Pomiary siły i naprężenia mechanicznego.

Jednostką naprężenia w układzie jednostek SI jest Pascal (Pa) 1Pa = 1N/1m2 . Do pomiaru naprężenia wykorzystuje się zjawisko zmiany rozmiarów badanego przedmiotu pod wpływem naprężenia. Zmiana rozmiarów (np. wydłużenie), jest przetwarzana na sygnał elektryczny przy pomocy tensometru rezystancyjnego.

Tensometr rezystancyjny jest to czujnik przeznaczony do pomiarów naprężenia mechanicznego. Tensometr jest wykonany z metalowego drutu. Zmiana rezystancji dR tensometru jest proporcjonalna do naprężenia mechanicznego.

gdzie:

R - rezystancja tensometru bez naprężeń,
k - stała tensometryczna czujnika,
e - wydłużenie względne,
s - naprężenie,
E - moduł sprężystości Younga.

Maksymalna zmiana rezystancji wynika z wartości stałej tensometru k oraz wydłużenia względnego (e) w zakresie odkształceń sprężystych. Materiały wykorzystywane do budowy tensometrów powinny charakteryzować się małą wartością współczynnika temperaturowego rezystancji. Najczęściej stosuje się stopy takie jak: konstantan, nichrom, manganin, chromel. Istnieje kilkadziesiąt typów tensometrów rezystancyjnych, które różnią się min. wymiarami geometrycznymi, wartością rezystancji spoczynkowej (niskoomowe od 100 do 200 Ohm, wysokoomowe od 500 Ohm do 5 kOhm) oraz rodzajem folii izolacyjnej.

Przykładowe rodzaje tensometrów rezystancyjnych

Tensometr najczęściej pracuje w układzie mostka Wheatstone'a. W układzie tym, oprócz tensometru czynnego stosuje się tensometr kompensacyjny, którego zadaniem jest ograniczenie wpływu temperatury na pomiar. Tensometr kompensacyjny nie może być poddany mierzonym naprężeniom i powinien znajdować się w tej samej temperaturze co tensometr czynny.

Siłę F mierzy się pośrednio - poprzez pomiar skutków jej działania np. wykonując:

  1. Pomiar względnego odkształcenia e lub pomiar bezwzględnego odkształcenia Dl elementu sprężystego o długości l, przekroju poprzecznym S i module Younga E
  2. Pomiar przyśpieszenia a obiektu o znanej masie m, F = am Małe wartości odkształcenia sprężystego przetwarza się na wielkość nieelektryczną za pomocą tensometrów, natomiast duże przemieszczenie lub odkształcenie przetwarza się za pomocą przetworników indukcyjnościowych, pojemnościowych i innych. Odpowiednio skonstruowany element sprężysty łącznie z przetwornikiem odkształcenia lub przemieszczenia na sygnał elektryczny nazywa się przetwornikiem siły (siłomierzem lub dynamometrem).
  3. Zależnie od wartości mierzonej siły stosuje się odpowiednio skonstruowane elementy sprężyste
    1. do pomiaru małej wartości siły (do 5 kN) stosuje się np. pierścieniowe elementy sprężyste
    2. do średnich wartości (od 5 do 100 kN) stosuje się np. elementy w kształcie rury
    3. do pomiarów dużych sił (ponad 100 kN) stosuje się elementy sprężyste o kształcie walca
  4. Naprężenie mechaniczne s można obliczyć jako iloczyn względnego wydłużenia e i modułu Younga materiału elementu, na który działa siła w kierunku prostopadłym do przekroju.
  5. Do pomiaru siły szybkozmiennej (do kilkudziesięciu kHz), często stosuje się przetworniki piezoelektryczne (najczęściej kwarcowe).

Przy pomiarach małych sił lub małych naprężeń stosuje się tensometry półprzewodnikowe, których czułość jest ok. stu razy większa niż tensometrów metalowych. Tensometry półprzewodnikowe są wrażliwe na zmiany temperatury i nie nadają się do pomiarów dokładnych.

Tensometry poprzeczne zmieniają swoją rezystancję tylko pod wpływem temperatury. Są to tzw. tensometry kompensacyjne, które uniezależniają wynik pomiaru od zmian temperatury. Wagi działają w zakresie od pojedynczych gramów do setek kilogramów.

Czujniki magnetosprężyste są to czujniki do pomiaru bardzo dużych sił do MN.

Pod wpływem działającej siły zmienia się przenikalność magnetyczna rdzenia, a przez to indukcyjność cewki.

L=mz2S/l

Presduktor jest to czujnik magnetosprężysty transformatorowy do pomiaru największych sił. Posiada dwa uzwojenia przesunięte względem siebie o 90o i przesunięte o 45o względem działającej siły, uzwojenia są umieszczone w rdzeniu ferromagnetycznym. Pod wpływem działającej siły w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie proporcjonalne do działającej siły.

PIEZOELEMENTY

Piezoelementy są to kryształki, które drgają gdy dostarczymy do nich energię, a jeżeli poddamy je naciskowi to wytwarzają napięcie elektryczne, proporcjonalne do działającej siły.

F=dQ

Siła jest wprostproporcjonalna do ładunku zaindukowanego na powierzchni piezoelementu.

1/d=1/0,23*10-11C/N


d - czułość piezoelementu