Projektowanie systemów pomiarowych

04

Mostek pomiarowy

Pomiary tensometryczne

1

Historia rozwoju pomiarów tensometrycznych – najważniejsze daty (według HBM)

• 1843 C. Wheatstone opisał efekt zmiany rezystancji w przewodniku elektrycznym

wskutek działania naprężeń mechanicznych

• 1938 E.E. Simmons i A.C. Ruge (USA) wymyślili niemal jednocześnie ale niezależnie

tensometry

• 1941 założenie firmy Baldwin-Southwark Corp. (USA) do produkcji tensometrów

• 1952 wzmianka o tzw. technice „drukowanego obwodu”, która w swojej

udoskonalonej formie doprowadziła do rozwoju „tensometru foliowego”

• 1963 rozpoczęcie produkcji tensometrów foliowych w HBM - Darmstadt (D)

http://www.hbm.com/2

3

Zastosowania tensometrów

Badania doświadczalne

• Eksperymentalna analiza naprężeń

• Określenie naprężeń resztkowych

• Analiza obciążenia (np. analiza zmęczeniowa)

• Określenie naprężeń termicznych

Do budowy przetworników:

• Siły

• Wagi

• Momentu siły

• Ciśnienia

4

ε na przykład – ( wydłużenie wzgl. dla przetworników)

1000 µm/m = 1mm/m (0,1%)

Wartość względnej zmiany rezystancji

k ~ 2 R(typ.) = 120Ω lub 350Ω (typowe oporności tenometrów)

Dlatego pomiary z użyciem omomierza są niemożliwe

Np.: tensometr 120Ω- przy 1mm/m = zmiana rezystancji 0,24Ω

∆R/R0

= k · ε

http://www.hbm.com/

5

Kompensacja Temperatury Materiał, wsp.rozszerzalności termicznej

Kompensacja Temperatury Materiał, wsp.rozszerzalności termicznej

Pozostające odchylenie

temperaturowe

Pozostające odchylenie

temperaturowe

Wielomian (pozostającego

odchylenia temperaturowego)Toteż pojawiający się błąd pomiarowy

może być skorygowany matematycznie

Wielomian (pozostającego

odchylenia temperaturowego)Toteż pojawiający się błąd pomiarowy

może być skorygowany matematycznie

Dane tensometru – ważne dane na opakowaniu

http://www.hbm.com/

Przypomnienie – klucz do pomiarów tensometrycznych

Rezystancja przewodu przed wydłużeniem wynosi:

gdzie

ρ – rezystywność,

s – pole przekroju poprzecznego s=πr2

Działanie siły F spowoduje:

- zwiększenie długości przewodnika l o Δl,

- przy założeniu kołowego przekroju poprzecznego, średnica 2r ulegnie zmniejszeniu o 2Δr,

- rezystywność przewodnika zmieni się o Δρ (w skutek deformacji siatki krystalicznej)

6

http://www.allaboutcircuits.com

Idea zmiany oporu wraz z zmianą długości przewodu została wykorzystana do budowy

tensometru.

Aby odcinek przewodu był dłuższy wykonuje się go w postaci „drabinki”.

Tensometr jest wrażliwy na deformacje wzdłuż „szczebelków drabinki” tak jak opisano na

rysunku.

7

http://web.fredma.se

Budowa tensometru (wersja z wąsami pomiarowymi)

Opisano podstawowe parametry (długość, szerokość, długość i szerokość odcinka

pomiarowego – „drabinki pomiarowej)

8

9

Zalety i wady tensometrów foliowych – obecnie najczęściej stosowanych

+ mogą być stosowane dla większości materiałów

+ niska masa / mały rozmiar

+ łatwy w stosowaniu

+ bezstratny kontakt pomiędzy tensometrem, a powierzchnią materiału (przy użyciu

specjalnego kleju)

+ znakomita liniowość w szerokim zakresie naprężenia

+ znane skutki związane ze zmianą temperatury

+ długotrwała stabilność, niskie koszty

+ duży wybór różnych tensometrów

- ograniczony zakres temperatur (powyżej wszystkich w produkcji przetworników)

- nie mogą być powtórnie użyte

- czułe na wpływ następujących czynników: wilgotność, zmiany temperatury, promieniowanie,

pole magnetyczne

http://web.fredma.se

Podstawowe typy tensometrów

10

N,R: Basic strain gauges for measuring and analysis of stress and strains.

T,U: Strain gauges with the leads at both ends.

Z: For shearing stress and torque measurement.

Q: Pressure sensor. 4 elements.

Y: Yielding type.

For measurement of large strains ranging to plastic sphere. Designed not to cause stress concentration at the point

where leads are soldered.

C: For crack analysis

Gauge grids are arranged in parallell. Gauge resistance increases in the form of stairs when a crack takes place

somewhere within the grids.

X: For crack propagation detection.

With the lengthy grid of this gauge, cracks propagating extensively can be sensed.

P: For application to internal surface of pipes or threaded holes where gauges are difficult to install.

The test object is perforated for installation of this gauge inside. Note however that application is considerably critical as

the gauge is likely to be damaged when installed or its performance is affected by air bubbles introduced during

installation.

W: Waterproof moulded type strain gauge.

Vinyl cable (2 parallel wires of 1 mm. in external dia., resp.) is being connected with strain gauge and the gauge is

moulded with special Epoxy resins. No special protection for waterproofing is necessary after its having been installed on

the test object. This feature can be applied to all versions in Nxx-FA series of gauge length from 2mm. to 10mm., except

N34, N35 and N51. http://web.fredma.se

Zastosowania typowych tensometrów (do poprzedniego slajdu)

11

http://web.fredma.se

Podstawowe konfiguracje rozmieszczenia tensometrów

12

http://www.allaboutcircuits.com

Ćwierć mostek pomiarowy (uwzględniono opór długich przewodów)

13

W przypadku konieczności zastosowana długich przewodów w układzie ćwierć mostka

wskazane jest modyfikacja układu polegającą na doprowadzeniu zasilania bezpośrednio

na tensometr (Rwire3), dzięki temu opory przewodów 1 i 2 sumują się z obu stron mostka

i układ ma szansę się zrównoważyć

14

Pomiar pół mostkiem (half bridge)

- Pomiar naprężeń będących rezultatem obciążenia siłą

bądź momentem gnącym (R4)

- Brak wpływu zmiany temperatury na pomiar (R3)

15

Pełny mostek pomiarowy (full bridge)Czy mostek będzie mierzył siłę wzdłużną (a)

czy moment gnący (b) czy zależy od konfiguracji tensometrów

(a) (b)

16

17

http://www.tncelectronics.co.uk

Dwa pełne mostki pomiarowe na elemencie z kompozytu węglowego