Merenje izduženja

Toplota i mehanička opterećenja mogu izazvati deformaciju materijala. Primer takve promene oblika je izduženje. Ovim izraz se koristi za opis relativne promene dužine komponente ili materijala pod mehaničkim opterećenjem (sila) ili usled temperaturnih promena. Ako se na komponentu deluje spoljašnjom silom, ona se izdužuje (pozitivno izduženje, izduženje). Izduženja koja nastaju kao reakcija na delovanje sile izazivaju deformaciju materijala. Ako je komponenta izložena pritisku, dolazi do njenog sabijanja (skraćenje, negativnog izduženje). Kada porast temperature izazove povećanje dimenzija materijala, govorimo o termičkom izduženju. Visoke temperature izazivaju pozitivno termičko izduženje, dok niske temperature dovode do negativnog izduženja. Pored toga, izduženja mogu nastati usled unutrašnjih naprezanja. Takve deformacije javljaju se tokom kovanja i zavarivanja komponenti. Pored toga, izduženja mogu nastati pod uticajem magnetnog ili električnog polja.

Izduženje se računa kao odnos promene dužine prema početnoj dužini i izražava se u mikrometrima po metru (μm/m). Kod mnogih materijala, izduženje je proporcionalno primenjenoj sili. Izduženje može nastati u uzdužnom pravcu ili kao posledica poprečnog skupljanja u odnosu na pravac delovanja sile. Kada na materijal istovremeno deluju vlačne, tlačne i smične sile, dolazi do izduženja u svim pravcima. Ove složene deformacije mogu se simulirati na računaru.

Materijali se razlikuju po izduženju: Čelik se pod dejstvom sile deformiše manje od gume. Titanijum se pod uticajem toplote širi manje od aluminijuma. Izduženje komponenti uslovljeno je koeficijentom termičke ekspanzije i modulom elastičnosti materijala. Pod mehaničkim naprezanjem, izduženje materijala se određuje modulom elastičnosti. Koeficijent termičkog izduženja opisuje izduženje izazvano dejstvom toplote. Veliki broj materijala se ravnomerno širi u svim pravcima. Nasuprot tome, izduženje izazvano mehaničkim naprezanjem se obično dešava u pravcu te sile. Izduženje se može odrediti proračunom, ali i izmeriti u eksperimentu.

Danas se pretežno koriste električne i optičke metode merenja izduženja, primenom mernih traka za izduženje (EMS). EMS izrađen od metalne folije omogućava merenje izduženja u rasponu od 1/100 do 1/10 μm/m. Poluprovodnički EMS omogućavaju precizno detektovanje promene dužine u rasponu od 1/1000 do 1/100 μm/m. Traka za merenje izduženja uvek pokazuje prosečno izduženje materijala na koji je pričvršćena specijalnim lepkom. U zavisnosti od okruženja, primenjuju se trake za merenje izduženja različitih veličina.

Električne trake se često nazivaju i folijskim trakama za merenje izduženja. Već više od 80 godina koriste se trake koje se sastoje od dve tanke poliamidne folije i ugrađene merne mrežice od konstantana. Merenje se najčešće vrši pomoću mostnih kola. Umesto metalne merne mrežice, može se koristiti i silicijumska mreža (poluprovodnički EMS). Trake za merenje izduženja ovog tipa znatno su osetljivije od metalnih EMS. Dimenzije električnih mernih traka kreću se od 0,2 do 150 mm. Kod konvencionalnih metoda merenja moguće su odstupanja od 0,1 do 1 % u odnosu na punu skalu.

Tokom istezanja raste otpor u mernoj mrežici, što dovodi do njene deformacije. Osetljivost u detekciji deformacije kod poluprovodničkih EMS zavisi od orijentacije kristala i vrste silicijuma (n ili p). Ovi EMS omogućavaju tačne rezultate merenja u frekventnom opsegu od 5 do 8 MHz. Maksimalni radni napon zavisi od veličine merne trake i materijala. Standardne EMS trake koje se postavljaju na materijale dobre toplotne provodljivosti mogu izdržati napone od 5 do 10 V. Optičko merenje izduženja vrši se uz pomoć vlaknastih optičkih senzora (FOS), koji se pričvršćuju lepljenjem ili zavarivanjem na materijal.

Ove optičke trake poznate su i kao senzori sa Bragovom rešetkom u optičkom vlaknu. Na njih ne utiču elektromagnetne smetnje niti drugi nepovoljni uslovi iz okruženja. Zbog toga se primenjuju u uslovima gde električni EMS nije pogodan, poput ekstremnih temperatura od -270 do 300 °C. Optički EMS sadrži jezgro od kvarcnog staklenog vlakna sa plastičnim premazom, oko kog se nalazi gušći zaštitni omotač i dodatni sloj plastike. Vlakno sadrži nekoliko Braggovih rešetki. Kada laserski snop iz interrogatora pogodi rešetku, deo svetlosti se reflektuje i vraća nazad ka uređaju koji ju je poslao. Na osnovu reflektovane svetlosti određuju se unutrašnja naprezanja i deformacije materijala.

Kada se vlakno istegne tokom merenja, razmak između delova rešetke se povećava. Istovremeno se menja talasna dužina reflektovane svetlosti. Zahvaljujući velikom broju Bragovih rešetki unutar jednog vlakna, ova metoda merenja izduženja idealna je za konstantni nadzor cevovoda i tunelskih konstrukcija. Za razliku od električnog merenja, gde je za svaki EMS potreban poseban priključni kabl, kod optičkog merenja je dovoljna jedna staklena vlaknasta nit. Na taj način se značajno štedi na vremenu montaže i ukupnim troškovima.

Prednost merenja izduženja je u tome što omogućava izuzetno precizno otkrivanje i najmanjih promena u obliku i naprezanju, uz gotovo univerzalnu primenu zahvaljujući različitim vrstama traka za merenje izduženja. Komponente mogu biti pod stalnim nadzorom tokom više godina. Merenja izduženja mogu da se vrše i na složenim komponentama (kućišta od livenog aluminijuma, turbine) kao i pod vodom uz pomoć EMS-a.

Izduženje se može meriti i uz pomoć optičkih sistema sa kamerama visoke rezolucije, poput ARAMIS sistema kompanije ZEISS. Pre merenja, na ispitivani materijal je potrebno naneti mernu mrežu pomoću obeležavajućeg lasera. Tokom deformacije materijala, obe kamere istovremeno snimaju njegovu površinu. 3D merenje izduženja moguće je i na delovima sa komplikovanom geometrijom. Pomoću specijalnog softvera kompanije ZEISS, izduženja se precizno izračunavaju na osnovu koordinata piksela uzorka koji je prethodno nanet na površinu. Optički sistem za merenje može biti trajno montiran na konkretnoj ispitnoj mašini.

Izduženje se meri različitim tehnikama, pri čemu je svaka metoda prilagođena određenoj oblasti aplikacije. Merenja izduženja imaju široku primenu i koriste se u brojnim industrijskim granama.