Mounting of strain sensors

Strain sensors are a clever alternative to force sensors for large forces above 10,000 N and are used in a variety of applications. A few examples are presented below. Additional application examples can be found on the product website of the strain sensors.

Strain measurement in industrial applications:

Strain measurement in rough outdoor applications:

To find the right strain sensor for your application, you must consider a number of criteria. The selection of a strain sensor starts with the application environment. There are strain sensors for rough outdoor applications or indoor industrial applications. The design characteristics of the structure to be monitored then determine whether a screw-on strain sensor can be used or if it is better to measure the strain via a drill hole, for example. Similarly, the available space must be considered; Baumer also offers solutions for confined space conditions.
The measurement range of the strain sensor should be selected according to the expected strain at the intended position. If the expected strain is not specified yet, it is better to choose a strain sensor with a larger measurement range for an initial trial. 
As most strain sensors already have integrated amplifier electronics, standard signals such as +/- 10 V, 4..20 mA, CANopen can generally be selected. For passive sensors without amplifier electronics, there are separate amplifiers available or unamplified output signals in mV/V. 
Strain sensors are fatigue-endurable and are excellently suited for cyclical applications. Short cycle times in the millisecond range are easy to monitor. Strain sensors with suitable measurement mechanisms can also be used well for static applications. It should be noted that strains that are not caused by the stress but by external factors such as temperature changes may distort the output signal. However, there are clever measures that can compensate for these effects. 

Screw-on strain sensors are easy to install and can detect very small strains in the micrometer range on a structure that are caused by the application of force. To find the optimum place for positioning a strain sensor and obtain the best possible results, some points need to be observed.

The strain sensor should be placed in positions where measurable strains in the required direction due to the application of force can be expected on the structure. These are mostly strains or mechanical tensions that are generated by bending as well as pull/compressive stress. The finite element method can be used to determine the expected surface strain and direction for multi-axial strain situations and thus the required measurement range for the intended position. If this option is not possible, the easiest approach is to carry out a trial with a strain sensor that has a larger measurement range, e.g., 750 or 1000 µm/m, and thereby determine the actually occurring strain at the selected point. A comparison to a known force results in a simple correlation to the respective strain on the structure to be monitored. Of course, factors such as the involved construction design, accessibility, or protection of the strain sensor also play an important role in the positioning of strain sensors. 

What strains are favorable for positioning?

Strain through bending:

When strain sensors are positioned, surface strains that are caused by bending are easy to determine and thus favorable. The diagrams below present some examples of the points at which the largest measurable strains can be expected for bending.
 

Strain from pull or compressive stress:

Usually a monitored machine exhibits combined strains from bending, pull/compressive stress, torsion, etc. These can be easily determined by a finite element calculation. In practical application, however, it also becomes apparent that a simple mechanical consideration is sufficient to identify suitable points on the structure where strains occur and are measurable. The precise strains can be determined by comparison with known stresses for the measured strains. Of course, it is also possible to first glue strain gauges on positions of interest to facilitate suitable positioning of the strain sensor.

Nella maggior parte dei casi su una macchina da monitorare si verificano deformazioni prodotte dalla combinazione di flessione, sollecitazione per trazione e compressione, torsione ecc. Il calcolo Finite Element consente di determinarle facilmente. La pratica dimostra anche che è sufficiente una semplice osservazione meccanica per definire i punti esatti della struttura dove si verificano e sono misurabili le deformazioni. Un confronto tra le sollecitazioni note e le deformazioni misurate consente di determinare le deformazioni esatte. Naturalmente sui punti interessati è innanzitutto possibile incollare anche gli estensimetri per semplificare il corretto posizionamento del sensore.

La maggior parte degli estensimetri di Baumer ha una meccanica con ridotta rigidità. Ovvero la forza necessaria per tirare o comprimere il sensore alla sua deformazione nominale è piccola. A tal proposito, l’estensimetro ha un’influenza ridotta sulla superficie da monitorare. Inoltre, le viti di montaggio vengono caricate solo in misura ridotta incrementando così la qualità del segnale stabile senza possibili movimenti al di sotto delle viti. Ciò può risultare importante se non è possibile tarare l’estensimetro ciclicamente.
Quindi gli estensimetri Baumer sono idonei sia per le applicazioni statiche sia per quelle cicliche.

Per ottenere buoni risultati di misurazione, gli estensimetri vengono avvitati al componente con le viti di fissaggio fornite in dotazione. L’estensimetro rileva le deformazioni nell’intervallo dei micrometri tramite un collegamento per attrito. A tal proposito è possibile prevedere fori ciechi o passanti. Vedi anche paragrafo Opzioni di fissaggio. L’avvitamento di un estensimetro stabile a lungo termine a qualità costante consente di rinunciare al faticoso montaggio di estensimetri incollati.

Cosa occorre osservare durante il montaggio di estensimetri?

Affinché gli estensimetri possano misurare le deformazioni superficiali in modo pulito e restituire buoni risultati di misurazione, occorre osservare diverse condizioni generali durante il montaggio, riportate anche nelle istruzioni per l’uso di ciascun estensimetro. La superficie di montaggio riveste quindi un ruolo importante. La deformazione della struttura di base viene trasmessa all’estensimetro tramite collegamento per attrito.

Quali opzioni di fissaggio sono disponibili?

Opzione 1: 
Gli estensimetri possono essere fissati ai fori ciechi della struttura da monitorare con le apposite viti. 

Opzione 2: 
Gli estensimetri possono essere fissati a strutture più sottili con fori passanti e un dado.
 

Come bisogna predisporre la superficie di montaggio?

Importante:
Il sensore fornisce risultati di misurazione non accurati in caso di superficie di misurazione imbrattata o montaggio errato:

• Evitare imbrattamenti da olio o grasso
• Montare il sensore su una superficie piana e lavorata
• Osservare la rugosità superficiale

Le viti di montaggio, le distanze dei fori e i diametri sono riportati nelle istruzioni per l’uso corrispondenti.


Opzione: 

Qualora risulti difficile predisporre le superfici di montaggio in una qualità sufficiente, è possibile utilizzare in ogni caso rondelle sferiche per compensare determinate aplanarità o scostamenti dell’angolare forato. 

Sul mercato sono disponibili anche rondelle diamantate (friction shim) che compensano le lievi aplanarità e aumentano l’attrito.

Gli estensimetri sono sensori di misura di precisione con una meccanica misurata in fabbrica. Il sensore può essere danneggiato in caso di caduta privo di imballaggio.
Osservare le avvertenze sullo stoccaggio e sul trasposto riportate nelle istruzioni per l’uso.

La coppia di serraggio corrispondente è riportata nelle apposite istruzioni per l’uso.

Gli estensimetri devono misurare la deformazione dovuta all’influsso della forza meccanica e non devono essere influenzata dalla dilatazione termica. In caso di esposizione termica, un corpo si dilata in tutte le direzioni. La configurazione idonea degli estensimetri nel sensore consente di compensare le dilatazioni termiche uniformi. Gli estensimetri sono compensati sulla dilatazione termica dell’acciaio. Occorre verificare che la distribuzione della temperatura sia il più uniforme possibile sul punto selezionato. In questo modo le influenze termiche vengono compensate in modo pulito.

Dilatazione termica:

Esempi di coefficienti di dilatazione termica α: 

Acciaio al nichel-cromo CrNi 80 20         α = 15,5 x 10^-6 [K^-1]
Acciaio al cromo 13 Cr                          α = 11 x 10^-6 [K^-1]
Alluminio puro                              α = 23,8 x 10^-6 [K^-1]

Esempi:
1.    Dilatazione di una barra in acciaio al nichel-cromo CrNi 80 20, da 20°C a 70°C con una lunghezza lo di 1 m.
∆l   = lo x α x ∆T  = 1000 mm x 15,5 x 10^-6 [K^-1] x 50 K = 0,775 mm
Ciò corrisponde a 775 µm/m

2.    Dilatazione di una barra in alluminio, da 20°C a 70°C con una lunghezza lo di 1 m. 
∆l   = lo x α x ∆T  = 1000 mm x 23,8 x 10^-6 [K^-1] x 50 K = 1,19 mm
Ciò corrisponde a 1190 µm/m

Se un estensimetro compensato per acciaio deve monitorare una struttura in alluminio, occorre compensare la dilatazione termica affinché si verifichi solo la deformazione da influssi meccanici. Se è possibile procedere alla taratura naturalmente dopo ogni ciclo di sollecitazione meccanica, gli influssi delle dilatazioni termiche possono essere trascurati.

Ulteriori opzioni per la compensazione termica: 

• Posizionamento a 90° degli estensimetri per compensare gli effetti termici o tramite misura della temperatura sul componente.

Una forza risultante a una determinata deformazione può essere rilevata matematicamente o semplicemente con il confronto diretto con una determinata forza. Quindi, l’estensimetro viene avvitato alla struttura scarica e successivamente tarato. Successivamente alla struttura viene applicato un carico noto o una forza definita. In questo modo si crea la connessione tra la deformazione e la forza risultante. Tale taratura deve essere eseguita una sola volta per ogni impianto. Gli estensimetri Baumer sono compensati sulla deformazione già nella produzione ed emettono quindi gli stessi valori misurati anche in caso di sostituzione.

Fissare l’estensimetro e farlo riscaldare con alimentazione di corrente inserita secondo le istruzioni per l’uso (le misurazioni non avvitate su un tavolo non restituiscono risultati stabili). Il primo assestamento può essere minimizzato sollecitando, se possibile, 10 volte la struttura da monitorare a pieno carico. Con struttura scaricata, occorre tarare il sensore sull’amplificatore. In questo modo è possibile compensare le variazioni di segnale dovute al montaggio.

Taratura dopo avvitamento:
Gli estensimetri devono essere tarati sull’amplificatore dopo il montaggio. In questo modo è possibile compensare le variazioni di segnale dovute al montaggio. 
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Taratura durante l’esercizio:
Nei processi ciclici si raccomanda di tarare l’estensimetro dopo ogni ciclo con la macchina non caricata. In questo modo vengono compensate le influenze termiche o gli eventuali movimenti lievi sotto le viti di montaggio. Gli estensimetri Baumer sono principalmente dotati di meccaniche di misurazione morbide che consentono misurazioni statiche stabili anche senza taratura ciclica. 

Estensimetri con elettronica di amplificazione integrata:

Estensimetri con elettronica di amplificazione separata:

Estensimetri passivi collegati direttamente a un sistema di controllo con amplificatore integrato:

Importante: i cavi di collegamento devono presentare almeno la classe di protezione IP dell’estensimetro. Ad esempio IP69K per DST55R con classe di protezione IP69K