Działanie czujników tensometrycznych

Odkształcenie to względna zmiana długości elementu lub konstrukcji pod wpływem obciążenia. Może to być wydłużenie (rozciąganie) lub skrócenie (ściskanie). Odkształcenie może być spowodowane przez siły lub momenty przyłożone do konstrukcji (odkształcenie mechaniczne), ale także przez rozszerzalność cieplną spowodowaną zmianą temperatury. W pośrednim pomiarze siły za pomocą czujników tensometrycznych określane jest odkształcenie mechaniczne.

Względna zmiana długości jest opisana jako naprężenie  w [m/m] i zdefiniowana jako stosunek bezwzględnej zmiany długości  l do długości całkowitej l0. Odkształcenie ma charakter bezwymiarowy. Symbolem odkształcenia używanym we wzorach jest ɛ. Ponieważ podczas monitorowania elementów konstrukcyjnych zwykle występują małe odkształcenia, jest ono podawane w [µm/m] (1 µm = 10-6 m). W obszarze europejskim odkształcenia wyrażane są przeważnie w [µm/m], w obszarze anglo-amerykańskim raczej w mikrostrenie lub mikroepsilonie [µɛ]. Jeżeli element ulega wydłużeniu, nazywa się to odkształceniem dodatnim. Gdy element jest ściskany, odkształcenie jest ujemne.

W większości przypadków odkształcenie jest mierzone w celu określenia stopnia naprężeń w materiale wywołanych obciążeniem mechanicznym. Mierząc odkształcenie, można jednak również wywnioskować, jaka siła je spowodowała. Pomiar odkształceń stanowi zatem dobrze przemyślany, alternatywny sposób określania dużych sił. W warunkach laboratoryjnych używa się często tensometrów przyklejanych do elementów konstrukcyjnych. W produkcji seryjnej łatwiej jest jednak stosować przykręcane czujniki tensometryczne, aby stworzyć niezmienne, wysokiej jakości warunki do pośredniego pomiaru siły.

Czujniki tensometryczne są właściwą alternatywą dla czujników siły przy dużych zakresach sił i sztywnych konstrukcjach. W przeciwieństwie do czujników siły, czujniki tensometryczne nie są montowane bezpośrednio w strumieniu siły, lecz przykręcane do powierzchni odpowiedniego elementu. Odkształcenia powstają na skutek obciążenia konstrukcji maszyny. Dysponując czujnikami odkształcenia, na podstawie zmierzonego odkształcenia powierzchni można łatwo wskazać działającą siłę. Pośredni pomiar siły za pomocą czujników tensometrycznych pozwala wykryć duże siły przy użyciu małego czujnika bez ponoszenia wielkich kosztów.

Oprócz zewnętrznych, przykręcanych czujników tensometrycznych istnieją również wersje, które mierzą odkształcenia w wierconym otworze. Właściwy wybór zależy od budowy systemu.

Każdy element obciążony siłą (F) ulega określonemu odkształceniu (). Odkształcenie to w liniowym zakresie sprężystości jest zawsze zależne od modułu sprężystości materiału (E), przekroju materiału (A) oraz siły. Za pomocą tych trzech parametrów odkształcenie można obliczyć w następujący sposób:

Czujniki tensometryczne mają różne zakresy pomiarowe, obejmujące spodziewane odkształcenia.

Moduł sprężystości aluminium wynosi ok. 70000 N/mm², moduł sprężystości twardej gumy wynosi 5 N/mm².

F= 400 mm² x 210000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20160 N

W przypadku czujników tensometrycznych przetwarzanie zmiennej siły mechanicznej na sygnał elektryczny odbywa się w czterech etapach. Punktem wyjścia jest element odkształcany pod działaniem siły. Odkształcenie to jest przenoszone na czujnik tensometryczny za pośrednictwem połączenia siłowego. Z kolei czujnik tensometryczny posiada korpus sprężyny ze stali poddanej obróbce cieplnej, na którym pod wpływem obciążeń zewnętrznych na powierzchni materiału powstają odkształcenia. To odkształcenie jest wymierzane za pomocą czujników tensometrycznych przyłożonych do powierzchni korpusu sprężyny. Tensometry przekształcają przy tym odkształcenie mechaniczne w zmianę rezystancji elektrycznej i działają jako konwerter mechaniczno-elektryczny. Ta zmiana rezystancji powoduje zmianę napięcia proporcjonalną do odkształcenia. Za pomocą inteligentnego połączenia poszczególnych tensometrów w mostek pomiarowy Wheatstonea można rejestrować nawet najmniejsze odkształcenia.

Tensometry metalowe do budowy przetworników są dostępne w różnych konstrukcjach. Oprócz typowych tensometrów liniowych, typowymi konstrukcjami są tensometry z rozetą T, tensometry z rozetą oraz tensometry na ścinanie:

ze wspólnego źródła napięcia.

Za pomocą obwodu mostka Wheatstonea można precyzyjnie rejestrować najmniejsze zmiany rezystancji. Zmiany poszczególnych rezystorów prowadzą do rozstrojenia mostka UA, które można łatwo zmierzyć. Sygnał pomiarowy mostka ma charakter ratiometryczny i jest proporcjonalny do napięcia zasilania. Typowy sygnał pomiarowy czujników tensometrycznych zawiera się w przedziale 0,4 ... 3,0 mV/V.

Z mechanicznego punktu widzenia czujniki tensometryczne Baumer są odporne na zmęczenie materiału przez co najmniej 10 milionów cykli w +/- całym zakresie odkształceń (np. +/- 500 µm/m). Dzięki temu procesy, którym towarzyszy duża liczba cykli i obciążeń, można monitorować zarówno w kierunku dodatnim, jak i ujemnym. 

Oferta produktów firmy Baumer w segmencie czujników tensometrycznych daje niemal nieograniczone możliwości zastosowań. Przewidziano czujniki tensometryczne dla ograniczonej przestrzeni, do normalnych zastosowań przemysłowych, a także do zastosowań w trudnych warunkach zewnętrznych.