Meranie predĺženia

Materiály sa môžu deformovať vplyvom tepelných a mechanických účinkov. Príkladom takejto zmeny tvaru je predĺženie. Týmto termínom sa označuje relatívna zmena dĺžky súčasti alebo materiálu v dôsledku mechanického namáhania (sily) alebo vplyvom tepla a chladu. Ak na súčasť pôsobí sila zvonku, dôjde k jej predĺženiu (kladné predĺženie, natiahnutie). Predĺženia vznikajúce ako reakcia na pôsobenie sily spôsobujú deformáciu materiálu. Ak je súčasť vystavená tlaku, dôjde k jej stlačeniu (záporné predĺženie, skrátenie). Ak materiál zmenou teploty zväčší svoje rozmery, hovoríme o tepelnom predĺžení. Vysoké teploty spôsobujú kladné tepelné predĺženie, chlad záporné. Okrem toho existuje predĺženie spôsobené vnútorným napätím. Tieto deformácie vznikajú pri kovaní a zváraní súčastí. Ďalej existujú predĺženia spôsobené magnetickým alebo elektrickým poľom.

Na výpočet predĺženia materiálu sa zmena dĺžky vydelí pôvodnou dĺžkou a udáva sa v mikrometroch na meter (μm/m). U mnohých materiálov je predĺženie úmerné pôsobiacej sile. Predĺženie môže nastať v pozdĺžnom smere alebo ako dôsledok priečnej kontrakcie kolmo na smer sily. Ak pôsobia ťahové, tlakové a šmykové sily súčasne, výsledkom je predĺženie vo všetkých smeroch. Tieto komplexné deformácie je možné simulovať aj na počítači.

Materiály sa líšia svojím predĺžením: Oceľ sa pri pôsobení sily deformuje menej ako guma. Titán sa pod vplyvom tepla nepredlžuje tak veľmi ako hliník. Príčinu predĺženia súčastí popisujú materiálové koeficienty alebo moduly. Pri mechanickom namáhaní je predĺženie vyjadrené modulom pružnosti. Súčiniteľ tepelného predĺženia opisuje predĺženie spôsobené vplyvom tepla. Veľa materiálov sa rozťahuje rovnomerne vo všetkých smeroch. Naproti tomu predĺženie spôsobené mechanickým namáhaním prebieha zvyčajne v smere tejto sily. Predĺženie možno vypočítať a tiež experimentálne zmerať.

V súčasnosti sa na meranie deformácie najčastejšie používajú elektrické a optické meracie metódy s použitím tenzometrov EMS (Elongation Measuring Strip). Ak je tenzometer vyrobený z kovovej fólie, možno ním merať predĺženie v rozsahu 1/100 až 1/10 μm/m. Polovodičové tenzometre umožňujú presné zistenie zmeny dĺžky v rozmedzí 1/1000 až 1/100 μm/m. Tenzometer vždy udáva priemerné predĺženie materiálu, na ktorý je prilepený špeciálnym lepidlom. V závislosti od podmienok prostredia sa používajú tenzometre (EMS) rôznych veľkostí.

Elektrické tenzometre sa tiež nazývajú fóliové tenzometre. Sú dostupné už viac ako 80 rokov a pozostávajú z dvoch tenkých polyamidových fólií s integrovanou meracou mriežkou z konštantánu. Na meranie sa zvyčajne používajú mostíkové obvody. Namiesto kovovej meracej mriežky možno použiť aj kremíkovú mriežku (polovodičové tenzometre). Polovodičové tenzometre sú oveľa citlivejšie ako kovové tenzometre. Elektrické tenzometre majú veľkosť od 0,2 do 150 mm. Pri konvenčnom meraní sú možné odchýlky od koncovej hodnoty meracieho rozsahu v rozmedzí 0,1 až 1 %.

Pri predĺžení sa odpor v meracej mriežke zvyšuje, čo spôsobuje jej deformáciu. Citlivosť pri detekcii deformácie sa u polovodičových tenzometrov líši v závislosti od orientácie kryštálu a kremíka (n alebo p). Tieto tenzometre umožňujú bezchybné výsledky merania vo frekvenčnom rozsahu od 5 do 8 MHz. Maximálne prevádzkové napätie závisí od veľkosti meracieho pásika a materiálu. Bežné veľkosti tenzometrov prilepených na dobré tepelné vodiče znesú 5 až 10 V. Optické meranie predĺženia prebieha pomocou vláknových optických senzorov (FOS), ktoré sa nalepia alebo zvaria na príslušný materiál.

Tieto optické tenzometre sú známe aj ako senzory s vláknovou Braggovou mriežkou. Sú necitlivé na elektromagnetické rušenie a iné nepriaznivé podmienky. Preto sa používajú vtedy, keď nie je možné použiť elektrické tenzometre, napríklad pri teplotách medzi -270 a 300 °C. Optický tenzometer má ako jadro plastom potiahnuté kremenné sklenené vlákno, ktoré je obklopené hustejším plášťom a ochranným plastovým povlakom. Vlákno obsahuje niekoľko vláknových Braggových mriežok. Ak laserové svetlo zavedené zvonku cez interogátor dopadne na túto mriežku, časť svetelných lúčov sa odrazí a vráti späť do interogátora. Z toho možno určiť napätia v materiáli a deformácie.

Ak sa vlákno pri meraní predĺženia natiahne, vzdialenosti medzi časťami mriežky sa zväčšia. Zároveň sa mení vlnová dĺžka odrazeného svetla. Pretože každé vlákno môže obsahovať nespočetné množstvo Braggových mriežok, je toto meranie predĺženia vhodné na monitorovanie potrubí a tunelov. Na rozdiel od elektrického merania predĺženia, pri ktorom musí byť každý tenzometer pripojený samostatným káblom, optickým tenzometrom postačuje jediné optické vlákno. To šetrí úsilie aj náklady na inštaláciu.

Meranie predĺženia má tú výhodu, že umožňuje mimoriadne presné a bodové stanovenie aj extrémne malých zmien tvaru a napätia a vďaka rôznym tenzometrom je takmer univerzálne použiteľné. Súčasti možno monitorovať roky. Merania predĺženia možno vykonať aj na zložitých súčastiach (kryty z tlakovo liateho hliníka, obežné kolesá turbín) a pod vodou pomocou tenzometrov (EMS).

Meranie predĺženia možno vykonať aj pomocou optických meracích systémov s kamerami s vysokým rozlíšením, ako je systém ARAMIS od spoločnosti ZEISS. Testovaný materiál je potrebné len vopred označiť meracou mriežkou pomocou značiaceho lasera. Počas deformácie materiálu ho dve kamery fotografujú. 3D meranie predĺženia možno vykonať aj na súčastiach so zložitou geometriou. Na základe nameraných pixelových súradníc naneseného vzoru možno pomocou špecializovaného softvéru ZEISS presne vypočítať predĺženia. Optický merací systém sa môže trvalo namontovať na príslušný skúšobný stroj.

Merania predĺženia sa vykonávajú rôznymi metódami, ktoré sú obmedzené na špecifické oblasti použitia. Samotné merania sú všestranné a dajú sa použiť v rôznych odvetviach.