การวัดการยืดตัว

วัสดุสามารถเกิดการเปลี่ยนรูปได้ภายใต้ผลของความร้อนและแรงทางกล ตัวอย่างหนึ่งของการเปลี่ยนรูปลักษณะเช่นนี้คือการยืดตัว นี่คือคำที่ใช้เรียกการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความยาวของชิ้นส่วนหรือวัสดุภายใต้ความเค้นทางกล (แรง) หรือจากความร้อนและความเย็น หากมีแรงกระทำจากภายนอกต่อชิ้นส่วน ชิ้นส่วนนั้นจะเกิดการยืดตัว (การยืดตัวในทางบวก การยืดตัว) การยืดตัวที่เกิดขึ้นเป็นปฏิกิริยาต่อการใช้แรงทำให้วัสดุเสียรูป หากชิ้นส่วนถูกแรงกดดัน ชิ้นส่วนนั้นจะเกิดการยุบตัว (สั้นลง การยืดตัวในทางลบ) หากวัสดุประสบกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ทำให้ขนาดเพิ่มขึ้น จะเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการยืดตัวจากความร้อน อุณหภูมิสูงทำให้เกิดการยืดตัวจากความร้อนในทางบวก ส่วนความเย็นทำให้เกิดการยืดตัวในทางลบ นอกจากนี้ยังมีการยืดตัวที่เกิดจากความเครียดภายในด้วย การเปลี่ยนรูปเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อมีการตีขึ้นรูปและเชื่อมชิ้นส่วน นอกจากนี้ยังมีการยืดตัวที่เกิดจากสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า

การคำนวณการยืดตัวของวัสดุจะทำโดยการหารการเปลี่ยนแปลงของความยาวด้วยความยาวเดิม และจะถูกแสดงเป็นไมโครมิเตอร์ต่อเมตร (μm / m) สำหรับวัสดุหลายชนิด การยืดตัวจะมีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนกับแรงที่กระทำ การยืดตัวสามารถเกิดขึ้นในทิศทางตามยาวหรือเป็นผลจากการหดตัวขวางในทิศทางข้ามแรงที่กระทำ หากแรงดึง แรงกด และแรงเฉือนทำงานร่วมกัน ผลที่ได้จะเป็นการยืดตัวในทุกทิศทาง การเปลี่ยนรูปที่ซับซ้อนเหล่านี้สามารถจำลองได้บนคอมพิวเตอร์เช่นกัน

วัสดุต่างกันในแง่ของการยืดตัว: เหล็กจะเกิดการเปลี่ยนรูปน้อยกว่าขณะมีแรงกระทำเมื่อเทียบกับยาง ไทเทเนียมไม่ยืดตัวมากเท่ากับอะลูมิเนียมภายใต้ผลกระทบจากความร้อน สาเหตุของการยืดตัวของชิ้นส่วนจะถูกระบุโดยค่าสัมประสิทธิ์วัสดุหรือโมดูล เมื่อพูดถึงความเค้นทางกล การยืดตัวจะถูกแทนที่ด้วยโมดูลัสของความยืดหยุ่น ค่าสัมประสิทธิ์การยืดตัวจากความร้อนอธิบายการยืดตัวที่เกิดจากการกระทำของความร้อน วัสดุจำนวนมากขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง ในทางตรงข้าม การยืดตัวที่เกิดจากความเค้นทางกลมักจะเกิดขึ้นในทิศทางของแรงที่กระทำ สามารถคำนวณและวัดการยืดตัวได้จากการทดลอง

วิธีการวัดการยืดตัวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันคือการวัดทางไฟฟ้าและทางออปติคอลโดยใช้แถบวัดการยืดตัว (EMS) หาก EMS ทำจากฟอยล์โลหะ สามารถใช้วัดการยืดตัวในช่วง 1/100 ถึง 1/10 ไมโครมิเตอร์ต่อเมตร (μm / m) EMS แบบเซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความยาวได้อย่างแม่นยำในช่วงระหว่าง 1/1000 ถึง 1/100 ไมโครมิเตอร์ต่อเมตร (μm / m) แถบวัดการยืดตัวบ่งบอกถึงการยืดตัวเฉลี่ยของวัสดุที่ติดอยู่ด้วยกาวพิเศษเสมอ ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม จะใช้ EMS ขนาดต่าง ๆ

แถบวัดการยืดตัวทางไฟฟ้ายังรู้จักกันในชื่อแถบวัดการยืดตัวแบบฟิล์ม แถบวัดการยืดตัวเหล่านี้มีมาแล้วกว่า 80 ปี และประกอบด้วยฟอยล์โพลีอะไมด์บางสองแผ่นที่มีตะแกรงวัดที่รวมไว้ซึ่งทำจากคอนสแตนทัน โดยปกติแล้วจะใช้วงจรสะพานในการวัด แทนที่จะใช้ตะแกรงวัดโลหะ สามารถใช้ตะแกรงซิลิคอน (EMS เซมิคอนดักเตอร์) ได้เช่นกัน แถบวัดการยืดตัวเหล่านี้มีความไวสูงกว่ากับ EMS โลหะมาก แถบวัดไฟฟ้ามีขนาดระหว่าง 0.2 ถึง 150 มม. ด้วยการวัดแบบดั้งเดิม อาจมีการเปลี่ยนรูประหว่าง 0.1% ถึง 1% จากค่าระดับเต็มของมาตรวัด

เมื่อมีการยืดตัว ความต้านทานในตะแกรงวัดจะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูป ความไวในการตรวจจับการเปลี่ยนรูปจะแตกต่างกันไปใน EMS เซมิคอนดักเตอร์ ขึ้นอยู่กับทิศทางผลึกและชนิดของซิลิคอน (n หรือ p) EMS เหล่านี้ช่วยให้ผลการวัดที่ปราศจากข้อผิดพลาดในช่วงความถี่ตั้งแต่ 5 ถึง 8 MHz แรงดันการทำงานสูงสุดขึ้นอยู่กับขนาดของแถบวัดและวัสดุ ขนาดทั่วไปของ EMS ที่ยึดติดกับตัวนำความร้อนที่ดีสามารถทนต่อแรงดันได้ระหว่าง 5 ถึง 10 โวลต์ การวัดการยืดตัวแบบออปติคอลเกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือจากเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติก (FOS) ซึ่งได้รับการทากาวหรือลงแปะเข้ากับวัสดุตามที่กำหนด

แถบวัดการยืดตัวแบบออปติคอลเหล่านี้ยังรู้จักกันในชื่อเซนเซอร์ไฟเบอร์แบรกเกรติง (Fiber Bragg Grating Sensors) พวกมันไม่ไวต่อการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้อต่อการทำงาน ดังนั้นจึงถูกใช้ในกรณีที่ไม่สามารถใช้ EMS ทางไฟฟ้าได้ ยกตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิระหว่าง -270 ถึง 300 °C EMS ทางออปติคอลมีแก้วควอตซ์เคลือบพลาสติกเป็นแกนกลาง ซึ่งล้อมรอบด้วยปลอกที่หนากว่าและเคลือบพลาสติกป้องกัน ไฟเบอร์ประกอบด้วยกริดไฟเบอร์แบรกเกรติงหลายตัว หากแสงเลเซอร์ที่ถูกนำเข้าจากภายนอกผ่านอุปกรณ์ตรวจสอบไปกระทบกับกริดนี้ แสงบางส่วนจะถูกสะท้อนกลับและส่งกลับไปยังอุปกรณ์ตรวจสอบ จากข้อมูลนี้สามารถกำหนดความเค้นภายในวัสดุและการเปลี่ยนรูปได้

หากไฟเบอร์ถูกยืดระหว่างการวัดการยืดตัว ระยะห่างระหว่างส่วนของกริดจะเพิ่มขึ้น พร้อมกันนั้น ความยาวคลื่นของแสงที่สะท้อนกลับก็จะเปลี่ยนไปด้วย เนื่องจากไฟเบอร์แต่ละเส้นสามารถมีกริดแบรกเกรติงได้เป็นจำนวนมาก การวัดการยืดตัวแบบนี้จึงเหมาะสำหรับการตรวจสอบท่อส่งและอุโมงค์ ตรงกันข้ามกับการวัดการยืดตัวทางไฟฟ้าที่ต้องเชื่อมต่อ EMS แต่ละตัวเข้ากับสายเคเบิลแยกกัน การวัดการยืดตัวแบบออปติคอลจึงใช้เพียงไฟเบอร์แก้วเส้นเดียวก็เพียงพอ สิ่งนี้ช่วยประหยัดทั้งความพยายามในการติดตั้งและค่าใช้จ่าย

การวัดการยืดตัวมีข้อดีตรงที่สามารถกำหนดการเปลี่ยนแปลงในรูปทรงและความเค้นที่เล็กมากได้อย่างแม่นยำและละเอียด และสามารถใช้ได้เกือบทุกที่ด้วยความช่วยเหลือของแถบวัดการยืดตัวที่แตกต่างกัน สามารถตรวจสอบชิ้นส่วนได้เป็นระยะเวลาหลายปี การวัดการยืดตัวยังสามารถทำได้กับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน (เช่น ฝาครอบที่ทำจากอลูมิเนียมหล่อขึ้นรูป ใบพัดกังหัน) และภายใต้ผิวน้ำด้วยความช่วยเหลือของ EMS

นอกจากนี้ยังสามารถวัดการยืดตัวได้โดยการใช้ระบบการวัดแบบออปติคอลที่มีกล้องความละเอียดสูง เช่น ระบบ ARAMIS จาก ZEISS เพียงแค่ต้องทำเครื่องหมายที่วัสดุที่ต้องทดสอบด้วยกริดวัดล่วงหน้าด้วยเลเซอร์สำหรับทำเครื่องหมาย ขณะที่วัสดุกำลังถูกเปลี่ยนรูป กล้องทั้งสองจะถ่ายภาพของมัน การวัดการยืดตัวแบบ 3D ยังสามารถทำได้กับชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อน โดยอ้างอิงจากพิกัดพิกเซลที่วัดได้ของลวดลายที่นำมาใช้ สามารถคำนวณการยืดตัวได้อย่างแม่นยำโดยการใช้ ZEISS software พิเศษ สามารถติดตั้งระบบการวัดแบบออปติคอลอย่างถาวรบนเครื่องทดสอบที่เกี่ยวข้องได้

สามารถดำเนินการการวัดการยืดตัวโดยใช้วิธีการที่แตกต่างกันซึ่งจำกัดอยู่ในพื้นที่การใช้งานเฉพาะ การวัดเองมีความหลากหลายและสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้