Gerinim Ölçerler

Gerinim : Bir iletken metal şeridi gerilirse, daha ince ve daha uzun hale gelir, her iki değişiklik de uçtan uca elektrik direncinde artışa neden olur. Tersine, bir iletken metal şeridi sıkıştırma kuvveti altına (burkulma olmadan) yerleştirilirse, genişler ve kısalır. Bu gerilmeler metal şeridin elastik sınırı içinde tutulursa (böylece şerit kalıcı olarak deforme olmaz), şerit, direncinin ölçülmesinden elde edilen uygulanan kuvvet miktarı olan fiziksel kuvvet için bir ölçüm elemanı olarak kullanılabilir.

Gerinim Ölçer nedir?

Böyle bir cihaza gerinim ölçer denir . Gerinim ölçerler, makine mühendisliği araştırma ve geliştirmesinde makinelerin ürettiği gerilmeleri ölçmek için sıklıkla kullanılır. Uçak bileşen testi, stresi ölçmek için yapısal elemanlara, bağlantılara ve bir uçak gövdesinin diğer kritik bileşenlerine yapıştırılmış küçük gerinim ölçer şeritleri olan bir uygulama alanıdır. Çoğu gerinim ölçer posta pulundan daha küçüktür ve şuna benzer.

Bir gerinim ölçerin iletkenleri çok incedir: yuvarlak telden yapılmışsa, çapı yaklaşık 1/1000 inçtir. Alternatif olarak, gerinim ölçer iletkenleri, taşıyıcı adı verilen iletken olmayan bir substrat malzemesi üzerine bırakılan ince metalik film şeritleri olabilir . Gerinim ölçerin ikinci formu, önceki çizimde gösterilmektedir. “Bağlı gösterge” adı, gerilim altında daha büyük bir yapıya yapıştırılan gerinim ölçerlerine verilir ( test numunesi olarak adlandırılır).). Örnekleri test etmek için gerinim ölçerlerin yapıştırılması görevi çok basit görünebilir, ancak öyle değildir. “Ölçme” başlı başına bir teknedir ve doğru, kararlı gerinim ölçümleri elde etmek için kesinlikle gereklidir. Gerilimi ölçmek için iki mekanik nokta arasına gerilmiş monte edilmemiş bir ölçüm teli kullanmak da mümkündür, ancak bu tekniğin sınırlamaları vardır.

Gerinim Ölçer Direnci

Tipik gerinim ölçer dirençleri 30 Ω ila 3 kΩ (gerilimsiz) arasındadır. Bu direnç, ölçü malzemesinin ve test numunesinin elastik limitleri tarafından empoze edilen sınırlamalar göz önüne alındığında, göstergenin tam kuvvet aralığı için sadece yüzde bir oranında değişebilir. Daha büyük direnç değişikliklerini tetiklemek için yeterince büyük kuvvetler, test numunesini ve / veya gösterge iletkenlerinin kendisini kalıcı olarak deforme eder, böylece ölçüyü bir ölçüm cihazı olarak mahveder. Bu nedenle, gerinim ölçeri pratik bir araç olarak kullanmak için dirençteki son derece küçük değişiklikleri yüksek doğrulukla ölçmeliyiz.

Köprü Ölçüm Devresi

Böylesine zorlu bir hassasiyet, bir köprü ölçüm devresi gerektirir. Bir denge durumunu korumak için bir sıfır denge dedektörü ve bir insan operatör kullanan son bölümde gösterilen Wheatstone köprüsünün aksine, bir gerinim ölçer köprü devresi , dengesizlik derecesine göre ölçülen gerilimi gösterir ve merkezinde hassas bir voltmetre kullanır. Bu dengesizliğin doğru bir ölçümünü sağlamak için köprü:

Tipik olarak, reostat köprü (R kolu 2 bir kuvvet uygulandığında bir değere ayarlanır diyagramda) gerilim ölçer direncine eşittir. Köprünün iki oran kolu (R 1 ve R 3 ) birbirine eşit olarak ayarlanmıştır. Böylece, gerinim ölçere hiçbir kuvvet uygulanmadan, köprü simetrik olarak dengelenecek ve voltmetresıfır volt gösterecek ve gerinim ölçer üzerindeki sıfır kuvveti temsil edecektir. Gerinim ölçer sıkıştırıldığında veya gerildiğinde, direnci sırasıyla azalır veya artar, böylece köprüyü dengesizleştirir ve voltmetrede bir gösterge oluşturur. Ölçülen değişkene (mekanik kuvvet) yanıt olarak köprünün tek bir elemanının direncini değiştirdiği bu düzenleme, çeyrek köprü devresi olarak bilinir .

Gerinim ölçer ile köprü devresindeki diğer üç direnç arasındaki mesafe önemli olabileceğinden, tel direncinin devrenin çalışması üzerinde önemli bir etkisi vardır. Tel direncinin etkilerini göstermek için, aynı şematik diyagramı göstereceğim, ancak kabloları temsil etmek için gerinim ölçer ile seri olarak iki direnç sembolü ekleyeceğim.


Tel Dirençleri

Gerinim ölçerin direnci (R ölçer ) ölçülen tek direnç değildir: R ölçer ile seri olan tel dirençleri R tel1 ve R tel2 ayrıca köprünün reostat kolunun alt yarısının direncine katkıda bulunur ve sonuç olarak voltmetrenin göstergesine katkıda bulunur. Bu, elbette, sayaç tarafından yanlış bir şekilde gösterge üzerindeki fiziksel zorlanma olarak yorumlanacaktır.

Bu konfigürasyonda bu etki tamamen ortadan kaldırılamasa da, voltmetrenin sağ tarafını doğrudan gerinim ölçerin üst teline bağlayarak üçüncü bir tel eklenerek en aza indirilebilir.

Üçüncü tel pratikte hiç akım taşımadığından (voltmetrenin aşırı yüksek iç direnci nedeniyle), direnci önemli miktarda voltajı düşürmeyecektir. En telinin (R direnci ne kadar Bildirimi wire1 ) voltmetre sadece alt telin direnci bırakarak strain gauge üst terminaline direkt olarak bağlanır artık “bypass” olmuştur (R wire2 ) ile seri olarak herhangi bir sokak direnci katkıda gösterge. Elbette mükemmel bir çözüm değil, ancak son devreden iki kat daha iyi!

Bununla birlikte, kablo direnci hatasını az önce açıklanan yöntemin çok ötesinde azaltmanın ve ayrıca sıcaklıktan kaynaklanan başka bir tür ölçüm hatasını azaltmanın bir yolu vardır.


Sıcaklıktaki Direnç Değişimi

Gerinim ölçerlerin talihsiz bir özelliği, sıcaklıktaki değişikliklerle direnç değişimidir. Bu, tüm iletkenler için ortak bir özelliktir, bazıları diğerlerinden daha fazladır. Böylelikle, gösterildiği gibi çeyrek köprü devremiz (göstergeyi köprüye bağlayan iki veya üç telli) bir gerinim göstergesi yaptığı gibi bir termometre olarak da çalışır. Tek yapmak istediğimiz gerginliği ölçmekse, bu iyi değil. Bununla birlikte, bu sorunu, R 2 yerine bir “kukla” gerinim ölçer kullanarak aşabiliriz , böylece reostat kolunun her iki elemanı, sıcaklık değiştiğinde direnci aynı oranda değiştirir ve böylece sıcaklık değişikliğinin etkilerini iptal eder.

Dirençler R 1 ve R 3 eşit direnç değeri vardır ve gerinim ölçerler birbirine özdeştir. Hiçbir kuvvet uygulanmadığında, köprü mükemmel dengelenmiş bir durumda olmalı ve voltmetre 0 volt kaydetmelidir. Her iki gösterge de aynı test numunesine bağlanır, ancak yalnızca biri fiziksel zorlanmaya ( aktif ölçü) maruz kalacak şekilde bir konuma ve oryantasyona yerleştirilir . Diğer gösterge, tüm mekanik gerilmelerden izole edilmiştir ve yalnızca bir sıcaklık dengeleme cihazı olarak işlev görür ( “kukla”ölçer). Sıcaklık değişirse, her iki gösterge direnci de aynı oranda değişecek ve köprünün denge durumu etkilenmeden kalacaktır. Sadece test numunesi üzerindeki fiziksel kuvvet tarafından üretilen bir diferansiyel direnç (iki gerinim ölçer arasındaki direnç farkı) köprünün dengesini değiştirebilir.

Her iki gerinim ölçeri köprüye bağlayan teller yaklaşık olarak eşit uzunlukta olduğundan, kablo direnci devrenin doğruluğunu eskisi kadar etkilemez. Bu nedenle, köprünün reosta kolunun üst ve alt bölümleri yaklaşık olarak aynı miktarda başıboş direnç içerir ve etkileri iptal etme eğilimindedir.


Çeyrek Köprü ve Yarım Köprü Devreleri

Köprü devresinde şu anda iki gerinim ölçer olmasına rağmen, sadece biri mekanik gerilmeye duyarlıdır ve bu nedenle biz yine de bu düzenlemeyi çeyrek köprü olarak adlandırırız . Bununla birlikte, üst gerinim ölçeri alıp, alt ölçü ile zıt kuvvete maruz kalacak şekilde konumlandırırsak (yani, üst ölçü sıkıştırıldığında, alt ölçü gerilecektir ve bunun tersi de geçerlidir), gerilmeye yanıt veren her iki göstergeye sahip olun ve köprü uygulanan kuvvete daha duyarlı olacaktır. Bu kullanım yarım köprü olarak bilinir. Her iki gerinim ölçer, sıcaklıktaki değişikliklere yanıt olarak direnci aynı oranda artıracak veya azaltacağından, sıcaklık değişiminin etkileri iptal olur ve devre, sıcaklıktan kaynaklanan minimum ölçüm hatasına maruz kalır.

Bu etkiyi sağlamak için bir çift gerinim ölçerin bir test örneğine nasıl bağlanabileceğine dair bir örnek burada gösterilmektedir.

Test örneğine hiçbir kuvvet uygulanmadan, her iki gerinim ölçer eşit dirence sahiptir ve köprü devresi dengelenir. Bununla birlikte, numunenin serbest ucuna aşağı doğru bir kuvvet uygulandığında, aynı anda ölçü 1 ve 2 numaralı sıkıştırma ölçeri aşağı doğru bükülür.


Tam Köprü Devreleri

Bu tür tamamlayıcı gerinim ölçer çiftlerinin test numunesine bağlanabildiği uygulamalarda, daha da fazla hassasiyet için köprünün dört elemanını da “aktif” hale getirmek avantajlı olabilir. Buna tam köprü devresi denir.

Hem yarım köprü hem de tam köprü konfigürasyonları, çeyrek köprü devresi üzerinde daha fazla hassasiyet sağlar, ancak genellikle tamamlayıcı gerinim ölçer çiftlerini test numunesine bağlamak mümkün değildir. Bu nedenle, çeyrek köprü devresi, gerinim ölçüm sistemlerinde sıklıkla kullanılır.

Mümkün olduğunda, tam köprü yapılandırması kullanmak için en iyisidir. Bu sadece diğerlerinden daha hassas olduğu için değil, aynı zamanda doğrusal olduğu için diğerleri olmadığı için doğrudur . Çeyrek köprü ve yarım köprü devreleri , uygulanan gerinim ölçer kuvvetiyle sadece yaklaşık olarak orantılı olan bir çıkış (dengesizlik) sinyali sağlar . Bu köprü devrelerinin doğrusallığı veya orantılılığı, uygulanan kuvvete bağlı direnç değişikliği miktarı, gösterge (ler) in nominal direnci ile karşılaştırıldığında çok küçük olduğunda en iyisidir. Bununla birlikte, tam köprü ile, çıkış voltajı, herhangi bir yaklaşım olmaksızın uygulanan kuvvetle doğru orantılıdır (uygulanan kuvvetin neden olduğu dirençteki değişikliğin dört gerinim ölçer için eşit olması şartıyla!).

Mükemmel bir denge koşulunda ölçüm sağlayan ve bu nedenle kaynak geriliminden bağımsız olarak çalışan Wheatstone ve Kelvin köprülerinden farklı olarak, bunun gibi dengesiz bir köprüde kaynak (veya “uyarma”) gerilim miktarı önemlidir. Bu nedenle, gerilim ölçer köprü üretilen dengesizlik milivolt derecelendirilir başına , uyarma volt başınabirim kuvvet ölçüsü. Endüstriyel ortamlarda kuvveti ölçmek için kullanılan tipte bir gerinim ölçer için tipik bir örnek, 1000 pound’da 15 mV / V’dir. Yani, tam olarak 1000 pound uygulanan kuvvette (sıkıştırma veya gerilme), köprü uyarma voltajının her volt için 15 milivolt ile dengesiz olacaktır. Yine, köprü devresi tam aktif ise (dört aktif gerinim ölçer, köprünün her bir kolunda bir tane), ancak yarım köprü ve çeyrek köprü düzenlemeleri için sadece yaklaşık olarak bu tür bir rakam kesindir.

Gerinim ölçerler, tek bir yuvada hem gerinim ölçer elemanları hem de köprü dirençleri olan, elemanlardan korunmak için sızdırmaz ve kapsüllenmiş ve bir makineye veya yapıya bağlanmak için mekanik sabitleme noktaları ile donatılmış eksiksiz birimler olarak satın alınabilir. Böyle bir pakete tipik olarak yük hücresi adı verilir .

Bu bölümde ele alınan diğer konuların çoğu gibi, gerinim ölçer sistemleri oldukça karmaşık hale gelebilir ve gerinim ölçerlerle ilgili tam bir tez bu kitabın kapsamı dışında olacaktır.

Özetle;

  • Gerinim ölçer, gerildiğinde direnci değiştirerek (elastik sınırı içinde gerilir veya sıkıştırılır) mekanik yükü ölçmek için tasarlanmış ince bir metal şerittir.
  • Gerinim ölçer direnç değişiklikleri, küçük direnç değişikliklerinin hassas ölçümüne izin vermek ve sıcaklıktan kaynaklanan direnç değişikliklerini telafi etmek için tipik olarak bir köprü devresinde ölçülür.