Aký je princíp činnosti tenzometra?

Tenzometer je kľúčovým senzorom v oblasti merania a prístrojovej techniky, ktorý sa široko používa v rôznych priemyselných odvetviach na meranie napätia, napätia a sily. Ako dodávateľ tenzometrov sa ma často pýtajú na princíp fungovania tenzometra. V tomto blogovom príspevku sa ponorím do základných princípov tenzometrov, vysvetlím, ako fungujú, a prediskutujem ich aplikácie.

Základná koncepcia kmeňa

Predtým, ako sa ponoríme do prevádzky tenzometra, je nevyhnutné pochopiť pojem napätie. Napätie (ε) je definované ako relatívna zmena dĺžky objektu v dôsledku aplikovanej sily. Matematicky je vyjadrená ako zmena dĺžky (ΔL) delená pôvodnou dĺžkou (L₀):

[ \varepsilon = \frac{\Delta L}{L₀} ]

Pretiahnutie môže byť buď ťahové (predĺženie) alebo kompresné (skrátenie). Keď na predmet pôsobí vonkajšia sila, spôsobí deformáciu predmetu, čo má za následok zmenu jeho rozmerov. Práve na túto zmenu rozmerov sú tenzometre určené na meranie.

Princíp činnosti tenzometra

Činnosť tenzometra je založená na piezorezistívnom efekte, čo je zmena elektrického odporu vodiča, keď je vystavený mechanickému namáhaniu. Tenzometer zvyčajne pozostáva z tenkej kovovej fólie alebo drôteného vzoru, ktorý je spojený s pružným podkladovým materiálom. Keď je na predmete, ku ktorému je tenzometer pripevnený, napätie, merací prístroj sa tiež deformuje, čo spôsobí zmenu jeho elektrického odporu.

Vzťah medzi zmenou odporu (ΔR) a aplikovanou deformáciou (ε) je daný meracím faktorom (GF), ktorý je charakteristickou vlastnosťou tenzometrického materiálu:

[ \frac{\Delta R}{R₀} = GF \times \varepsilon ]

kde R₀ je počiatočný odpor tenzometra. Merací faktor je mierou citlivosti tenzometra a je typicky v rozsahu 2 až 4 pre kovové tenzometre.

Konštrukcia tenzometra

Tenzometre sú dostupné v rôznych konfiguráciách, vrátane lineárnych, rozetových aÚplný tenzometer mosta. Najbežnejším typom tenzometra je lineárny tenzometer, ktorý pozostáva z jednej mriežky z kovovej fólie alebo drôtu. Mriežka je zvyčajne vyrobená z materiálu s vysokým kalibračným faktorom, ako je konštantán alebo zliatina niklu a chrómu.

Mriežka je spojená s pružným podkladovým materiálom, ako je polyimid alebo epoxid, ktorý poskytuje mechanickú podporu a elektrickú izoláciu. Nosný materiál tiež pomáha prenášať napätie z objektu na mriežku. Konce mriežky sú pripojené k dvom prívodným vodičom, ktoré slúžia na meranie zmeny odporu.

Meranie napätia pomocou tenzometra

Na meranie napätia pomocou tenzometra sa merací prístroj najskôr prilepí na povrch objektu, ktorého napätie sa má merať. Vodiče tenzometra sú potom pripojené k okruhu Wheatstoneovho mostíka, čo je bežná metóda merania malých zmien odporu.

Wheatstoneov mostík pozostáva zo štyroch rezistorov usporiadaných do kosoštvorcovej konfigurácie. Jeden z odporov v mostíku je tenzometer, zatiaľ čo ostatné tri sú pevné odpory. Keď tenzometer zaznamená zmenu odporu v dôsledku aplikovaného napätia, rovnováha mostíka je narušená, čo vedie k výstupnému napätiu, ktoré je úmerné zmene odporu.

Výstupné napätie Wheatstoneovho mostíka je zvyčajne veľmi malé a je potrebné ho zosilniť pomocou operačného zosilňovača (op-amp). Zosilnené napätie sa potom meria pomocou voltmetra alebo systému na zber údajov, ktorý prevádza napätie na hodnotu deformácie pomocou meracieho faktora tenzometra.

Aplikácie tenzometrov

Tenzometre majú široké uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach, vrátane letectva, automobilového priemyslu, stavebného inžinierstva a výroby. Niektoré z bežných aplikácií tenzometrov sú:

• Monitorovanie štrukturálneho zdravia: Tenzometrické snímače sa používajú na monitorovanie štrukturálnej integrity mostov, budov a iných inžinierskych stavieb. Meraním napätia v konštrukcii môžu inžinieri zistiť akékoľvek známky poškodenia alebo únavy a prijať vhodné opatrenia na zabránenie zlyhania.
• Materiálové testovanie: Tenzometrické snímače sa používajú v laboratóriách na skúšanie materiálov na meranie mechanických vlastností materiálov, ako je Youngov modul, Poissonov pomer a medza klzu. Aplikovaním známej sily na vzorku a meraním výsledného napätia môžu inžinieri určiť vlastnosti materiálu.
• Meranie sily: Tenzometre sa používajú v snímačoch sily na meranie sily pôsobiacej na objekt. Pripojením tenzometra k silomeru, čo je zariadenie, ktoré premieňa silu na elektrický signál, môžu inžinieri presne zmerať silu.
• Meranie vibrácií: Tenzometrické snímače sa používajú v snímačoch vibrácií na meranie vibrácií strojov a iných zariadení. Meraním napätia v konštrukcii spôsobeného vibráciami môžu inžinieri zistiť akékoľvek známky nevyváženosti alebo nesprávneho nastavenia a prijať vhodné opatrenia, aby zabránili poškodeniu.

Výhody a obmedzenia tenzometrov

Tenzometre ponúkajú niekoľko výhod oproti iným typom snímačov, vrátane:

• Vysoká citlivosť: Tenzometrické snímače sú veľmi citlivé na malé zmeny napätia a dokážu merať deformácie tak malé, ako je niekoľko mikrodeformácií.
• Široká škála aplikácií: Tenzometre možno použiť na meranie napätia, napätia, sily a vibrácií v širokej škále aplikácií.
• Jednoduchá inštalácia: Tenzometre sa inštalujú pomerne jednoducho a možno ich prilepiť na povrch objektu pomocou vhodného lepidla.
• Nízke náklady: Tenzometrické snímače sú relatívne lacné v porovnaní s inými typmi snímačov, čo z nich robí nákladovo efektívne riešenie pre mnohé aplikácie.

Tenzometre však majú aj určité obmedzenia, vrátane:

• Citlivosť na teplotu: Tenzometrické snímače sú citlivé na zmeny teploty, ktoré môžu spôsobiť zmenu ich odporu a ovplyvniť presnosť merania. Na kompenzáciu teplotných vplyvov sa často používajú techniky kompenzácie teploty, ako napríklad použitie fiktívneho tenzometra alebo teplotne kompenzovaného Wheatstoneovho mostíka.
• Nelinearita: Vzťah medzi zmenou odporu a použitou deformáciou nie je vždy lineárny, najmä pri vysokých deformáciách. To môže spôsobiť chyby v meraní a vyžaduje kalibráciu na zabezpečenie presných výsledkov.
• Obmedzený rozsah: Tenzometre majú obmedzený rozsah merania a môžu merať iba deformácie v určitom rozsahu. Ak napätie prekročí maximálny rozsah tenzometra, môže to spôsobiť trvalé poškodenie tenzometra.

Záver

Záverom možno povedať, že tenzometre sú základné senzory v oblasti merania a prístrojového vybavenia, ktoré sa široko používajú na meranie napätia, napätia, sily a vibrácií. Princíp činnosti tenzometra je založený na piezorezistívnom efekte, čo je zmena elektrického odporu vodiča pri jeho mechanickom namáhaní. Meraním zmeny odporu tenzometra pomocou obvodu Wheatstoneovho mostíka môžu inžinieri presne určiť použité napätie.

Ako dodávateľ tenzometrov ponúkame širokú škálu tenzometrov v rôznych konfiguráciách a špecifikáciách, aby vyhovovali potrebám rôznych aplikácií. Naše tenzometre sú vyrábané s použitím vysoko kvalitných materiálov a pokročilých výrobných techník, aby bola zaistená vysoká presnosť a spoľahlivosť. Ak máte záujem o kúpu tenzometrov alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa ich prevádzky a použitia, neváhajte nás kontaktovať pre ďalšie informácie a prediskutovanie vašich špecifických požiadaviek. Tešíme sa na spoluprácu pri poskytovaní najlepších tenzometrických riešení pre vaše potreby.

Referencie

• Ono, K. a Kishi, N. (2003). Technológia tenzometra: Základy a aplikácie. Elsevier.
• Doebelin, EO (2003). Meracie systémy: Aplikácia a dizajn. McGraw-Hill.
• Holman, JP (2001). Experimentálne metódy pre inžinierov. McGraw-Hill.