Podstawy pomiarów tensometrycznych

Tensometr jest jednym z najbardziej przydatnych narzędzi do precyzyjnego pomiaru rozszerzania lub kurczenia się materiału w miarę przyłożenia sił. Tensometry są również przydatne do pośredniego pomiaru przyłożonych sił, jeśli są ustawione w przybliżeniu liniowo z odkształceniem materiału.

Co to są tensometry

Tensometry to czujniki, których rezystancja elektryczna zmienia się proporcjonalnie do wielkości odkształcenia (odkształcenia materiału).

Idealny tensometr zmieniłby swoją rezystancję proporcjonalnie do wzdłużnego odkształcenia na powierzchni, do której czujnik jest przymocowany.

Istnieją jednak inne czynniki, które mogą wpływać na opór, takie jak temperatura, właściwości materiału i klej łączący miernik z materiałem.

Tensometr składa się z równoległej siatki z bardzo cienkiego metalowego drutu lub folii połączonej z naprężoną powierzchnią cienką izolowaną warstwą żywicy epoksydowej. Gdy klejony materiał jest naprężony, odkształcenie jest przenoszone przez klej. Kształt siatki jest zaprojektowany we wzorze, który zapewnia maksymalną zmianę oporu na jednostkę powierzchni.

Jak wybrać tensometr

Przy wyborze tensometru do aplikacji należy wziąć pod uwagę trzy główne czynniki, takie jak temperatura robocza, rodzaj wykrywanego odkształcenia oraz wymagania dotyczące stabilności.

Ponieważ tensometr jest montowany na naprężonej powierzchni, ważne jest, aby miernik był naprężony równo z powierzchnią. Materiał klejący należy dobrać ostrożnie, aby niezawodnie przenosić obciążenie na czujnik w szerokim zakresie temperatur i w innych warunkach.

Wartość rezystancji tensometru zmienia się w funkcji zastosowanego odkształcenia zgodnie z: zmianą R / R = S ew gdzie R jest oporem, e jest odkształceniem, a S jest współczynnikiem wrażliwości na odkształcenie. W przypadku mierników z folii metalowej współczynnik wrażliwości na odkształcenia wynosi około 2.

Przyrosty odkształcenia są zwykle mniejsze niż 0,005 cala / cal i często są wyrażane w jednostkach mikro odkształcenia. Ze wzoru widać, że rezystancja tensometru będzie się zmieniać w bardzo małych ilościach przy danym odkształceniu, rzędu 0,1%.

Następnie można odczytać napięcie z tego rezystora w miliwoltach na wolt (mV / V), aby uzyskać wartość pomiaru odkształcenia.

Współczynnik Poissona jest miarą zmniejszania grubości i wydłużenia występującego w materiale podczas odkształcania. Jeśli na przykład do drutu oporowego zostanie przyłożona siła rozciągająca, drut stałby się nieco dłuższy, a jednocześnie stałby się cieńszy. Ten stosunek tych dwóch szczepów to współczynnik Poissona.

Jest to podstawowa zasada pomiaru tensometrycznego, ponieważ rezystancja drutu zwiększyłaby się proporcjonalnie z powodu efektu Poissona.

Jak dokładnie zmierzyć dane wyjściowe tensometru

Aby dokładnie zmierzyć niewielką zmianę rezystancji, tensometry są prawie zawsze stosowane w konfiguracji mostka ze źródłem wzbudzenia napięcia.

Mostek Wheatstone'a jest powszechnie używany, jak pokazano na schemacie. Mostek jest zrównoważony, gdy stosunki rezystorów są równe po obu stronach lub R1 / R2 = R4 / R3. Najwyraźniej napięcie wyjściowe wynosi zero w tym stanie.

Gdy zmienia się rezystancja tensometru (Rg), napięcie wyjściowe (Vout) zmienia się o kilka miliwoltów, a następnie napięcie to jest wzmacniane przez wzmacniacz różnicowy, aby zwrócić czytelną wartość.

Ten obwód Wheatstone'a jest również dobrze przystosowany do kompensacji temperatury - może prawie wyeliminować wpływ temperatury. Czasami materiał manometru jest zaprojektowany tak, aby kompensować rozszerzalność cieplną, ale nie eliminuje to całkowicie wrażliwości termicznej.

Aby uzyskać lepszą kompensację termiczną, rezystor taki jak R3 można zastąpić podobnym tensometrem. Miałoby to tendencję do niwelowania wpływu temperatury.

W rzeczywistości wszystkie cztery rezystory można zastąpić czujnikami tensometrycznymi w celu uzyskania maksymalnej stabilności temperatury. Dwa z nich (R1 i R3) można skonfigurować do pomiaru ściskania, podczas gdy dwa pozostałe (R2 i R4) są skonfigurowane do pomiaru naprężenia.

Nie tylko kompensuje to temperaturę, ale również czterokrotnie zwiększa czułość. Tensometry z elektrycznymi elementami oporowymi są zdecydowanie najpopularniejszym typem czujnika do pomiaru odkształcenia, ponieważ mają zalety niższego kosztu. jako ugruntowany.

Są dostępne w małych rozmiarach i tylko w umiarkowanym stopniu podlegają zmianom temperatury, jednocześnie osiągając błąd mniejszy niż +/- 0,10%. Tensometry oporowe z przyczepnością są również bardzo czułe i mogą być używane do pomiaru odkształcenia statycznego i dynamicznego.

Istnieją jednak inne typy do niektórych zastosowań, takie jak piezorezystancyjne, węglowo-oporowe, półprzewodnikowe, akustyczne, optyczne i indukcyjne.

Istnieją nawet czujniki tensometryczne oparte na obwodzie kondensatora.