พื้นฐานของการวัดความเครียดเกจ

มาตรวัดความเครียดเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่มีประโยชน์ที่สุดสำหรับการวัดการขยายตัวหรือการหดตัวของวัสดุอย่างแม่นยำเมื่อมีการใช้แรง มาตรวัดความเครียดยังมีประโยชน์สำหรับการวัดแรงที่ใช้ทางอ้อมหากมีการจัดแนวโดยประมาณในแนวตรงกับการเสียรูปของวัสดุ

Strain Gauges คืออะไร

สเตรนเกจคือเซ็นเซอร์ที่มีความต้านทานไฟฟ้าแตกต่างกันไปตามสัดส่วนของความเครียด (การเสียรูปของวัสดุ)

มาตรวัดความเครียดในอุดมคติจะเปลี่ยนความต้านทานตามสัดส่วนของความเค้นตามยาวบนพื้นผิวที่เซ็นเซอร์ติดอยู่

อย่างไรก็ตามมีปัจจัยอื่น ๆ ที่อาจส่งผลต่อความต้านทานเช่นอุณหภูมิคุณสมบัติของวัสดุและกาวที่ยึดเกจกับวัสดุ

มาตรวัดความเครียดประกอบด้วยเส้นกริดขนานของลวดโลหะที่ละเอียดมากหรือฟอยล์ที่ยึดติดกับพื้นผิวที่ถูกทำให้ตึงด้วยชั้นอีพ็อกซี่ฉนวนบาง ๆ เมื่อวัสดุที่ถูกผูกมัดถูกทำให้ตึงความเครียดจะถูกส่งผ่านกาว รูปทรงกริดได้รับการออกแบบในรูปแบบที่ให้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานสูงสุดต่อพื้นที่หน่วย

วิธีการเลือก Strain Gauge

เมื่อเลือกเครื่องวัดความเครียดสำหรับการใช้งานข้อควรพิจารณาหลักสามประการ ได้แก่ อุณหภูมิในการทำงานลักษณะของความเครียดที่จะตรวจพบและข้อกำหนดด้านความเสถียร

เนื่องจากมาตรวัดความเครียดถูกติดตั้งกับพื้นผิวที่มีความตึงเครียดจึงเป็นสิ่งสำคัญที่มาตรวัดจะต้องตึงเท่า ๆ กันกับพื้นผิว ควรเลือกวัสดุกาวอย่างระมัดระวังเพื่อส่งความเครียดไปยังเซ็นเซอร์ได้อย่างน่าเชื่อถือในช่วงอุณหภูมิกว้างและสภาวะอื่น ๆ

ค่าความต้านทานของสเตรนเกจจะแตกต่างกันไปตามฟังก์ชันของความเครียดที่นำไปใช้ตาม: การเปลี่ยนแปลงของ R / R = S โดยที่ R คือความต้านทาน e คือความเครียดและ S คือปัจจัยความไวต่อความเครียด สำหรับมาตรวัดฟอยล์โลหะปัจจัยความไวต่อความเครียดอยู่ที่ประมาณ 2

การเพิ่มขึ้นของความเครียดมักจะน้อยกว่า 0.005 นิ้ว / นิ้วและมักแสดงเป็นหน่วยความเครียดขนาดเล็ก จากสูตรจะเห็นว่าความต้านทานของสเตรนเกจจะเปลี่ยนไปในปริมาณที่น้อยมากตามความเครียดที่กำหนดโดยเรียงตามลำดับ 0.1%

จากนั้นการอ่านแรงดันไฟฟ้าสามารถถอดออกจากตัวต้านทานนี้ในรูปของมิลลิโวลต์ต่อโวลต์ (mV / V) เพื่อให้ค่าการวัดสำหรับความเครียด

อัตราส่วนปัวซองเป็นหน่วยวัดการทำให้ผอมบางและการยืดตัวที่เกิดขึ้นในวัสดุเมื่อถูกทำให้ตึง ถ้าใช้แรงดึงกับลวดต้านทานลวดจะยาวขึ้นเล็กน้อยและในเวลาเดียวกันก็จะบางลง อัตราส่วนของทั้งสองสายพันธุ์นี้คืออัตราส่วนปัวซอง

นี่เป็นหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการวัดสเตรนเกจเนื่องจากความต้านทานของสายไฟจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเนื่องจากผลกระทบของปัวซอง

วิธีการวัด Strain Gauge Output อย่างถูกต้อง

ในการวัดความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยอย่างถูกต้องเครื่องวัดความเครียดมักจะพบได้ในโครงแบบสะพานที่มีแหล่งกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า

นิยมใช้สะพานวีทสโตนดังแสดงในแผนภาพ สะพานสมดุลเมื่ออัตราส่วนตัวต้านทานเท่ากันทั้งสองด้านหรือ R1 / R2 = R4 / R3 เห็นได้ชัดว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นศูนย์ภายใต้เงื่อนไขนี้

เมื่อความต้านทานของมาตรวัดความเครียด (Rg) เปลี่ยนไปแรงดันไฟฟ้าขาออก (Vout) จะเปลี่ยนไปโดยไม่กี่มิลลิโวลต์จากนั้นแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกขยายโดยแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อส่งคืนค่าที่อ่านได้

วงจรวีทสโตนนี้ยังเหมาะสำหรับการชดเชยอุณหภูมิซึ่งเกือบจะสามารถกำจัดผลกระทบของอุณหภูมิได้ บางครั้งวัสดุมาตรวัดได้รับการออกแบบมาเพื่อชดเชยการขยายตัวทางความร้อน แต่สิ่งนี้ไม่ได้ขจัดความไวต่อความร้อนโดยสิ้นเชิง

เพื่อให้ได้การชดเชยความร้อนที่ดีขึ้นตัวต้านทานเช่น R3 อาจถูกแทนที่ด้วยมาตรวัดความเครียดที่คล้ายกัน สิ่งนี้มีแนวโน้มที่จะทำให้ผลกระทบของอุณหภูมิเป็นโมฆะ

ในความเป็นจริงตัวต้านทานทั้งสี่สามารถถูกแทนที่ด้วยเซ็นเซอร์วัดความเครียดเพื่อความเสถียรของอุณหภูมิสูงสุด สามารถตั้งค่าสองตัว (R1 และ R3) เพื่อวัดกำลังอัดได้ในขณะที่อีกสองตัว (R2 และ R4) ถูกตั้งค่าเพื่อวัดความตึง

สิ่งนี้ไม่เพียง แต่จะชดเชยอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความไวด้วยปัจจัยสี่อีกด้วยมาตรวัดความเครียดที่มีองค์ประกอบความต้านทานไฟฟ้าเป็นเซ็นเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการวัดความเครียดเนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่ต่ำกว่าเช่นกัน เป็นที่ยอมรับ

มีจำหน่ายในขนาดเล็กและได้รับผลกระทบเพียงเล็กน้อยจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิพร้อมกันที่จะบรรลุข้อผิดพลาดน้อยกว่า +/- 0.10% มาตรวัดความต้านทานแบบผูกมัดยังมีความไวสูงและสามารถใช้ในการวัดความเครียดทั้งแบบคงที่และแบบไดนามิก

อย่างไรก็ตามมีประเภทอื่น ๆ สำหรับการใช้งานบางประเภทเช่นตัวต้านทานแบบเพียโซตัวต้านทานคาร์บอนกึ่งนำไฟฟ้าอะคูสติกออปติคัลและอุปนัย

แม้กระทั่งเซ็นเซอร์วัดความเครียดตามวงจรคาปาซิเตอร์ ..