Jste zde

Odporové tenzometry - princip, provedení, použití, historie

Pro univerzální i přesná měření deformací, sil, tlaků i momentů působící na pevná tělesa se využívají tenzometry. Mezi ty klasické patří kovové odporové tenzometry. Princip jejich funkce, použití i ukázky ze sortimentu několika výrobců jsou uvedeny v následujícím článku....

První tenzometr (anglicky Strain gage), dá se říct převodník deformace (prodloužení, prohnutí) na změnu odporu, byl poprvé prakticky sestrojen v roce 1938 a od té doby se používá v mnoha oblastech průmyslu. Například je využívají stavbaři, architekti, projektanti, automobilový a strojírenský průmysl a také je najdete měření tlaků a sil v pneumatických zařízeních apod. Na první pohled neviditelné se pak objevují v oblasti topení, vzduchotechniky, kde jsou schovány miniaturní integrované křemíkové tenzometry v senzorech a snímačích tlaku a síly. Prostě všude tam, kde je nutné přímo elektricky měřit nebo monitorovat deformaci nějakého objektu pevného skupenství. Samostatnou kapitolou jsou pak tenzometrické váhové snímače (strain gauge cells), které najdete ve většině běžných vážících zařízeních.

První tenzometry byly samozřejmě kovové drátkové. V roce 1952 pak vznikl tzv. tenzometr fóliový. Ten se ve velkém množství využívá i dnes, když mu konkurují polovodičové (křemíkový) tenzometry. Ty se sice vyznačují až 60x větší citlivostí, tj. změna odporu na změně délky, ale naopak linearitou a přesností je trumfují právě fóliové. To znamená, všude kde je nutné měřit se zvýšenou přesností, se využívají fóliové tenzometry.

Použití tenzometrů

  • Průmyslové tenzometrické snímače zatížení.
  • Vážní systémy v potravinářském, chemickém, gumárenském, těžebním průmyslu a v uhelných elektrárnách.
  • Měření deformací objektů.
  • Měření síly, tlaku, kroutícího momentu, momentu síly, mechanického napětí spojů (např. svařovaných nebo lepených).
  • Měření zatížení nosníků, mostů, domů apod.
  • Nedílná součást některých integrovaných senzorů tlaku, síly, váhy.
  • Měření vibrací a deformace křídel a trupu letadel, automobilů, lopatek turbín apod.
  • Měření a detekce pnutí vlivem teploty, externího zatížení apod.
  • Měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí.
  • Kontrola pevnostních výpočtů a obraz skutečného mechanického namáhání.
  • Váhy pro měření v aerodynamickém tunelu.
  • Statické zkoušky draků dopravních letadel.

 

Příklady přímého použití kovových odporových tenzometrů.

Příklady zapouzdřených kompletních tenzometrických snímačů zatížení  pro váhy a vážní systémy, kde jsou samotné tenzometry skrytu uvnitř po pouzdrem - zde výrobky společnosti Vishay Precision Group.

Co je to obecně tenzometr a jak pracuje ?

Jak již bylo zmíněno v úvodu, v případě odporových tenzometrů se využívá změny odporu mechanicky namáhaného vodiče délky l0, průřezu S a rezistivitou ρ. Tento jev objevil již v roce 1843 pan Wheatstone. Změny odporu jsou zde nejčastěji dány změnou parametru délky vodiče o Δl. Tenzometr je proto nejcitlivější na deformaci (natažení, prohnutí apod.) právě ve směru delší strany.

Příklad funkce tenzometru při deformaci ε protažením o Δl působením síly F => změna odporu o ΔR.

Obvykle nás však zajímá relativní změna odporu ΔR/R, kde R je nominální odpor tenzometru v základním nenamáhaném stavu (F= 0 N). Častěji se však udává koeficient K, tj. součinitel deformační citlivosti, pro který platí vztah ΔR/R=K * ε. Veličina ε představuje relativní deformaci tenzometru ve směru délky tenzometru. Pro kovové tenzometry je typická hodnota K = 2, i když jsou zde odchylky dle materiálu (viz. tabulka 1.):

Název materiálu

Přibližné složení

Průměrná hodnota K

konstantan

57 % Cu, 43 % Ni

2.05

karma

73 % Ni, 20 % Cr (příp. Fe+Al)

2.1

nichrome V

80 % Ni, 20 % Cr

2.2

platina-wolfram

92 % Pt, 8 % W

4.0

Tab. 1. Parametry slitin používaných pro kovové tenzometry.

Dále pak zajímavé jsou parazitní parametry jako například parazitní teplotní závislosti odporu tenzometru (αR) a konstanty K (αK) nebo rozdílná teplotní roztažnost objektu a tělíska senzoru. Ta poslední vlastnost se řeší rozdílným upravením tenzometru pro různé materiály, na které má být připevněn (např. ocel, hliník, krystal, plastické hmoty apod.). V porovnání parametrů s křemíkovými (monolitickými) tenzometry (viz. tabulka 2.) jsou mimo parametr K, kovové senzory lepší. Navíc hlavní výhodou je lineární závislost změny odporu, zatímco u křemíkových je převodní charakteristika výrazně nelineární.

Vlastnost

tenzometr Si, typ P

tenzometr drátek nebo fólie Karma

součinitel K

125

2

αR [1/K]

12 . 10-6

0,2 . 10-6

αK [1/K]

16 . 10-6

5 .10-6

převodní charakteristika

nelineární

lineární

Tab. 2. Porovnání vlastností polovodičových a kovových odporových tenzometrů.

Pro omezení vlivu všech rušení se nevyužívá kompenzačního tenzometru, čtyřvodičového zapojení senzoru nebo častěji zapojení tenzometrů do můstku (Wheatstonova můstku) podobně jako u kovových teplotních odporových senzorů typu Pt100. Zde však jsou na můstek kladeny velké nároky, protože rozlišovací schopnost mechanického napětí tenzometrů odpovídá hodnotám deformace 1μstrain (ε = 10-6). Při konstantě K = 2, napájení můstku jednotkami V a odporech tenzometrů 100 Ω, jsou změny napětí v řádu μV a odporu v řádu μΩ. Proto se nejčastěji využívá tzv. plného můstku složeného ze čtyř aktivních senzorů. To poskytuje výhody anulujícího činitele nelinearity, čtyřnásobné citlivosti, nulové chyby vlivem teploty i zanedbatelné chyby přívodů. Další možností je pak použití k tomu určených integrovaných obvodů.

  

Základní měřené odporu odporového tenzometru napájení zdrojem proudu (obr. vlevo) a nejčastější měření tenzometry použitím plného Wheatstonova můstku se čtyřmi tenzometry s pomocnými odpory RS1 a RS2 (obr. vpravo).

Provedení kovových tenzometrů

Obecně lze kovové odporové tenzometry rozdělit na:

  • drátové -  v provedení volném či lepeném k izolační ohebné podložce,
  • vrstvové -  vakuově nanesené nebo naprašované na izolační ohebné podložce,
  • fóliové - odporová kovová fólie na izolační ohební podložce.

Z výše uvedených se dnes nejčastěji používají právě fóliové. Ty jsou také ve většině případů i ukryty uvnitř zapouzdřených tenzometrických průmyslových snímačů, kde nejsoz tak reálně vůbec vidět a prakticky z nich vedou ve jen připojovací vodiče:

 

Kompaktní průmyslové zapouzdřené tenzometrické snímače (někdy též nazývány "tenzometry"), kde jsou odporový můstek složený ze 4 fóliových tenzomerů schován před znečištěních a vlhkostí okolí.

Fóliové tenzometry jsou vyráběny v nejrůznějších tvarech a skupinách pro měření různě tvarovaných objektů a působení sil z různých směrů. Na nosné izolační vrstvě (nosič) obdélníkového tvaru tloušťky cca 20 až 50 μm, která je z polyamidu nebo sklem vyztuženém fenolovém filmu, je upevněn měřící odporový meandr (měřící mřížka) o tloušťce 3 až 6 μm, určité délky, šířky a klidového odporu R (obvykle 100, 120, 350, 700 nebo 1000Ω). Meandr je obvykle vyráběn fotolitografickou technikou z kovových fólií materiálů konstantan, karma (slitina chromu a niklu). Na povrchu je pak senzor pokryt krycí vrstvou tloušťky okolo 30 μm a vyvedeny jsou buď pájitelné plošky nebo již přímo vodiče. Takové provedení tenzometru velmi dobře kopíruje měřenou deformaci a lze i zatěžovat i značnými proudy s hustotou až 100 A/mm2. Životnost bývá obvykle přes 10 miliónů cyklů deformace, která se pohybuje do 0,5% rozměrů tenzometru.

Základní provedení jednoho fóliového tenzometru (obr. vlevo) a již společně propojené čtveřice tenzometrů do můstku (obr. vpravo).

Při měření působících sil je nutné vždy správně natočit tenzometr do daného směru působení. Pokud je nutné najednou měřit působící sílu či deformace ve více směrech, využívá se dnes tenzometrů obsahujících již více meandrů natočených do různých směrů.

Rozdělení fóliových tenzometrů pro různé druhy měření.

Základní je jednoduchý tenzometr umožňující měřit pouze v jednom směru (např. v ose x), zatímco tenzometrický kříž již umožňuje měřit směry x i y. Pro měření v různých úhlech (např. 45°) pak slouží tenzometrická růžice nebo někdy seskupení například tří klasických tenzometrů na jedné podložce vzájemně pootočených o 45°.

Příklady provedení tenzometrů společností HBM a Omega.

Shrnutí vlastností fóliových tenzometrů

  • Lineární závislost deformace na změnu odporu.
  • Dobré kopírování měřené deformace (ohebnost)
  • Dobrá připevnitelnost na měřený objekt
  • Mechanická odolnost
  • Malý vliv změn teplot
  • Životnost až 10 miliónů cyklů při deformacích až 3 mm/m
  • Měření deformací až do jednotek mm/m (např. 50 000 μm/m)
  • Velký výběr velikosti i tvarů (viz. obrázky 5., 6. a 7.)
  • Citlivost K = 2
  • Nominální odpor tenzometru obvykle 120, 350, 700 nebo 1000Ω
  • Celková chyba vztažená ke jmenovité hodnotě zatížení menší než 10–2 %.
  • Napájení až desítkami voltů (např. 23 V)
  • Zatížitelnost proudovou hustotou až 100 A / mm2
  • Pracovní teplotní rozsah -200°C až 250°C
  • Tloušťka fóliového meandru 3 až 6 μm
  • Tloušťka celého senzoru v řádu do 100 μm
  • Rozměry tenzometrů jednotky až stovky mm

Praktický příklad tenzometrů z nabídky firmy Omega.

Principy umístění senzorů pro různé deformace

Aby se mohly tenzometry využít, musí se nejdříve připevnit. K tomu se používají speciální tmely a lepidla, které nezvětšují chybu měření svou teplotní roztažností. Ty lepidla obvykle dodává každý výrobce a prodejce tenzometrů Pro měření různých sil a deformací se používá určitého vhodného zapojení termistorů umožňující s co největší citlivostí a přesností. Na níže uvedených obrázcích je naznačeno měření čtyřmi tenzometry 1 až 4, obvykle zapojených do můstku, upevněných na namáhaném nosníku, který je ohýbán silou Fv. Podle toho, v jaké směru jsou tenzomery upevněny, měří různé působící síly:

Různé pozice připevnení tenzometrů 1- 4 měří různé deformace nosníku: měření axiální deformace (obr. vlevo nahoře), měření ohybu na nosníku (obr. vpravo nahoře), měření torzní deformace použitím dvou "dvojitých" křížových tenzometrů pootočených o 45° (obr. uprostřed dole).

Závěr

Tenzometry se ve velkém množství používají všude tam, kde se cokoliv pevného deformuje. Například při projektech a testování maket i hotových letadel se využívá desetitisíců tenzometrů, které sledují veškeré namáhané části. Obecně jsou však nejznámější v podobě zapouzdřených snímačů pro konstrukci vah a měření zatížení, které se někdy též nazývají zkráceně tenzometry.

Několik takových vyřazených jsem i "rozpitval" a v některém dalším článku pak navážeme konkrétním pohledem do jejich útrob.

Odkazy:

  • Domovská stránka české firmy M.E.N. expert s.r.o. - dodavatel tenzometricků i kompletních snímačů pro vážení: http://www.menexpert.cz
  • Domovská stránka společnosti HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH) - výrobce tenzometrických snímačů: www.hbm.com (distributor v ČR: www.hbm.cz).
  • Domovská stránka společnosti Omega - výrobce tenzometrů: www.omega.com (distributor v ČR: http://www.omegaeng.cz).
  • Další výrobci fóliových tenzometrů:
  • Stanislav Ďaďo, Marcel Kreidl: " Senzory a měřící obvody", Vydavatelství ČVUT Praha, 1999, ISBN 80-01-02057-6

  • Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz
Hodnocení článku: 



Informace obsažené v článcích jsou platné k datu vydání uvedeném v hlavičce článku a jejich platnost může být časově závislá

Komentáře a diskuse vyjadřují názory autorů, nikoliv redakce, která za jejich obsah nenese zodpovědnost.