Tensometr najczęściej stanowi główne źródło
sygnału w większości systemów pomiaru wielkości mechanicznych. Potocznie
jednak, terminem tensometr bywa określany kompletny tensometryczny przetwornik
wagi stanowiący od lat zasadniczą część wag
elektronicznych. Z etymologicznego punktu widzenia polska nazwa „tensometr”
jest zapożyczeniem z języka francuskiego, w którym używany jest termin „extensomètres à fils résistants” w języku angielskim powszechnie
stosuje się określenie „strain gauge”, a w języku niemieckim skrót „DMS”
który pozwala w słownictwie inżynierskim ominąć dość długą nazwę „Dehnungsmessstreifen”
Istotą znaczenia każdego z tych terminów jest zdolność reakcji na odkształcenie a tym samym możliwość pomiaru naprężenia występującego w materiale samego tensometru oraz, przede wszystkim, na powierzchni przedmiotu stanowiącego obiekt badań, na który nasz tensometr jest naklejony. W tym miejscu wypada zaznaczyć, że działanie tensometrów może bazować na wykorzystywaniu różnych zjawisk fizycznych. Z punktu widzenia tego kryterium można wyróżnić kilka grup tensometrów, jednak w naszej ocenie, dwie najistotniejsze to: tensometry elektrooporowe i tensometry optyczne.
W tym miejscu pragniemy się skoncentrować na tensometrach elektrooporowych. Zasada ich działania wynika z zależności obowiązującej wszystkie przewodniki prądu elektrycznego a głoszącej, że opór elektryczny jest wprost proporcjonalny do długości a odwrotnie proporcjonalny do przekroju poprzecznego danego przewodnika. Aby ułatwić dalsze rozważania warto oznaczyć najistotniejsze parametry występujące w procesie pomiaru w technologii tensometrii elektrooporowej. Proponujemy wprowadzić następujące określenia:
(pamiętajmy, że zmiana długości materiału skutkuje również zmianą powierzchni przekroju poprzecznego zgodnie z zasadą stałej objętości), którą określa współczynnik Poissona ν dla uproszczenia jednak proponujemy odnosić oczekiwane wyniki pomiarów tensometrycznych do wartości podstawowego parametru jakim jest wydłużenie względne)
Jak łatwo zauważyć względna zmiana rezystancji
tensometru jest wprost proporcjonalna do wydłużenia względnego. Wartość
współczynnika proporcjonalności „k” wynika z własności materiału, z którego
zbudowany jest tensometr. W wyniku wielu prób przyjęto iż najkorzystniejszym
materiałem do produkcji tensometrów jest konstantan czyli brąz niklowy (stop
miedzi 60% i niklu 40%), dla którego współczynnik „k” osiąga stosunkowo wysoką
wartość równą ~2 co pozwala uzyskać możliwie największy sygnał pomiarowy. Doskonaląc
wyniki pierwszych prac związanych z opracowaniem konstrukcji i zastosowaniem
tensometrów do pomiaru odkształceń (E.E.Simons i niezależnie A.C.Ruge rok 1937)
uzyskano formę stosunkowo łatwych w aplikacji foliowych tensometrów oporowych.
Ich konstrukcja polega na połączeniu warstwy konstantanu o kształcie
naniesionym metodą fotograficzną na folie metalową i wytrawioną oraz materiału
nośnika którym zazwyczaj jest warstwa żywicy zapewniającej możliwie dobre
połączenie w procesie naklejania tensometru na powierzchnie materiału który
jest obiektem pomiaru odkształceń.
Należy jednak pamiętać, że wartość zmiany oporności tensometru nawet przy znacznych odkształceniach jest bardzo mała.
W praktyce pomiarów tensometrycznych wykorzystuje się wzmacniacze pomiarowe, które wykorzystują opracowany w roku 1843 obwód mostka Wheatston’a.
Gdzie:
UB - napięcie zasilania (zwykle 1 ÷ 8 V)
UA-
sygnał pomiarowy (zwykle 0 ÷ 2 mV/V)
R1 - R4 - kolejne tensometry
W przypadku
gdy wszystkie cztery tensometry posiadają identyczną rezystancję a żaden z
tensometrów nie podlega odkształceniu mostek jest zrównoważony i sygnał
wyjściowy wynosi 0 mV. Gdy jednak odkształcimy co najmniej jeden tensometr,
równowaga napięć na mostku zostanie zakłócona i otrzymamy wyraźny sygnał
wyjściowy o maksymalnej wartości (w typowych zastosowaniach) do 2 mV na każdy wolt
zasilania.
Tensometry
elektrooporowe znajdują zastosowanie między innymi przy pomiarze naprężeń
występujących w materiałach różnych konstrukcji (na przykład mostów, torowisk).
Wtedy są bezpośrednio naklejone na materiał danego obiektu, lub przy produkcji
przetworników siły, przetworników wagi czy przetworników momentu obrotowego. W takim przypadku tensometry są
naklejane na elementy korpusu danego przetwornika a kompletny przetwornik
podlega kalibracji i zapewnia możliwość pomiaru odpowiedniej wielkości z bardzo
dużą dokładnością. W obecnych warunkach możemy, przy zastosowaniu najlepszych przetworników
wagi oraz najwyższej klasy wzmacniaczy pomiarowych osiągnąć dokładność do 0,000
5% .
Przykłady przetworników wagi, siły i momentu obrotowego.
Szczegóły konkretnych tensometrów, oporności, dokładności.
Zastosowanie tensometrów w technikach
Tradycyjne foliowe tensometry prawidłowo funkcjonują w zakresie temperatur -50 do +80 stopni Celsjusza. Tensometry o podwyższonej wytrzymałości można śmiało stosować od - 80m do +300 stopni Celsjusza.
Kleje jednoskładnikowe, dwuskładnikowe do stosowania w temperaturze pokojowej (na zimno) oraz do zastosowań bardzo wymagających kleje dwuskładnikowe wiążące w wyższych temperaturach.
Przy analizie naprężeń najczęściej stosujemy 120 Ohm, do konstrukcji przetworników 350 Ohm lub wyżej.
Najczęściej stosujemy powłoki sylikonowe, masy uszczelniające, lub aplikujemy tensometry zakapslowane.
Przy najbardziej korzystnych warunkach zapewniających możliwie mały spadek napięcia zasilana odległość nie może przekraczać 500 m.