Bolehkah sel beban ketegangan dibuat dari bahan komposit?

Menu Kandungan

● 1. Asas Reka Bentuk Sel Beban Ketegangan

>> 1.1 Prinsip Kerja

● 2. Bahan tradisional: batasan dan warisan

>> 2.1 aloi aluminium (misalnya, 6061-T6)

>> 2.2 Keluli tahan karat (misalnya, 17-4 pH)

>> 2.3 keluli aloi (misalnya, 4340)

● 3. Bahan Komposit: Terobosan Kejuruteraan

>> 3.1 Kategori Bahan

>> 3.2 Teknik Pembuatan

● 4. Reka bentuk inovasi untuk sel beban komposit

>> 4.1 Sistem komposit logam hibrid

>> 4.2 Bahan Komposit Pintar

● 5. Perbandingan Prestasi: Komposit vs Metal

>> 5.1 Sifat Mekanikal

>> 5.2 Analisis Ekonomi

● 6. mengatasi cabaran khusus komposit

>> 6.1 ikatan tolok terikan

>> 6.2 Kestabilan Alam Sekitar

● 7. Aplikasi Industri

>> 7.1 Tenaga Boleh Diperbaharui

>> 7.2 Robotik Perubatan

● 8. Arah Masa Depan

>> 8.1 komposit dicetak 4D

>> 8.2 Komposit berasaskan bio

● Kesimpulan

● Soalan Lazim

>> 1. Apakah julat suhu yang boleh menjadi sel beban ketegangan komposit bertahan?

>> 2. Bagaimana sel beban komposit mengendalikan beban dinamik?

>> 3. Adakah sel beban komposit sesuai untuk persekitaran bukti letupan?

>> 4. Apakah masa utama untuk sel beban komposit tersuai?

>> 5. Bolehkah komposit menggantikan logam dalam sel beban 10,000+ kN?

● Petikan:

Sel -sel beban ketegangan sangat diperlukan dalam kejuruteraan moden, mengukur daya dalam aplikasi dari pemantauan kabel jambatan ke garisan pemasangan robot. Walaupun logam seperti keluli tahan karat dan aluminium menguasai industri, bahan -bahan komposit muncul sebagai alternatif pecah tanah. Artikel ini mengkaji kemungkinan teknikal, inovasi reka bentuk, dan aplikasi perindustrian sel-sel beban ketegangan berasaskan komposit, dengan tumpuan kepada kemajuan sains bahan dan pelaksanaan dunia nyata.

1. Asas Reka Bentuk Sel Beban Ketegangan

1.1 Prinsip Kerja

Sel beban ketegangan menukar daya mekanikal ke dalam isyarat elektrik melalui ubah bentuk tolok terikan. Komponen utama termasuk:

- Elemen elastik: Struktur galas daya utama (secara metalik tradisional).

- Tolok terikan: diatur dalam konfigurasi jambatan Wheatstone untuk ketepatan [6] [13].

-Penyaman isyarat: penguat dan penukar analog-ke-digital [55].

Keperluan Bahan:

- Kekuatan hasil yang tinggi (σy) untuk mencegah ubah bentuk plastik

- Modulus Young yang konsisten (e) untuk tindak balas ketegangan linear

- Rintangan Keletihan (NF> 10⁶cycles) [18] [34]

2. Bahan tradisional: batasan dan warisan

2.1 aloi aluminium (misalnya, 6061-T6)

- Kekuatan tegangan: 310 MPa

- Ketumpatan: 2.7 g/cm³

- Penggunaan biasa: Sensor industri kos rendah [18] [23]

2.2 Keluli tahan karat (misalnya, 17-4 pH)

- Kekuatan tegangan: 1,310 MPa

- Rintangan kakisan: Cemerlang dalam persekitaran lembap [10]

- Kelemahan: 3 × lebih berat daripada aluminium [18]

2.3 keluli aloi (misalnya, 4340)

- Had Keletihan: 500 MPa (10 ⁷ kitaran)

- Aplikasi: Skala Crane, Jentera Berat [34]

3. Bahan Komposit: Terobosan Kejuruteraan

3.1 Kategori Bahan

Komposit Jenis	Kekuatan Tegangan (MPA)	Ketumpatan (G/CM⊃3;)	Kelebihan Utama
Serat Karbon (CFRP)	1,500-2,500	1.5-1.6	Kekakuan tinggi-ke-berat
Serat Kaca (GFRP)	1,000-1,500	1.8-2.0	Kos efektif
Aramid (Kevlar®)	3,000-3,600	1.4	Rintangan kesan
Serat semula jadi (rami)	400-700	1.3	Kemampanan

Jadual 1: Sifat mekanikal bahan sel beban ketegangan komposit [5] [59] [62].

3.2 Teknik Pembuatan

- Penggulungan filamen: Penjajaran serat ketepatan untuk sel beban silinder [59]

- Pencetakan Pemindahan Resin (RTM): Geometri kompleks dengan toleransi 50 μm [28]

- Percetakan 3D: Thermoplastics bertetulang graphene untuk prototaip pesat [28]

Kajian Kes: Pemantauan Beban Sayap Airbus A350

- Bahan: Toray T800H/3900-2 CFRP

- Penjimatan Berat: 22 kg setiap sayap berbanding dengan aluminium [5]

-Penyelesaian tolok terikan: alat pengukur tembaga-nikel laser pada permukaan yang dirawat plasma [28]

4. Reka bentuk inovasi untuk sel beban komposit

4.1 Sistem komposit logam hibrid

Menggabungkan laluan beban keluli dengan perumahan komposit mencapai:

- Pengurangan berat badan 30%

- Penjimatan kos 15% berbanding reka bentuk komposit penuh [65]

Contoh: Pemantauan beban kren luar pesisir

- Struktur: Core Steel + CFRP Shell

- Faedah: Rintangan kakisan (ISO 9227 Salt Spray> 1,000 jam) + Kapasiti Tinggi [59]

4.2 Bahan Komposit Pintar

- Komposit penginderaan diri: nanotube karbon (CNTs) bertindak sebagai sensor ketegangan tertanam [66]

- Bentuk Polimer Memori: Secara automatik mengimbangi selepas peristiwa beban [28]

5. Perbandingan Prestasi: Komposit vs Metal

5.1

Parameter Parameter Properties	Mekanikal (6061)	Keluli (4340)	CFRP
Kekuatan tegangan (MPA)	310	1,720	2,500
Ketumpatan (g/cm³)	2.7	7.85	1.6
Pengembangan terma (μm/m · k)	23.6	11.3	2-5 (paksi)
Rintangan kakisan	Sederhana	Tinggi	Cemerlang

Jadual 2: Perbandingan bahan untuk aplikasi sel beban ketegangan [5] [18] [62].

5.2 Analisis Ekonomi

Kos Sel beban CFRP:

- Bahan: $ 120- $ 200/kg

- Pemesinan: 40% lebih tinggi daripada aluminium

- ROI: dicapai dalam 2-3 tahun untuk aplikasi aeroangkasa [59]

6. mengatasi cabaran khusus komposit

6.1 ikatan tolok terikan

 Penyediaan Permukaan:

- Ablation Laser (RA 3.2-6.3 μm)

- Ejen gandingan silane untuk lekatan epoksi [66]

- Jenis tolok:

- Semikonduktor (350 Ω) untuk kepekaan yang tinggi

- Corak fotolitografi untuk komposit anisotropik [28]

6.2 Kestabilan Alam Sekitar

 Penyerapan kelembapan:

- 0.1-0.3% berat badan dalam GFRP (ASTM D5229)

- Mitigasi: Resin yang diubahsuai Nanoclay [59]

Pampasan suhu:

- Serat Terbenam Bragg Gratings (FBG)

- Ketepatan: ± 0.02% Fs dari -40 ° C hingga +85 ° C [66]

7. Aplikasi Industri

7.1 Tenaga Boleh Diperbaharui

- Pemantauan kabel turbin angin:

- Bahan: GFRP dengan sensor ketegangan PVDF

- Kapasiti: 50-200 kN

- Sepanjang hayat: 20+ tahun dalam persekitaran laut [59]

7.2 Robotik Perubatan

 Maklum Balas Kekuatan Pembedahan:

- Bahan: mengintip serat karbon

- Pensterilan: Autoclavable sehingga 135 ° C

- Resolusi: 0.01 n [28]

8. Arah Masa Depan

8.1 komposit dicetak 4D

-Kekakuan yang bergantung kepada masa: Laraskan untuk memuat sejarah melalui aloi memori bentuk [28]

- Aplikasi: cangkuk kren adaptif, lengan drone morphing

8.2 Komposit berasaskan bio

- Komposit Flax-PLA:

- Kekuatan tegangan: 280 MPa

- Jejak Karbon: 60% lebih rendah daripada GFRP [59]

Kesimpulan

Sel beban ketegangan komposit mewakili peralihan paradigma dalam teknologi pengukuran kekerasan. Walaupun logam tradisional masih menguasai aplikasi perindustrian tinggi, komposit karbon dan gentian kaca adalah niche ukiran dalam sektor tenaga aeroangkasa, perubatan, dan boleh diperbaharui. Sebagai pembuatan bahan tambahan dan teknologi bahan pintar matang, sel beban komposit bersedia untuk menangkap 25-30% daripada pasaran global menjelang 2030, didorong oleh permintaan untuk penyelesaian ringan, tahan kakisan, dan tenaga yang cekap.

Soalan Lazim

1. Apakah julat suhu yang boleh menjadi sel beban ketegangan komposit bertahan?

Sel beban CFRP beroperasi dari -55 ° C hingga +150 ° C, manakala matriks termoplastik meluas ke +200 ° C dengan pengisi seramik [59] [66].

2. Bagaimana sel beban komposit mengendalikan beban dinamik?

Nisbah redaman 0.03-0.05 dalam CFRP mengurangkan bunyi getaran sebanyak 40% berbanding keluli [5] [28].

3. Adakah sel beban komposit sesuai untuk persekitaran bukti letupan?

Ya, pensijilan CFRP yang tidak berputar ATEX/IECEX untuk Zon 0 Kawasan Berbahaya [59].

4. Apakah masa utama untuk sel beban komposit tersuai?

Prototaip dicetak 3D mengambil masa 2-3 minggu berbanding 8-10 minggu untuk pemesinan tradisional [28].

5. Bolehkah komposit menggantikan logam dalam sel beban 10,000+ kN?

Reka bentuk hibrid belum lagi menggunakan teras keluli kekal standard untuk kapasiti ultra tinggi [65].

Petikan:

[1] https://www.transducertechniques.com/tll-3k-tensi-load-cell.aspx

[2] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell/tension

[3] https://www.compositesworld.com/articles/an-examination-of-t-t-t-t-t-than-a-white-paper-from-the-montalvo-corp

[4] https://patents.google.com/patent/us6555767b1/en

[5] https://www.addcomposites.com/post/introduction-to-composite-materials

[6] https://www.interfaceforce.com/tension-load-cells-101/

[7] https://www.thames-side.com/support/faq/

[8] https://www.fibossensor.com/how-to-use t-t-toad-load-cell.html

[9] https://dfe.com/support-resources/what-is-tension-load-cell/

[10] https://www.laumas.com/ru/blog/products/the-main-types-of-load-cells/

[11] https://www.omega.com/en-us/resources/load-cells

[12] https://www.futek.com/store/custom-sensors-and-ssstruments/load-cells-force-sensors/tension-compression-load-cell-qla199

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/load_cell

[14] https://www.youtube.com/watch?v=krdq4oywujm

[15] https://www.futek.com/store/legacy-sensors-and-sstruments/tension-compression-lsb300/fsh00961

[16] https://eilersen.com/digital-load-cells/product/tension-load-cell-tm

[17] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell

[18] https://www.linkedin.com/pulse/material-matters-when-selecting-right-load-cell-interfaceforce-ghiwc

[19] https://www.interfaceforce.com/types-of-load-cells-101/

[20] https://www.laumas.com/en/product/sa-tensi-compression-load-cells/

[21] https://www.mt.com/ph/en/home/library/know-how/industrial-scales/load-cell-types-and-applications.html

[22] https://ph.rs-online.com/web/content/discovery/ideas-and-advice/load-cells-guide

[23] https://www.transducertechniques.com/tll-3k-tensi-load-cell.aspx

[24] https://www.czkunweitech.com/zh/products/kwt1d78cable-gland-spoke-round-threaded-load-cell/

[25] https://tjlijing.en.made-in-china.com/product/qoiazjnlxfyt/china-sk-200kg-300kg-500kg-force-forsor-load-cell-digital-dabric-composit-process-fensi-control.hl

[26] https://www.grdjournals.com/uploads/article/grdje/v05/i09/0004/grdjev05i090004_received_file_1596536535.doc

[27] https://www.zwickroell.com/accessories/load-cells/

[28] https://www.mdpi.com/1424-8220/21/11/3675

[29] https://www.hbm.com/en/3839/preferred-types-of-strain-gauges-for-composites/

[30] https://www.interfaceforce.com/how-are-load-cells-used-for-weighing/

[31] https://compositeskn.org/kpc/A100

[32] https://www.massload.com/how-thension-load-cells-work-functionality-and-key-uses/

[33] https://tml.jp/e/product/transducers/tlp.html

[34] https://www.800loadcel.com/load-cells/loadcells.html

[35] https://www.youtube.com/watch?v=35K7D-I05R8

[36] https://www.transducertechniques.com/tll-30k-tensi-load-cell.aspx

[37] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell/tension

[38] https://load-cells.org/gallery/

[39] https://www.youtube.com/watch?v=nh3nus6lmxk

[40] https://www.futek.com/applications/sensor/load-cell

[41] https://stock.adobe.com/search?k=%22Load+Cell%22

[42] https://www.youtube.com/watch?v=adgsuw4niqi

[43] https://www.laumas.com/en/assistance-faq/

[44] https://www.camaweigh.com/blog/post/faqs-load-cells/

[45] https://www.interfaceforce.com/load-cell-basics-technical-qa-part-two/

[46] https://www.straightpoint.com/loadcell-questions-and-answers.html

[47] https://www.force-logic.co.uk/what-is-a-load-cell/

[48] ​​https://www.800loadcel.com/blog/10-most-common-load-cell-problems-you-cant-ignore.html

[49] https://www.omega.com/en-us/resources/load-cell-faq

[50] https://forum.arduino.cc/t/question-concerning-s-ype-load-cell/396541

[51] https://tacunasystems.com/knowledge-sase/load-cell-faq/

[52] https://www.ricelake.com/resources/articles/10-facts-about-load-cells/

[53] https://www.fms-technology.com/en/faq

[54] https://dfe.com/support-resources/frequly-asked-questions/

[55] https://www.transducertechniques.com/load-cell.aspx

[56] https://www.lcmsystems.com/resources/load-cells-what-is-a-load-cell

[57] https://appmeas.co.uk/products/load-cells-force-sensors/tensi-load-cells/

[58] https://www.800loadcel.com/load-cells/tension-load-cells.html

[59] https://www.montalvo.com/exploring-tensi-control-required-to-create-natural-fiber-composites/

[60] http://www.ijirst.org/articles/ijirstv3i2022.pdf

[61] https://www.interfaceforce.com/tension-load-cells-101/

[62] https://www.science.org.au/curious/technology-future/composite-materials

[63] https://dfe.com/support-resources/what-is-tension-load-cell/

[64] https://www.rdpe.com/ex/men-load.htm

[65] https://www.massload.com/products/load-cells/tension-links-2/

[66] https://www.hbm.com/de/8288/composite-materials-practical-hints-for-strain-gauges/

[67] https://www.carotron.com/articles/tension-load-cells/

[68] https://www.minebea-intec.com/en/load-cells/tension-load-cells/tension-load-cell-s-ype-lc-tigo

[69] https://www.fibossensor.com/what-is-a-tensi-load-cell-and-how-does-it-work.html

[70] https://www.montalvo.com/load-cells-questions-answered/

[71] https://www.cmccontrols.com/pdfs/webtension_faq.pdf

[72] https://www.garbermetrology.com/blog/understanding-tension-load-cells/

[73] https://www.uscargocontrol.com/blogs/blog/how-to-select-a-load-cell