Po ponad 80 latach użytkowania jako element czujnikowy do pomiaru odkształceń, tensometry stały się metodą uniwersalną. Jednak ponieważ przemysł ma coraz wyższe wymagania dotyczące wartości pomiarowych i przetwarzania cyfrowego, tradycyjne tensometry z czujnikami samoprzylepnymi stają przed nowymi wyzwaniami. Aby sprostać tym potrzebom i otworzyć nowe obszary zastosowań, można zastosować technologię wytwarzania przyrostowego, aby uzyskać bardziej elastyczne projektowanie, automatyzację i powtarzalność instalacji tensometrów.

Tradycyjny tensometr i jego zastosowanie

Tensometry mogą być używane do rejestrowania obciążeń składowych, takich jak siła lub moment, oraz zmian kształtu (odkształcenia/ściskania) na powierzchni tych elementów (patrz rysunek 1). Z tego powodu tensometry były w ostatnich dziesięcioleciach stale aktualizowane, aby zmniejszyć niepewność pomiaru. Jednak podstawowa zasada działania tensometru nie uległa zmianie. Po przyłożeniu siły przewodnik elektryczny odkształca się. Zmieni się długość i pole przekroju przewodnika, co bezpośrednio zmienia jego mierzalną rezystancję omową.

Rysunek 1. Tradycyjne tensometry zespolone i przewody połączeniowe włączone części ze stali nierdzewnej.

Użytkownik najpierw kojarzy tensometr ze szczegółowymi procedurami wymaganymi do jego zainstalowania. Dzieje się tak, ponieważ klejenie wymaga nie tylko wielu etapów roboczych i odpowiedniej wiedzy fachowej, ale także doświadczenia w procesie instalacji i niezbędnej wrażliwości ręcznej, aby przetworzyć tensometr umieszczony na folii nośnej w punkt pomiarowy na elemencie zapewniającym dokładność Do pomiaru. Zasadniczo środowisko pracy musi być utrzymywane w czystości, aby można było nałożyć cienką, nie zanieczyszczającą warstwę kleju. W przypadku kompaktowych czujników siły, takich jak wagi domowe, stosuje się klejenie na gorąco. Tutaj tensometr pokryty klejem jest dociskany do punktu pomiarowego, a następnie element jest utwardzany w piecu.

Jeśli element nie może być umieszczony w piecu ze względu na jego rozmiar, wagę lub wrażliwość na temperaturę, stosuje się tak zwaną metodę spajania na zimno. Po przeszlifowaniu klejonego obszaru i odtłuszczeniu zaznaczyć oczekiwaną pozycję tensometru. Znakowanie i pozycjonowanie tensometrów, a następnie przyklejanie i równomierne rozprowadzanie kleju są zwykle wykonywane ręcznie, więc istnieje duża niepewność co do bocznego pozycjonowania tensometrów. Gdy klej stwardnieje, naciśnij na nim tensometr na około jedną minutę. Grubość utwardzonej warstwy samoprzylepnej może się znacznie różnić, co poważnie wpłynie na reakcję czujnika.

Dlatego są dwa problemy z klejem na tensometrze. Z jednej strony, z powodu błędu użytkownika, ręczne czynności prowadzą do niespójnej jakości. Wysokie wymagania jakościowe można spełnić za pomocą niektórych narzędzi pomocniczych; jednak zwiększy się obciążenie pracą i czas instalacji. Jeżeli jakość punktu pomiarowego jest niewystarczająca, tensometr należy usunąć w sposób niszczący i zamontować nowy. Z drugiej strony, wykorzystanie wykwalifikowanego personelu jest największym kosztem instalacji tensometrów. W przypadku większych ilości efekt skalowania kosztów jest zerowy lub nieistotny. Dlatego czujnik musi korzystać z zautomatyzowanego procesu.

Ponadto skomplikowała się również praca kolejnego łańcucha pomiarowego i transmisji danych, zwłaszcza w przypadku części wirujących. Typową metodą jest wykorzystanie systemu telemetrii indukcyjnej do przesyłania danych pomiarowych i energii poprzez sprzężenie indukcyjne. Jednak systemy te nadają się do masowej produkcji tylko w ograniczonym zakresie, ponieważ są zaporowo drogie i nie są szczególnie wytrzymałe. Inne alternatywne metody, takie jak powierzchniowa fala akustyczna (SAW) lub technologia czujników magnetostrykcyjnych, są odpowiednie tylko dla niektórych materiałów lub okazały się podatne na zakłócenia w użytkowaniu w terenie. Dlatego nie byli w stanie się osiedlić. Rozwój rozwiązań przemysłowych małej mocy do bezprzewodowej transmisji danych otwiera nowe możliwości. Tutaj te możliwości zostaną wykorzystane do praktycznego zastosowania technologii czujników, które nie wymagają energii zewnętrznej.

Drukowanie materiałów addytywnych do czujników tensometrycznych

Jakie możliwości daje tu produkcja addytywna? W końcu wiele elementów 3D można już drukować z różnych materiałów. Instytut Fraunhofera Technologii Laserowej (Fraunhofer ILT) i i4M Technologies (oba w Aachen, Niemcy) rozwiązały ten problem i opracowały prototyp, jak opisano poniżej.

W tradycyjnych tensometrach siatka pomiaru rezystancji jest zwykle nakładana między nośnikiem a folią osłonową. Ten tensometr foliowy jest przyklejany do elementu za pomocą kleju. Odkształcenie elementu jest przenoszone na siatkę pomiarową przez dwie warstwy pośrednie (patrz rysunek 2a). W zasadzie siatka pomiarowa powinna znajdować się jak najbliżej powierzchni elementu, aby uniknąć utraty przenoszenia siły. Zmiana grubości wiązania znajdzie odzwierciedlenie w przenoszeniu siły, a odpowiedź w punkcie pomiarowym tensometru może ulec zmianie. Gdy tensometr jest drukowany bezpośrednio w procesie drukowania (takim jak druk atramentowy), pomiędzy częścią a siatką pomiarową można zastosować prostszy system warstw (patrz Rysunek 2b). Potrzebna jest tylko jedna warstwa pośrednia, która łączy funkcję przenoszenia siły i izolacji elektrycznej pomiędzy elementem a siecią pomiarową.

Jak stworzyć tensometr za pomocą technologii druku 3D

W pokazanej tutaj metodzie wytwarzania przyrostowego trzy warstwy funkcjonalne (warstwa izolacyjna, metalowa siatka pomiarowa i warstwa wierzchnia lub warstwa enkapsulacji) są drukowane kolejno, a następnie każda warstwa funkcjonalna jest funkcjonalizowana. Funkcje folii nośnej i kleju w konwencjonalnych tensometrach przejmuje pojedyncza warstwa izolacyjna. W ten sposób siatka pomiarowa może być w zasadzie umieszczona bliżej powierzchni elementu, co ma poprawić przenoszenie odkształceń na sensoryczną siatkę pomiarową.

Jakie procesy nadają się do laminowania? Procesy te powinny być cyfrowe, oszczędzające zasoby i działać online. Udowodniono, że są wystarczająco wydajne na skalę przemysłową. Najważniejszą rzeczą jest obniżenie kosztów produkcji każdego czujnika.

Przed nałożeniem na element czujnika tensometrycznego wyprodukowanego z dodatkiem, można użyć promieniowania laserowego do oczyszczenia powierzchni elementu za pomocą substancji zakłócających, takich jak rdza, resztki smaru lub warstwa tlenku z poprzednich etapów procesu. Ten etap można również zastosować na chropowatych powierzchniach. Małe obszary pod mikroskopem są selektywnie ablowane, przetapiane lub modyfikowane za pomocą impulsowego promieniowania laserowego w celu zwiększenia przyczepności później nakładanych warstw.

Dozowniki i drukarki atramentowe mogą selektywnie nanosić materiały na punkty pomiarowe. Do obróbki końcowej wykorzystuje się wysokowydajne źródło światła (laser lub dioda LED), które szybko sprzęga niezbędną energię do drukowanej warstwy bez zbędnego nagrzewania części.

Jako materiał elektroizolacyjny można stosować polimery hybrydowe, takie jak ORMOCER, wynaleziony przez Instytut Fraunhofera ds. Krzemianów (Fraunhofer ISC; Würzburg, Niemcy). Może być dostarczony jako nieusieciowany lepki materiał i może być fotoinicjowany (tj. usieciowany przez napromieniowanie światłem). Materiał można selektywnie nakładać poprzez dozowanie, dzięki czemu polimer hybrydowy jest nakładany tylko na wymagany obszar (patrz Rysunek 3). System CNC prowadzi dozownik, aby zapewnić precyzyjne pozycjonowanie. Następnie źródło światła utwardza ​​warstwę w kilka sekund. Poniżej przedstawiono porównanie etapów budowy standardowego podłoża foliowego i wytwarzanej addytywnie warstwy tensometrycznej.

Struktura warstwowa standardowego tensometru na bazie folii:

Folia ochronna

Siatka pomiarowa

Folia nośna

Spoiwo

Element

Struktura warstwowa tensometru do wytwarzania przyrostowego:

Rodzaj opakowania

Siatka pomiarowa

Izolacja (bez kleju)

Element

Po utworzeniu izolacji elektrycznej na części metalowej zostanie wydrukowana siatka pomiarowa czujnika rezystancji. Osiąga się to poprzez drukowanie atramentowe nanocząstek metalicznych atramentów. Cienki płynny atrament zawiera nanocząsteczki metalu, adiuwanty i rozpuszczalniki i może być drukowany na warstwie izolacyjnej z wysoką rozdzielczością, jak obrazy drukowane na kolorowej drukarce. Nie ma potrzeby stosowania szablonu ani maski, jak w procesie trawienia, a siatkę pomiarową można zdigitalizować w celu dostosowania do określonych zadań pomiarowych. Aby atrament metaliczny był przewodzący, konieczne jest odparowanie lotnych składników, takich jak rozpuszczalniki i materiały pomocnicze, oraz spiekanie razem cząstek metalu. Spiekanie laserowe jest szczególnie odpowiednie dla tego etapu obróbki termicznej, ponieważ nie jest konieczne podgrzewanie całego zestawu w piecu. Jest to ważna zaleta, szczególnie w przypadku podłoży wrażliwych na temperaturę, takich jak stal hartowana. Ostateczne opakowanie siatki pomiarowej może chronić ją przed wpływami środowiska i może być wykonane przy użyciu tych samych materiałów i procesów, co warstwa izolacyjna. 

Tensometry z nadrukiem cyfrowym, które są poddawane obróbce końcowej laserem, mogą zasadniczo osiągnąć stałą jakość niezależnie od procesów ręcznych i mają atrakcyjne koszty w produkcji masowej. Ta metoda ma szczególne zalety w wysoce elastycznej produkcji małoseryjnej, ponieważ możliwe jest stworzenie indywidualnego projektu bez ponownego instalowania formy. Jednak wszystkie wyzwania związane z rozwojem procesów nie zostały jeszcze rozwiązane. Na przykład do tej pory tylko ograniczone farby metaliczne i materiały izolacyjne mogą osiągnąć kompensację temperatury dopasowującą się do materiału lub określone przenoszenie siły lub zostały opracowane do procesów funkcjonalizacji laserowej. Dlatego Fraunhofer ILT współpracuje z partnerami badawczymi i użytkownikami przemysłowymi w celu dalszego rozwoju.

Od punktu pomiarowego do inteligentnego czujnika

Jednak wykorzystanie tensometrów jako czujników nie wystarczy, ponieważ dane pomiarowe inteligentnych komponentów muszą być digitalizowane, przesyłane i analizowane. Dane pomiarowe są teraz „inteligentnymi danymi” (dane dostępne ekonomicznie), co oznacza pozostały okres użytkowania, automatyczne harmonogramy konserwacji, zoptymalizowane strategie kontroli itp., które stanowią podstawę takich koncepcji, jak konserwacja predykcyjna . Aby dokładnie zmierzyć obciążenie elementu, w przepływie siły należy zastosować punkt pomiarowy oparty na tensometrze. Jednak miejsca jest mało, zwłaszcza w nowoczesnych maszynach. Dodatkowo presja cenowa tego rozwiązania jest bardzo duża, zwłaszcza gdy ilość rośnie i trzeba przygotować rozwiązanie do masowej produkcji.

Opracowano wysoce zintegrowaną technologię telemetrii radiowej małej mocy do przesyłania danych z czujników w produkcji addytywnej i zastosowano ją do komponentów wraz z czujnikami tensometrycznymi (patrz Rysunek 4). Korzystaj z najnowszego dostępnego na rynku sprzętu i zoptymalizowanego oprogramowania układowego, aby zmaksymalizować wydajność energetyczną:

Układ scalony o bardzo niskim poborze mocy składający się z MCU Cortex M4 i modemu radiowego 2.4 GHz

Czołowy pomiar analogowy z 24-bitowym ADC, zintegrowanym wzmacniaczem sygnału i źródłem napięcia odniesienia

Sześć dodatkowych czujników DOF MEMS (akcelerometr, żyroskop) i czujnik temperatury

Bateria litowo-jonowa lub bateria litowa z odpowiednią elektroniką ładowania i obwodem ochronnym

Do transmisji danych w paśmie częstotliwości 2.4 GHz wykorzystywany jest specjalnie opracowany protokół. W porównaniu z Bluetooth i innymi protokołami przemysłowymi, ten protokół może osiągnąć wyższe szybkości transmisji danych i mniejsze opóźnienia. Maksymalna możliwa częstotliwość próbkowania to 19.2 kHz i może być również transmitowana na żywo. Jednak wymagania dotyczące mocy i czas pracy akumulatora zależą bezpośrednio od wybranej częstotliwości próbkowania. Ponieważ mostek pomiarowy tensometru ma najwyższe wymagania dotyczące mocy, działa on w trybie impulsowym, ale jest to możliwe tylko przy określonych częstotliwościach próbkowania. Ponadto wszystkie komponenty mogą działać w krótkim czasie z wyższą częstotliwością próbkowania w trybie uśpienia o niskim poborze mocy. W zależności od baterii może działać nieprzerwanie przez wiele godzin, a nawet dni z częstotliwością 19.2 kHz.

Dzięki temu rozwiązaniu wysokowydajne, autonomiczne energetycznie czujniki mogą wytwarzać wysoce użyteczne komponenty przy ograniczonej przestrzeni instalacyjnej. Ta technologia czujników została z powodzeniem zastosowana w różnych systemach technicznych, od: biegs i wałek Łożyskos obracający się w ciepłym oleju do systemów kolejowych lub turbin wiatrowych pod wpływem silnych pól zakłóceń elektrycznych i silnych wibracji. Moc obliczeniowa na MCU umożliwia również analizę krawędzi (np. FFT) na czujniku. Te inteligentne czujniki mogą znacznie zmniejszyć ilość przesyłanych danych, a tym samym jeszcze bardziej poprawić wydajność energetyczną dzięki przetwarzaniu brzegowemu. Ponadto algorytmy online w czujnikach umożliwiają poprawę jakości uzyskiwanych wartości mierzonych – na przykład poprzez fuzję czujników lub odpowiednie filtry.

Jednak jedno ograniczenie pokazanego tutaj rozwiązania telemetrycznego nadal istnieje: zasilanie bateryjne. Wieloletnia żywotność baterii jest możliwa, ale są one ograniczone — dlatego metody pozyskiwania energii zaczynają teraz działać. W i4M Technologies z powodzeniem zbadano obiecujące metody oparte na akwizycji temperatury i częstotliwości radiowych.

Link do tego artykułu: 

Technologia druku 3D usprawnia produkcję i wykorzystanie czujników tensometrycznych oraz eliminuje ingerencję czynnika ludzkiego 

Oświadczenie o przedruku: Jeśli nie ma specjalnych instrukcji, wszystkie artykuły na tej stronie są oryginalne. Proszę wskazać źródło przedruku: https://www.cncmachiningptj.com/，thanks！

Precyzja 3, 4 i 5-osiowa Obróbka CNC usługi dla obróbka aluminium, beryl, stal węglowa, magnez, obróbka tytanu, Inconel, platyna, superstop, acetal, poliwęglan, włókno szklane, grafit i drewno. Zdolne do obróbki części do 98 cali. średnica toczenia. i +/- 0.001 cala tolerancja prostoliniowości. Procesy obejmują frezowanie, toczenie, wiercenie, wytaczanie, gwintowanie, gwintowanie, formowanie, radełkowanie, pogłębianie, pogłębianie, rozwiercanie i cięcie laserowe. Usługi drugorzędne, takie jak montaż, szlifowanie bezkłowe, obróbka cieplna, galwanizacja i spawanie. Prototyp i produkcja od małych do dużych ilości oferowana z maksymalnie 50,000 XNUMX sztuk. Nadaje się do zasilania płynów, pneumatyki, hydrauliki i zawór Aplikacje. Obsługuje przemysł lotniczy, lotniczy, wojskowy, medyczny i obronny. PTJ opracuje strategię, aby zapewnić najbardziej opłacalne usługi, które pomogą Ci osiągnąć swój cel, Zapraszamy do kontaktu z nami ( sprzedaz@pintejin.com ) bezpośrednio do nowego projektu.