HBM M系列应变片：应对新型材料高应变检测挑战

HBM M系列应变片：应对新型材料高应变检测挑战

随着新材料技术的快速发展，高强度、轻质化的复合纤维材料在航空航天、汽车制造、体育用品等领域的应用日益广泛。然而，这些新型材料对检测技术提出了更高的要求，传统的金属应变片已无法满足其高应变检测需求。针对这一挑战，HBM公司推出了M系列应变片，采用特殊镍铬合金制成，专门针对交变负载设计，能够有效提升抗疲劳性能。此外，在极端交变载荷情况下，基于布拉格光栅的光学测量技术成为理想解决方案，具有各向同性的机械性能和极高的动态加载能力，适用于高电磁场环境等特殊场合。这些新技术的应用将极大推动高强度材料的研发和测试进程。

HBM M系列应变片是专为高强度材料测试设计的新型应变检测设备。其核心优势在于采用了特殊的镍铬合金材料，这种材料具有优异的抗疲劳性能，能够在极端条件下保持稳定的测量精度。M系列应变片的主要技术参数如下：

• 温度范围：-200到+300°C，适用于各种恶劣环境
• 疲劳加载：在±2000 µm/m的应变下可承受高达1000万次的交变负载
• 测量栅丝长度：提供1.5到6毫米的多种选择
• 电阻值：350和1000欧姆两种规格
• 基底材料：采用玻璃纤维增强酚醛树脂，具有良好的耐高温和耐腐蚀性能

M系列应变片的特殊设计使其在高强度材料测试中表现出色。例如，在飞机制造领域，复合纤维材料被广泛应用于机翼、机身等关键部件。这些部件需要承受极端的机械应力和温度变化，传统的应变片往往无法满足其检测需求。而M系列应变片通过特殊设计提升了抗疲劳性能，能够准确测量材料在高交变载荷下的应变情况，为产品质量控制提供了可靠的数据支持。

复合纤维材料具有高强度、轻量化、耐腐蚀等优点，但其复杂的微观结构和各向异性的机械性能给检测技术带来了巨大挑战。在实验应力测试和疲劳寿命分析中，应变片（SG）是非常关键的。真实或是虚拟负载对组件或是结构的影响可以通过应变测量链进行评估，产生优异的测量结果。

新型的高强度材料例如，复合纤维对于应变测量设备来说是一项挑战，尤其是这些部件机械性能极限下进行评估时。机械部件的抗疲劳性是通过抗交变载荷性能来描述的。这可以通过在材料特有的SN曲线来描述和绘制。在 S-N 测试中，材料式样周期性加载 - 通常是正弦方式 - 具有恒定的振幅。这个测试将在材料失效（例如断裂）时停止。如果测试重复振幅不同，失效的周期在图形上表示成点，将形成 S-N 曲线。材料失效的周期数将记录在 x 轴上，相关的振幅被输入作为机械应力或应变，在 Y 轴上表示。

下面图标显示的是不同材料的 S-N 曲线。纤维复合材料对交变载荷的高抵抗性能清晰可见。应变片本身屈服于疲劳从而产生 S-N 曲线。这将受到材料本身，布局和安装等方面的影响。和康铜合金相比，带有镍铬合金的测量栅丝的应变片对于交变载荷有更好的抵抗性。可弯曲的几何形状可提高应变片抵御交变负载的能力，带应变释放的焊接端子能够阻止连接电缆的机械应变传递，但会引起焊接端子和测量栅丝之间的断裂。因此，应变片安装必须采用很薄的黏合剂，焊接时也需要非常小心，以避免产生断裂点。在测试中，当零点漂移超过100 µm/m 就意味着产生了断裂。对于标准应变片来说，典型的康铜应变片在±1400 µm/m 可加载 107，这对普通的金属材料是足够的，但是对于高强度复合材料来说，是远远不够的。

在某些极端应用场合，即使是M系列应变片也无法满足检测需求。例如，在高电磁场环境或需要极高动态加载能力的情况下，基于布拉格光栅的光学测量技术成为理想选择。

布拉格光栅是一种特殊的光纤传感器，其工作原理基于光波的反射特性。当光谱光线被注入光纤时，只有特定波长的光（即布拉格波长）会被反射，其余光波则继续通过光纤传播。布拉格波长由光纤的微结构周期和芯层折射率决定，当光纤受到拉伸或压缩时，这种微结构的变化会导致布拉格波长的偏移，从而实现应变测量。

布拉格光栅传感器具有以下显著优势：

• 高抗疲劳性：光纤具有各向同性的机械性能，几乎不会产生疲劳。在疲劳寿命试验中，±5,000 µm/m 情况下加载周期可达 107，而且不会产生疲劳。
• 宽测量范围：动态加载能力可达约30000 µm/m的极限强度
• 抗电磁干扰：适用于高电磁场环境，如变压器、高压开关等场合
• 可嵌入性：可以嵌入复合材料内部，实现无损检测

这些特性使得布拉格光栅传感器在极端条件下的应变检测中具有不可替代的优势。例如，在风力发电机组的叶片监测中，布拉格光栅传感器可以嵌入复合材料叶片内部，实时监测其受力情况，确保设备安全运行。

近年来，随着纳米技术的发展，碳纳米管及其复合材料在应变传感器领域的应用成为研究热点。碳纳米管具有独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的导电性和力学性能，使其在制备高性能柔性应变传感器方面展现出巨大潜力。

碳纳米管基应变传感器的工作原理基于压阻效应。当传感器受到机械变形时，碳纳米管的导电路径会发生变化，导致电阻值的改变。通过测量这种电阻变化，可以实现对应变的监测。为了提高传感器的性能，研究人员通常会将碳纳米管与其他导电材料（如银、铜、石墨烯等）复合使用，以增强其导电性和机械稳定性。

碳纳米管基应变传感器具有以下显著优势：

• 高灵敏度：对微小应变具有极高的响应能力
• 宽测量范围：可检测从微应变到大应变的广泛范围
• 优异的柔韧性：适用于弯曲或可拉伸界面的应变监测
• 良好的耐用性：能够在承受多次循环负载后保持良好性能

这些特性使得碳纳米管基应变传感器在可穿戴设备、柔性电子、生物医学监测等领域展现出广阔的应用前景。例如，通过将碳纳米管基应变传感器集成到运动服装中，可以实时监测运动员的运动状态和肌肉活动，为运动训练和康复提供数据支持。

随着新型材料的不断发展，高应变检测技术正面临着前所未有的挑战。HBM M系列应变片和布拉格光栅技术的出现，为解决这一挑战提供了有效的解决方案。同时，碳纳米管基应变传感器等新兴技术的快速发展，也为未来高应变检测技术的创新提供了新的方向。这些新技术的应用将极大推动高强度材料的研发和测试进程，为各行业的技术进步提供有力支持。