Strain gauge
Strain gauge.
Indledning.
Strain gauge eller strækmålemodstand anvendes til ikke destruktive målinger, som fx flyvemaskinestrukturer, turbiner, aksler, bygningsdele osv.
Inden for procesindustrien har den fundet anvendelse i transducere til fx trykmålinger, momentmålinger og lignende.
Den kan praktisk taget anvendes på alle strukturer, hvor man ønsker at måle tryk, træk, vridning eller bøjning.
Det fysiske fænomen, som strækmålemodstanden bygger på, er, at modstanden i en elektrisk leder er afhængig af den mekaniske belastning, den udsættes for.
Et praktisk eksempel er beskrevet på [1].
Anvendelse.
Strain gauge elementer skal limes på noget for at kunne måle på det. Herunder ses hvordan det limes på et stykke metal, hvor de orange ledninger er forbindelsen over til måleelektronikken.
Når man anvender strain gauge i praksis, så vil man normalt have to limet på samme måleobjekt - det kan ikke ses tydeligt her, da den anden strain gauge sidder på undersiden af metal-stykket, men der sidder en på tilsvarende måde.
Fordelen ved at placere dem på denne måde er, at de vil udvide sig lige meget, hvis temperaturen udvider metallet, og som de sidder i wheatstones målebro, så vil de udkompensere hinanden.
Opbygning.
Selve opbygningen af en typisk strain gauge er vist på billedet. Selve modstandstråden, som er den væsentligste del af føleren, er limet til en bærefilm, der normalt er udført i fenolpapir, almindeligt papir, araldit eller et andet materiale, som har passende mekaniske egenskaber.
Elektroderne, der forbinder tråden til ydre elektriske forbindelser, er delvis også limet til bærefilmen. Tråden er afdækket med en overfilm, der beskytter mod direkte overlast og beskadigelse af tråden.
Selve bærefilmen limes til det objekt, hvis deformationstilstand der ønskes målt. Objektets udvidelse og sammentrækning overføres via bærefilmen til tråden.
Dette resulterer i, at trådens modstand ændres proportionalt med materialets bevægelse inden for visse grænser.
|
| Opbygningen af en Strain-gauge set ned på den flade side, hvor man kan se trådens forløb og tilslutningerne |
|
| Opbygningen af en Strain-gauge set i snit fra siden, hvor man kan se hvordan den er limet på et materiale (måleobjekt) |
Strain gaugetyper.
De første strain gaugetyper var opbygget som en sammenhængende tråd viklet i et gitter på et plan.
|
| Strain-gauge opbygget med en metaltråd |
Denne type strain gauge har ret store dimensioner og anvendes i dag hovedsagelig på steder, hvor dette ingen rolle spiller, fx ved måling i betonkonstruktioner.
Denne type kan fremstilles til meget stor stabilitet og er derfor velegnet til statiske målinger.
Senere blev de såkaldte foliegivere udviklet, som vist.
|
| Strain-gauge opbygget med en metalfolie i en isolerende bærefilm |
Her anvendes en tynd metalfolie med en tykkelse på 4 til 10 µm limet på bærefilmen, og ved en ætseproces dannes det ønskede ledningsmønster ud af metalfilmen. Denne type har flere fordele. For det første er det muligt at fremstille enhver ønsket form af ledningsmønstre ved ætsning.
Dette anvendes fx til at fremstille forskellige såkaldte rosetter, der består al flere strain gauges, der danner en given vinkel i forhold til hinanden, hvorved det er muligt direkte at måle mere sammensatte deformationstilstande i et materiale.
Endvidere er foliefølerne mere mekanisk stabile. De kan tåle dynamiske belastninger al væsentlig længere varighed end trådfølerne, hvortil kommer, at de er lettere og derfor også billigere.
Halvleder strain gange er en ret ny type føler, hvor der i stedet for en metalmodstand anvendes en ganske tynd siliciumstang, som vist.
|
| Strain-gauge opbygget med en silicium stang |
Denne type har den fordel, at den er væsentlig mere følsom end de typer, der bygger på modstand i metal. Til gengæld er deres temperaturstabilitet og deres mekaniske robusthed relativ ringe.
Ud over ovennævnte typer skal nævnes en speciel form af trådfølere, hvor tråden i stedet for at ligge i et lag er omviklet en flad form, hvorved tråden ligger i to lag. Herved kan modstanden og dermed følsomheden øges for den samme størrelse af giveren.
Der er også udviklet specielle typer af strain gauges beregnet for brug ved høje temperaturer. De normale typer kan i reglen kun anvendes op til Ca. 200°C, hvor lim og filmmateriale begynder at degenerere.
Højtemperaturfølerne, der bygger på forskellige typer af keramisk grundmateriale, kan anvendes op til Ca. 600°C.
Anvendelse ved disse høje temperaturer indebærer dog betydelige praktiske vanskeligheder.
Gauge-faktor K.
Gauge-faktoren K angiver den proportionalitetskonstant (følsomhed), der er mellem den relative modstandsændring og "strækningen" ved en konstant temperatur.
For normale strain gauges af metalfolie, så er K meget tæt på 2.
Datablad.
Med leveringen af et sæt strain gauges følger specifikationer over følermodstand, K-værdi og en angivelse af temperaturkoefficienten enten som en gennemsnitsværdi i et vist temperaturområde, fx fra 20 til 70°C eller som en kompensationskurve, således som vist på nedenstående figur.
|
| Datablad med egenskaberne for en straingauge |
|
| En del af databladet, der viser temperatur kompensations karakteristik |
Måling med strain gauges.
Nedenstående tabel viser forskellige kombinationer til målinger med strain gauge og Wheatstones målebro.
Teori om Strain Gauges
Selve forståelsen af hvad der sker i en Strain Gauge er ganske godt gennemgået her[1]
Referencer
- ↑ PDF med slideshow der gennemgår teorien