portalpomiarowy.pl

Portal poświęcony tematyce pomiarowej

Tensometryczne czujniki siły

Tensometry są to czujniki przeznaczone do pomiaru naprężeń i wydłużeń ciała, w oparciu o przyjęty związek fizyczny (np. prawo Hooke’a). Ze względu na swoje właściwości tensometry wykorzystuje się do pośredniego pomiaru innych wielkości nieelektrycznych, jak na przykład siły i ciśnienia.
O wyborze odpowiedniego typu tensometru do danej aplikacji mają wpływ warunki oraz wymagania samego pomiaru, związane między innymi z konstrukcją czujnika, rodzajem obciążeń i temperaturą otoczenia. Obecnie największą popularnością cieszą się tensometry oporowe.
Technika ta wykorzystuje zjawisko odkryte już w 1856 roku przez Lorda Kelvina, które polega na zmianie oporności metalowego drutu pod wpływem działającej na niego siły rozciągającej. Zjawisko to zostało wykorzystane do pomiaru siły dopiero w 1937 roku w USA, a pierwsze czujniki siły zaczęto produkować na skalę przemysłową już dwa lata później. Należy dodać, że pierwsze czujniki siły były zbliżone formą do sensorów stosowanych obecnie.
Tensometry oporowe posiadają wiele zalet, które sprawiają, że są cały czas bardzo chętnie stosowane w praktyce. Należą do nich między innymi:

  • duża czułość
  • odporność na drgania oraz wstrząsy
  • małe wymiary
  • możliwość zamieszczania również na powierzchniach zakrzywionych

Zasada działania czujnika tensometrycznego bazuje na zależności oporu elektrycznego drutu metalowego od jego długości. Drut oporowy (lub folia) w tego typu czujnikach jest naklejany lub mocowany w inny sposób do konstrukcji elementu, który odkształca się pod wpływem działających sił lub momentów. Dzięki temu materiał oporowy ulega takim samym odkształceniom co element, do którego został przymocowany. Technologia mocowania oraz typ użytych materiałów ma ogromny wpływ na dokładność i stabilność czujników. Idea pierwowzoru obecnego czujnika tensometrycznego została przedstawiona na poniższym rysunku.

Schemat ideowy tensometrycznego czujnika siły

Badany element (oznaczony na rysunku jako rozciągany element konstrukcyjny) poddawany jest działaniu siły rozciągającej F w zakresie odkształceń sprężystych. Do jego końców jest odpowiednio zamocowany czujnik pomiarowy z drutu o rezystancji R, połączony szeregowo w zamkniętym obwodzie ze źródłem napięcia i woltomierzem.
Pod wpływem działających sił F rozciągnięciu ulega czujnik – jego długość L wzrasta, natomiast pole przekroju A maleje. Zależność tą można opisać przy wykorzystaniu wzoru:

tensometr_wzor1

R – rezystancja drutu oporowego [Ω]
ρ – opór elektryczny właściwy [Ωm]
L – długość drutu oporowego [m]
A – powierzchnia przekroju drutu oporowego [m^2]

Na podstawie tego wzoru możemy stwierdzić, że rezystancja drutu jest wprost proporcjonalna do zmiany jego długości i odwrotnie proporcjonalna do przekroju drutu. To znaczy, że wartość rezystancji wzrasta wraz ze wzrostem siły rozciągającej F, która działa na układ. Zakres siły F musi zawierać się w zakresie odkształceń sprężystych materiału, z którego wykonany jest drut pomiarowy. Już jednorazowe przekroczenie granicy plastyczności rozciąganego drutu spowoduje uszkodzenie czujnika – parametry drutu nie wrócą do pierwotnych wartości. Obecnie stosowane czujniki tensometryczne opierają się właśnie o wyżej omówioną zasadę. W porównaniu z pierwszymi czujnikami siły zmianie uległy wymiary, które zmniejszono dzięki zastosowaniu innego kształtu drutu oporowego ułożonego w tzw. drabinkę pomiarową. Nowoczesne rozwiązanie zostało przedstawione na poniższym rysunku.

Obecnie stosowany czujnik tensometryczny

Umieszczenie na nośniku (jest to najczęściej papier lub tworzywo sztuczne) wielokrotności małego odcinka pomiarowego L przyczyniły się do zmniejszenia gabarytów samego czujnika (zmniejszenie tzw. bazy pomiarowej). Takie rozwiązanie nie wpłynęło na zmiany oporności w porównaniu z drutem wyprostowanym, co jest bardzo ważne w przypadku tego typu czujników.
Tak zbudowany czujnik mocuje się do powierzchni badanej między innymi przy użyciu specjalnego kleju. Przy samym mocowaniu bardzo ważne jest ułożenie czujnika w taki sposób, aby jego oś symetrii pokrywała się z osią działania siły x-x. Dzięki temu największe zmiany oporności uzyskujemy w kierunku zgodnym z położeniem odcinków pomiarowych o długości L.

Każdy tensometr charakteryzuje się tzw. stałą tensometryczną k, nazywaną również współczynnikiem odkształcenia tensometru. Jest to parametr opisujący bezwymiarowo własności metrologiczne czujnika, które zależą od materiału oraz technologii wykonania.
Stała tensometryczna wyraża stosunek przyrostu względnego rezystancji do wydłużenia względnego przewodnika pod wpływem działania siły według zależności przedstawionej w poniższym wzorze.

tensometr_wzor2
k – stała tensometryczna
ε – odkształcenie względne
Pomiar naprężeń przy wykorzystaniu czujników tensometrycznych bazuje na prawie Hooke’a. Według teorii naprężenie ρ (dla jednoosiowego stanu małych naprężeń) jest wprost proporcjonalne do wydłużenia względnego ε oraz do współczynnika sprężystości wzdłużnej E (tzw. modułu Young’a) zgodnie z poniższym wzorem.

tensometr_wzor3

ρ – naprężenie
F – siła osiowa ściskająca lub rozciągająca
A – pole powierzchni przekroju poprzecznego
ε- odkształcenie (wydłużenie) względne
L0- długość początkowa
ΔL- przyrost długości wywołany działaniem siły F
E – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Young’a)

W celu określenia działającej siły musimy znać tylko moduł Young’a E i wymiary poprzeczne badanego elementu A oraz zmierzyć wydłużenie względne (przez pomiar odkształcenia).

W zależności od kształtu i ułożenia elementu oporowego wyróżnia się trzy rodzaje tensometrów.

  • drucikowe – drut o średnicy 0,02 do 0,05mm – odporne na wysoką temperaturę. Tą grupę możemy dodatkowo podzielić na tensometry wężykowe (drucik uformowany w kształcie wielokrotnego wężyka) oraz tensometry kratowe (szereg drucików ułożonych równolegle i połączonych znacznie grubszymi odcinkami taśmy miedzianej)
  • foliowe – folia metalowa o grubości 0,002 do 0,02 mm – stosowane najczęściej. Składające się z siatki rezystancyjnej w postaci wężykowej, wykonanej z cienkiej metalowej folii sklejonej klejem z podkładką nośną.
  • półprzewodnikowe – wysoka stała k, od 100 do 150 – są to czujniki delikatne i wrażliwe na zmiany temperatury.

Poniższy rysunek przedstawia najchętniej stosowane w praktyce tensometry, czyli tensometry foliowe.

Tensometr foliowy

W praktyce jednak najczęściej spotyka się gotowe czujniki w postaci tensometru foliowego przyklejonego już do obudowy czujnika. Budowa takiego czujnika została przedstawiona na rysunku, gdzie tensometry foliowe zostały zaznaczone w kółkach.

Czujnik belkowy

W zależności od konstrukcji elementu nośnego (obudowy) czujnik taki może służyć do pomiaru małych sił z zakresach od pojedynczych niutonów, jak i ogromnych sił liczonych w dziesiątkach kiloniutonów.