Strain gauges er enheder, der konverterer den målte elastiske deformation af et fast legeme til et elektrisk signal. Dette sker på grund af en ændring i modstanden af sensorlederen, når dens geometriske dimensioner ændres fra spænding eller kompression.
Strain gauge: funktionsprincip
Hovedelementet i enheden er en strain gauge monteret på en elastisk struktur. Strain gauges kalibreres ved trinvis belastning med en given stigende kraft og måling af størrelsen af den elektriske modstand. Derefter vil det ved at ændre det være muligt at bestemme værdierne for den påførte ukendte belastning og belastningen proportional med den.
Afhængigt af typen af sensorer kan du måle:
- styrke;
- pres;
- move;
- moment;
- acceleration.
Selv med strukturens mest komplekse belastningsskema er handlingen påstrain gauge reduceres til at strække eller komprimere dens gitter langs en lang sektion kaldet basen.
Hvilke strain gauges bruges
De mest almindelige typer strain gauges med en ændring i aktiv modstand under mekanisk påvirkning - strain gauges.
Wire strain gauges
Det enkleste eksempel er et lige stykke tynd tråd, som er fastgjort til den del, der undersøges. Dens modstand er: r=pL/s, hvor p er resistiviteten, L er længden, s er tværsnitsarealet.
Sammen med delen er den limede tråd elastisk deformeret. Samtidig ændres dens geometriske dimensioner. Når den er komprimeret, øges lederens tværsnit, og når den strækkes, falder den. Derfor skifter modstandsændringen fortegn afhængigt af deformationsretningen. Karakteristikken er lineær.
Den lave følsomhed af strain gauge førte til behovet for at øge længden af ledningen i et lille måleområde. For at gøre dette er det lavet i form af en spiral (gitter) af tråd, limet på begge sider med isoleringsplader fra en film af lak eller papir. For at forbinde til det elektriske kredsløb er enheden udstyret med to kobberledninger. De er svejset eller loddet til enderne af den oprullede ledning og er stærke nok til at forbinde til et elektrisk kredsløb. Trækmåleren fastgøres til det elastiske element eller delen under test med lim.
Trådvejeceller har følgende fordele:
- simpelt design;
- lineær afhængighed af belastning;
- lille størrelse;
- lav pris.
Ulempe omfatter lav følsomhed, indflydelse af omgivelsestemperaturen, behovet for beskyttelse mod fugt, brug kun i området med elastiske deformationer.
Tråden vil deformeres, når klæbemidlets vedhæftningskraft overstiger den kraft, der kræves for at strække den. Forholdet mellem bindingsfladen og tværsnitsarealet skal være 160 til 200, hvilket svarer til dens diameter på 0,02-0,025 mm. Den kan øges op til 0,05 mm. Derefter, under normal drift af strain gauge, vil klæbelaget ikke blive ødelagt. Derudover fungerer sensoren godt i kompression, da trådstrengene er integreret med den klæbende film og delen.
Foliebelastningsceller
Folievejecellens parametre og funktionsprincip er de samme som for trådene. Det eneste materiale er nichrome, konstantan eller titanium-aluminiumsfolie. Fotolitografi-fremstillingsteknologien gør det muligt at opnå en kompleks gitterkonfiguration og automatisere processen.
Sammenlignet med trådstrain gauges er folie-strain gauges mere følsomme, bærer mere strøm, overfører belastning bedre, har stærkere ledninger og har et mere komplekst mønster.
Halvledervejeceller
Følsomheden af sensorerne er cirka 100 gange højere end de ledninger, hvilket gør det muligt at bruge dem ofte uden forstærkere. Ulemperne er skørhed, høj afhængighed af omgivelsestemperatur og betydeligparameterspredning.
Strain gauge-specifikationer
- Base - længden af gitterlederen (0,2-150 mm).
- Nominel modstand R - aktiv modstandsværdi (10-1000 Ohm).
- Arbejdsforsyningsstrøm Ip - strøm, ved hvilken strain gauge ikke opvarmes mærkbart. Ved overophedning ændres egenskaberne af materialerne i følerelementet, basen og det klæbende lag, hvilket forvrænger aflæsningerne.
- Strain faktor: s=(∆R/R)/(∆L/L), hvor R og L er henholdsvis den elektriske modstand og længden af den ubelastede sensor; ∆R og ∆L - ændring i modstand og deformation fra ydre kraft. For forskellige materialer kan den være positiv (R stiger med spænding) og negativ (R stiger med kompression). Værdien af s for forskellige metaller varierer fra -12,6 til +6.
Skemaer til at tænde strain gauges
For at måle små elektriske signaler er den bedste mulighed en broforbindelse, hvor der i midten er et voltmeter. Det enkleste eksempel ville være en strain gauge, hvis kredsløb er samlet efter princippet om en elektrisk bro, i en af armene, som den er forbundet. Dens ubelastede modstand vil være den samme som resten af modstandene. I dette tilfælde vil enheden vise nul spænding.
Princippet for en strain gauge's funktion er at øge eller mindske værdien af dens modstand, afhængigt af om kræfterne er tryk- eller trækstyrke.
Temperaturen på strain gauge har en betydelig effekt på nøjagtigheden af aflæsningerne. Hvis en lignende belastningsmodstand er inkluderet i den anden arm af broen, som ikke vil blive belastet, vil den udføre funktionen til at kompensere for termiske effekter.
Målekredsløbet skal også tage højde for værdierne af den elektriske modstand af ledningerne forbundet til modstanden. Deres indflydelse reduceres ved at tilføje endnu en ledning forbundet til en af benene på strain gauge og voltmeteret.
Hvis begge sensorer er limet på det elastiske element på en sådan måde, at deres belastninger afviger i fortegn, vil signalet blive forstærket 2 gange. Hvis der er fire sensorer i kredsløbet med belastninger angivet med pile i diagrammet ovenfor, vil følsomheden stige betydeligt. Med denne tilslutning af tråd- eller folie-strain gauges vil et konventionelt mikroamperemeter give aflæsninger uden en elektrisk signalforstærker. Det er vigtigt at vælge modstandsværdierne nøjagtigt ved hjælp af et multimeter, så de er lig med hinanden i hver arm af den elektriske bro.
Anvendelse af strain gauges i teknik
- En del af designet af vægten: ved vejning deformeres sensorlegemet elastisk, og med det limes strain gauges på den, forbundet i et kredsløb. Det elektriske signal sendes til måleren.
- Overvågning af belastnings-belastningstilstanden af bygningskonstruktioner og tekniske konstruktioner i processen med deres konstruktion og drift.
- Strain gauges til måling af deformationskræfter under bearbejdningmet altryk ved valseværker og prægepresser.
- Højtemperatursensorer til stål og andre industrier.
- Målesensorer med elastisk element i rustfrit stål til drift i kemisk aggressive miljøer.
Standard strain gauges er lavet i form af skiver, søjler, enkle eller dobbeltsidede bjælker, S-formede. For alle strukturer er det vigtigt, at kraften påføres i én retning: fra top til bund eller omvendt. Under svære driftsforhold gør specielle design det muligt at eliminere virkningen af parasitære kræfter. Deres priser afhænger i høj grad af dette.
For strain gauges varierer prisen fra hundredvis af rubler til hundredtusindvis. Meget afhænger af producenten, design, materialer, fremstillingsteknologi, værdierne af de målte parametre, yderligere elektronisk udstyr. For det meste er de komponenter af forskellige typer skalaer.
Konklusion
Funktionsprincippet for alle strain gauges er baseret på transformationen af deformationen af det elastiske element til et elektrisk signal. Til forskellige formål er der forskellige sensordesigns. Når du vælger strain gauges, er det vigtigt at afgøre, om kredsløbene har kompensation for forvrængning af temperaturaflæsninger og parasitære mekaniske påvirkninger.
