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如何最大限度地提高應(yīng)變片的疲勞壽命

2022-03-23 17:01:22·  來(lái)源：HBM測(cè)試測(cè)量  
　
如何最大限度地提高應(yīng)變片的疲勞壽命電阻應(yīng)變片的疲勞壽命是一個(gè)經(jīng)常被誤解的話題。一些客戶經(jīng)常會(huì)問(wèn)應(yīng)變片的最大疲勞壽命是多少？、最大振幅下，應(yīng)變片能承受多
如何最大限度地提高應(yīng)變片的疲勞壽命
電阻應(yīng)變片的疲勞壽命是一個(gè)經(jīng)常被誤解的話題。一些客戶經(jīng)常會(huì)問(wèn)“應(yīng)變片的最大疲勞壽命是多少？”、”最大振幅下，應(yīng)變片能承受多少次加載周期？“以及材料越來(lái)越堅(jiān)固（復(fù)合材料），我們需要耐久性更高的應(yīng)變片等。
電阻應(yīng)變片是一種久經(jīng)驗(yàn)證的傳感器技術(shù)，可用于多種應(yīng)用測(cè)試，如靜載荷、構(gòu)件和全尺寸疲勞測(cè)試等。通過(guò)測(cè)試來(lái)改進(jìn)材料或設(shè)計(jì)，提高重量強(qiáng)度比，滿足未來(lái)的需求。
在這些試驗(yàn)中，材料需要作為部件或完整產(chǎn)品在試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，或在移動(dòng)試驗(yàn)中模擬應(yīng)力情況，以確保不會(huì)發(fā)生故障。
耐久性試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片的意外失效會(huì)導(dǎo)致大量的額外工作和成本。因此在此類(lèi)測(cè)試中，知道應(yīng)變片能承受多少次循環(huán)加載，以及能達(dá)到什么精度是非常重要的。
其中一個(gè)制約因素是電阻箔式應(yīng)變片使用的材料。箔式應(yīng)變片主要測(cè)試部件是金屬柵絲。金屬柵絲在加載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致電阻產(chǎn)生變化。應(yīng)變片電阻的變化可通過(guò)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓變化。
常用的電阻應(yīng)變片測(cè)量柵絲是康銅或鉻鎳合金（modco）?？点~和鉻鎳合金與其他鋼鋁等金屬材料有著相似之處，具有彈性和塑性變形區(qū)。下圖顯示了鋼在應(yīng)力和應(yīng)變下的變形情況。
如果材料只在線性彈性區(qū)受力，則材料的變形是可逆的。對(duì)材料施加超過(guò)屈服極限的應(yīng)力會(huì)使材料發(fā)生塑性變形。當(dāng)達(dá)到該區(qū)域的特定應(yīng)力值時(shí)，在去除外部載荷后，材料不會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)——材料發(fā)生不可逆變形。這種典型的材料變形狀況同樣也存在于應(yīng)變片金屬材料上！
不幸的是，屈服點(diǎn)/彈性極限不能無(wú)限擴(kuò)展，這也是電阻應(yīng)變片疲勞壽命受到限制的原因之一。
從這張典型的圖表中，可以得出以下結(jié)論：箔式應(yīng)變片的疲勞壽命取決于其受到的應(yīng)力。應(yīng)變片在線性彈性區(qū)受力，材料的變形是可逆的，較低的振幅必然會(huì)增加疲勞壽命。更高的振幅，超過(guò)特定的極限會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片失效。
下圖顯示了在機(jī)械測(cè)試中應(yīng)變片的屈服情況：
1. 靜態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)的典型荷載剖面
靜載荷試驗(yàn)（2）中，應(yīng)變片在單個(gè)方向上使用 (拉或壓)，如果超過(guò)限定值，在塑性變形區(qū)其依然會(huì)提供了一個(gè)有效的測(cè)量值。電阻應(yīng)變片的最大值在PDF參數(shù)表中被規(guī)定為絕對(duì)應(yīng)變。拉向和壓向值分別規(guī)定。對(duì)于這些試驗(yàn)，HBM的箔式應(yīng)變片可測(cè)量1%到10%的高應(yīng)變。
2. 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的荷載剖面示例
在動(dòng)載荷試驗(yàn)（2）中，應(yīng)變?cè)诮惶娣较颍ɡ旌蛪嚎s）進(jìn)行，但不允許超過(guò)柵絲材料的屈服極限。最大允許值也在應(yīng)變片參數(shù)表中指定為疲勞壽命。疲勞壽命意味著最大允許振幅取決于負(fù)載循環(huán)和信號(hào)零點(diǎn)漂移公差。
一個(gè)加載循環(huán)對(duì)應(yīng)規(guī)定振幅下的1x拉伸和1x壓縮。
絕對(duì)應(yīng)變
靜應(yīng)變是指應(yīng)變片在使用壽命內(nèi)只能在單個(gè)方向進(jìn)行一次加載規(guī)定的應(yīng)變。當(dāng)超過(guò)規(guī)定限值時(shí)，應(yīng)變片可能產(chǎn)生損壞。
摘自Y系列技術(shù)參數(shù)表
下圖顯示了在+-5%載荷下， Y系列不同應(yīng)變片最大靜態(tài)應(yīng)變, M系列最高為1%，預(yù)制電纜的Y系列最高為+2,5/-2%。
疲勞壽命（動(dòng)態(tài)試驗(yàn)）
疲勞試驗(yàn)中，載荷循環(huán)次數(shù)與載荷振幅之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。測(cè)量柵絲上的高應(yīng)變振幅會(huì)產(chǎn)生塑性變形，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)零點(diǎn)漂移或信號(hào)完全丟失。在這種情況下，加載循環(huán)的次數(shù)會(huì)大大減少。下圖表明，疲勞壽命取決于幾個(gè)參數(shù)。并且載荷振幅與載荷循環(huán)之間的相關(guān)性不是線性的。
每種應(yīng)變片的疲勞壽命都在應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)表中規(guī)定。
如何檢測(cè)出應(yīng)變片已經(jīng)超過(guò)它的疲勞壽命？
1. 信號(hào)零點(diǎn)漂移（電阻永久變化）
2. 應(yīng)變系數(shù)的永久變化
應(yīng)變系數(shù)的永久變化也清楚地表明應(yīng)變片已損壞。
3. 測(cè)量信號(hào)中斷
通過(guò)中斷的正弦信號(hào)可以看出測(cè)量柵絲出現(xiàn)斷裂。循環(huán)加載過(guò)程中裂紋會(huì)打開(kāi)或開(kāi)閉，產(chǎn)生信號(hào)丟失。
4. 視覺(jué)觀察出不規(guī)則或裂紋
此外，應(yīng)變片或焊料中的可見(jiàn)裂紋和不規(guī)則現(xiàn)象也表明應(yīng)變片已損壞。
循環(huán)加載后焊點(diǎn)上的裂紋
HBM應(yīng)變片的疲勞壽命
下圖顯示了Y系列和M系列應(yīng)變片在1000到10000000之間加載循環(huán)過(guò)程中的電阻應(yīng)變片的疲勞壽命。最大可實(shí)現(xiàn)值取決于安裝質(zhì)量等不同因素。
- 負(fù)荷周期與最大負(fù)荷振幅之間的相關(guān)性是非線性的
- 所有數(shù)值均為靜態(tài)試驗(yàn)的平均值
- 所有測(cè)量值都允許特定的零點(diǎn)漂移
- 在1000μm/m的負(fù)載振幅下，HBM M系列加載周期可高達(dá) 100,000,000 (100. mio)
在較高振幅（>4000μm/m）下使用電阻應(yīng)變片進(jìn)行的測(cè)量顯示，在信號(hào)出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)漂移之前，負(fù)載循環(huán)周期會(huì)出現(xiàn)大幅下降。例如，使用M系列應(yīng)變片進(jìn)行+5200μm/m膨脹負(fù)荷試驗(yàn)，循環(huán)加載周期將減少到1000次。在+7000μm/m下加載周期將縮短至100。
對(duì)于測(cè)試要求較高的負(fù)載振幅，我們建議使用光纖應(yīng)變片。
如何最大化應(yīng)變片的疲勞壽命?
1. 減少焊錫點(diǎn)面積和焊料使用量
當(dāng)向材料施加靜載荷或動(dòng)載荷時(shí)，材料的剛性區(qū)域是破壞的最關(guān)鍵點(diǎn)。專(zhuān)業(yè)焊接，盡可能減少焊接點(diǎn)上的焊料，降低剛度，增加疲勞壽命。
2. 與應(yīng)變方向成90°角焊接電纜
將焊點(diǎn)的接觸面減至最小，可提高其疲勞壽命。
3. 使用柔軟的導(dǎo)線材料/導(dǎo)線。
連接電纜是機(jī)械系統(tǒng)的一部分。使用大直徑的剛性電纜會(huì)增加局部剛度。使用細(xì)直徑的柔軟電纜可以降低剛度。
4. 使用帶外部焊接端的應(yīng)變計(jì)
帶引線的應(yīng)變片具有最高的靈活性。
5. 避免使用保護(hù)層
如果要達(dá)到最大疲勞壽命，也應(yīng)避免使用保護(hù)層。由于它們與應(yīng)變片相互作用，在特定點(diǎn)增加應(yīng)力。
6. 使用較大的測(cè)量柵絲
較大的測(cè)量柵絲可提高疲勞壽命（例如，使用6毫米柵絲而不是3毫米柵絲）。
7. 確保高質(zhì)量的粘合
使用薄粘合劑，如 Z70 或 EP310N
8. 使用封裝應(yīng)變片
9. 疲勞壽命專(zhuān)用應(yīng)變片
HBM M系列是專(zhuān)門(mén)為高疲勞壽命材料試驗(yàn)而開(kāi)發(fā)的。測(cè)量柵絲由特殊的鎳鉻合金制成，基底材料為增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂。并集成應(yīng)變消除，可將焊片與測(cè)量柵絲分離。
HBM-M-系列
- 特別針對(duì)高疲勞壽命材料開(kāi)發(fā)
- 玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基底
- 可選350和1000 Ohm電阻
- 整體應(yīng)變消除
- 工作溫度-200 °C 到300 °C
法律免責(zé)聲明：技術(shù)說(shuō)明不斷改進(jìn)，因此變化頻繁。HBM對(duì)描述的正確性和/或完整性不承擔(dān)任何責(zé)任。我們保留隨時(shí)更改的權(quán)利，恕不另行通知。

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