Nyúlásmérés

Az anyagok hő- és mechanikai hatások eredményeképpen deformálódhatnak. Az ilyen alakváltozásra példa a megnyúlás. Ez a kifejezés egy alkatrész vagy anyag mechanikai igénybevétel (erő) vagy hő és hideg hatására bekövetkező relatív hosszváltozásának leírására szolgál. Ha egy alkatrészre kívülről erőt fejtünk ki, akkor az megnyúlik (pozitív nyúlás, megnyúlás). Az erőbehatás hatására fellépő nyúlások az anyag deformációját okozzák. Ha az alkatrész nyomásnak van kitéve, akkor összenyomódik (megrövidül, negatív nyúlás). Ha az anyagot olyan hőmérsékletváltozás éri, amely növeli a méreteit, azt hőtágulásnak nevezzük. A magas hőmérséklet pozitív, a hideg negatív hőtágulást okoz. Ezenkívül a belső feszültség miatt is van nyúlás. Ezek a deformációk az alkatrészek kovácsolásakor és hegesztésekor keletkeznek. Emellett vannak olyan nyúlások is, amelyeket mágneses vagy elektromos mező okoz.

Egy anyag nyúlásának kiszámításához a hosszváltozás értékét elosztjuk az eredeti hosszal, és mikrométer/méterben (μm/m) adjuk meg. Sok anyag esetében a nyúlás arányos a működő erővel. A nyúlás történhet hosszirányban vagy az erő irányára keresztben ható összehúzódás eredményeként. Ha a húzó-, nyomó- és nyíróerők együttesen hatnak, az eredmény minden irányban megnyúlás lesz. Ezek az összetett deformációk számítógépen is szimulálhatók.

Az anyagok megnyúlásuk tekintetében különböznek egymástól: Az acél erő hatására kevésbé deformálódik, mint a gumi. A titán hő hatására nem nyúlik meg annyira, mint az alumínium. Az alkatrészek nyúlásának okát az anyagi együtthatók vagy modulusok jelzik. Mechanikai igénybevétel esetén a nyúlást a rugalmassági modulus jelöli. A hőtágulási együttható a hő hatására bekövetkező nyúlást írja le. Számos anyag egyenletesen tágul minden irányban. Ezzel szemben a mechanikai feszültség által okozott nyúlás általában az erő irányában történik. A nyúlás kiszámítható és kísérletileg is mérhető.

A nyúlásmérés ma túlnyomórészt alkalmazott módszerei a nyúlásmérő bélyegek (EMS) segítségével történő elektromos és optikai mérés. Ha az EMS fémfóliából készül, akkor 1/100 és 1/10 μm/m közötti nyúlások mérésére használható. A félvezető EMS lehetővé teszi a hosszváltozás pontos kimutatását az 1/1000 és 1/100 μm/m közötti tartományban. A nyúlásmérő bélyeg mindig annak az anyagnak az átlagos nyúlását jelzi, amelyre speciális ragasztóval van rögzítve. A környezeti feltételektől függően különböző méretű EMS-eket használnak.

Az elektromos nyúlásmérő bélyegeket fóliás nyúlásmérő bélyegeknek is nevezik. Több mint 80 éve léteznek, és két vékony poliamid fóliából állnak, amelyekbe konstantánból készült mérőrács van beépítve. A méréshez általában mérőhidakat használnak. Fém mérőrács helyett szilíciumrács is használható (félvezető EMS). Ezek a nyúlásmérő bélyegek sokkal érzékenyebbek, mint a fém EMS. Az elektromos mérőbélyegek mérete 0,2 és 150 mm között van. Hagyományos mérés esetén a teljes skálaértéktől való 0,1 és 1% közötti eltérések lehetségesek.

Nyúláskor a mérőrács ellenállása megnő, így az deformálódik. A deformáció érzékenysége a félvezető EMS esetében a kristályszerkezet irányától és a szilícium típusától (n vagy p) függően változik. Ezek az EMS-ek hibamentes mérési eredményeket tesznek lehetővé az 5 és 8 MHz közötti frekvenciatartományban. A maximális üzemi feszültség a mérőbélyeg méretétől és az anyagtól függ. A jó hővezetőkhöz tapadó EMS szokásos méretei 5-10 V-ot bírnak el. Az optikai nyúlásmérés üvegszálas optikai érzékelők (FOS) segítségével történik, amelyeket az adott anyagra ragasztanak vagy hegesztenek.

Ezeket az optikai nyúlásmérő bélyegeket üvegszálas Bragg-rácsérzékelőknek is nevezik. Érzéketlenek az elektromágneses zavarokra és más kedvezőtlen körülményekre. Ezért ezeket akkor használják, amikor az elektromos EMS nem használható, például -270 és 300 °C közötti hőmérsékleten. Az optikai EMS magja műanyaggal bevont kvarcüvegszál, amelyet sűrűbb köpeny és műanyag védőbevonat vesz körül. Az üvegszál több üvegszálas Bragg-rácsot tartalmaz. Ha a kívülről, egy lekérdezőegységen keresztül bejuttatott lézerfény ezt a rácsot éri, a fénysugarak egy része visszaverődik, és visszajut a lekérdezőegységhez. Ebből meghatározhatók az anyagon belüli feszültségek és a deformációk.

Ha az üvegszál a nyúlásmérés során megnyúlik, a rácsrészek közötti távolságok megnőnek. Ezzel egyidejűleg a visszavert fény hullámhossza is megváltozik. Mivel minden üvegszál számtalan Bragg-rácsot tartalmazhat, ez a nyúlásmérés alkalmas csővezetékek és alagutak felügyeletére. Az elektromos nyúlásméréssel ellentétben, ahol minden egyes EMS-t külön csatlakozókábelhez kell csatlakoztatni, az optikai EMS-hez egyetlen üvegszál is elegendő. Ez csökkenti a telepítési munkaigényt és költségeket.

A nyúlásmérés előnye, hogy még a rendkívül kis alak- és feszültségváltozások is hajszálpontosan meghatározhatók, és hogy a különböző nyúlásmérő bélyegek segítségével szinte univerzálisan használhatóak. Az alkatrészek évekig nyomon követhetők. Az EMS segítségével a nyúlásmérések bonyolult alkatrészeken (öntött alumíniumból készült házak, turbinaforgórészek) és víz alatt is elvégezhetők.

A nyúlásmérés nagy felbontású kamerákkal ellátott optikai mérőrendszerekkel is elvégezhető, például a ZEISS ARAMIS rendszerével. A vizsgálandó anyagra csak egy mérőrácsot kell előzetesen egy jelölőlézerrel felvinni. Miközben az anyag deformálódik, a két kamera fényképeket készít róla. A 3D-s nyúlásmérés bonyolult geometriájú alkatrészeken is elvégezhető. Az alkalmazott minta mért pixelkoordinátái alapján a ZEISS speciális szoftverével pontosan kiszámíthatók a nyúlások. Az optikai mérőrendszer állandó jelleggel is felszerelhető az adott vizsgálógépre.

A nyúlásméréseket különböző módszerekkel végzik, amelyek az alkalmazási területekre korlátozódnak. Maguk a mérések sokoldalúak, és különböző iparágakban használhatók.