанного предела тензорезистор с большой вероятностью выходит из строя.

Выдержка из технического паспорта серии Y
Выдержка из технического паспорта серии Y

На следующем рисунке показано ожидаемое максимальное статическое удлинение для различных тензорезисторов разных серий. 

Усталостный ресурс (динамические испытания) 

Тензорезистор из фольги, который подвергается множественным переменным нагрузкам в ходе динамических испытаний, показывает сильную корреляцию между количеством циклов нагрузки и амплитудой нагрузки. Высокие амплитуды деформации, действующие на материал измерительной решетки, могут вызвать пластическую деформацию, которую можно распознать, например, по дрейфу нулевой точки сигнала или полной потере сигнала. В этом случае количество изменений нагрузки может быть значительно меньше. Корреляция между амплитудой нагрузки и изменениями нагрузки не является линейной.

Усталостный ресурс каждого фольгового тензорезистора указана в каталоге тензорезисторов в формате PDF .

Как определить, что срок службы тензорезистора истек?

1. Дрейф нуля сигнала (постоянное изменение сопротивления) 

2. Постоянное изменение К-фактора (коэффициента тензочувствительности)

Постоянное изменение коэффициента тензочувствительности также является явным признаком повреждения тензорезистора.

 

3. Прерванный измерительный сигнал

Трещины в измерительной решетке становятся видимыми по прерывистому синусоидальному сигналу. Небольшие трещины открываются и закрываются во время циклической нагрузки, и сигнал теряется. Таким образом, имеется только частичное подключение электрического сигнала.

4. Визуальные нарушения

Кроме того, видимые трещины и неровности на тензорезисторе или припое указывают на то, что тензорезистор поврежден.

Трещины на пайке после циклических нагрузок

Усталостный ресурс тензорезисторов HBM

На следующей диаграмме показана усталостный ресурс электрических тензорезисторов для циклов нагрузки от 1000 до 10 000 000 для тензорезисторов серий и M. Максимально достижимые значения зависят от различных факторов, таких как качество установки.

  • Корреляция между циклами нагрузки и максимальной амплитудой нагрузки вообще не является линейной (логарифмическое масштабирование).
  • Все значения являются средними значениями статического испытания.
  • Определенный сдвиг нулевой точки допускается для всех измеренных значений (см. PDF-каталог тензорезисторов )
  • С помощью HBM серии M можно достичь даже 100 000 000 (100 млн) циклов нагрузки при амплитуде нагрузки 1000 мкм/м.

Измерения при более высоких амплитудах (> 4000 мкм/м) с помощью электрических тензорезисторов показывают дальнейшее снижение допустимых циклов нагрузки до того, как сигнал покажет значительный сдвиг нулевой точки. Испытания на растяжение при действительно высоких амплитудах показывают, что количество циклов нагрузки значительно сокращается. Например, если тензорезисторы серии М используются только для испытания на усталостную прочность при +5200 мкм/м, это сокращает испытание до 1000 циклов. Испытания при +7000 мкм/м сокращает циклы испытания до 100.

Для испытаний более высоких амплитуд нагрузки при более высоких циклах мы также рекомендуем использовать оптические тензодатчики.

 

Что я могу сделать, чтобы максимально увеличить усталостный ресурс тензорезисторов?

1. Минимизируйте количество припоя на клемме для пайки.

Жесткие участки материала являются наиболее критическими точками разрушения при приложении к ним статической или динамической нагрузки. Профессиональная пайка с как можно меньшим количеством припоя на выводе снижает жесткость и увеличивает усталостный ресурс.

2. Припаяйте кабель под углом 90° к направлению деформации.

Минимизация контактной поверхности на выводе для пайки увеличивает усталостный ресурс.

3. Используйте очень гибкий провод/выводы.

Кабели , подключенные к клемме под пайку, являются частью механической системы. Использование жестких проводов большого диаметра увеличивает жесткость в месте крепления. Жесткость можно уменьшить за счет использования гибких проводов с тонким диаметром.

4. Используйте тензорезисторы с внешними выводами под пайку.

Использование внешних выводов под пайку позволяет использовать тензорезисторы с выводами. Тензорезисторы с выводами обеспечивают высочайший уровень гибкости. На самом тензорезисторе не скапливается припой. Припой перемещается к клемме для пайки.

5. Избегайте использования защитных средств.

Следует также избегать использования защитных средств, если необходимо достичь максимальной усталостного ресурса. Поскольку они взаимодействуют с тензорезистором, они могут увеличить напряжение в определенных точках.

6. Используйте большие измерительные решетки.

Большая площадь решетки увеличивает усталостный  ресурс (например, используйте решетку 6 мм вместорешетки 3 мм).

7. Обеспечьте высокое качество склеивания.

Используйте тонкие клеи, такие как Z70 или EP310N .

8. Используйте тензорезисторы с герметизацией (стандарт для большинства тензорезисторов HBM).

 

9. Используйте специальные тензорезисторы для определения усталостного ресурса.

Серия тензорезисторов M от HBM была разработана специально для испытаний материалов с высоким усталостным ресурсом. Они имеют высокопрочный сетчатый материал (Modco) и специальнуюподложку (фенольная смола). Кроме того, они имеют встроенный фиксатор, отделяющий выводы припоя от измерительной решетки.

HBM-M-серия

  • Специально разработан для материалов с высоким усталостным ресурсом
  • Подложка из фенольной смолы, армированной стекловолокном
  • Доступны с сопротивлением 350 и 1000 Ом.
  • Встроенная защита от натяжения
  • Рабочая температура от -200 °C до 300 °C

Правовая оговорка: ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕЧАНИЯ предназначены для предоставления краткого обзора. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕЧАНИЯ постоянно совершенствуются и поэтому часто меняются. HBM не несет ответственности за правильность и/или полноту описаний. Мы оставляем за собой право вносить изменения в характеристики и/или описания в любое время без предварительного уведомления.