Principiile de măsurare a deformației

Puteți măsura deformația cu o marcă tensometrică, care este un dispozitiv cu rezistență electrică care variază proporțional cu cantitatea deformației din dispozitiv și cu condiționarea semnalului. Atunci când utilizați o marcă tensometrică, lipiți marca tensometrică pe dispozitivul testat, aplicați forța și măsurați deformația prin detectarea variațiilor rezistenței (Ω). Mărcile tensometrice generează variații ale tensiunilor ca răspuns la stres sau vibrații din materiale. Rezistența variază în marca tensometrică pentru a indica deformația materialului. Mărcile tensometrice necesită excitație, în general excitația de tensiune și liniarizarea măsurătorilor de tensiune.

Măsurătorile de deformații implică rareori cantități mai mari decât câteva microdeformații (µε). Prin urmare, deformația măsurată necesită măsurători cu acuratețe ale variațiilor foarte mici ale rezistenței. De exemplu, dacă o epruvetă de testare suferă o deformație substanțială de 500 με, o marcă tensometrică cu un gage factor de 2 prezintă o variație a rezistenței electrice de numai 2 × (500 × 10^-6) = 0,1%. Pentru 120 Ω, aceasta este o schimbare de numai 0,12 Ω.

Puntea Wheatstone

Pentru a măsura astfel de mici variații ale rezistenței și pentru a compensa sensibilitatea la temperatură, mărcile tensometrice utilizează adesea o configurație de punte Wheatstone cu o sursă de excitație de tensiune sau curent. In general, puntea Wheatstone, prezentată mai jos, este o rețea de patru brațe rezistive cu o tensiune de excitație, VEX, care este aplicată pe punte. Unul sau mai multe dintre aceste brațe pot fi elemente sensibile active.

Figura 1. Puntea Wheatstone

Puntea Wheatstone este echivalentul a două circuite paralele divizoare de tensiune. R1 și R2 compun un circuit divizor de tensiune, și R3 și R4 compun al doilea circuit divizor de tensiune. Măsurați ieșirea unei punți Wheatstone între nodurile medii ale celor două divizoare de tensiune.

Un fenomen fizic, cum ar fi o schimbare de temperatură sau o variație a deformației aplicate pe o epruvetă, schimbă rezistența elementelor sensibile din puntea Wheatstone. Puteți utiliza configurația de punte Wheatstone pentru a măsura variațiile mici de rezistență pe care le produc elementele sensibile în funcție de o modificare fizică a specimenului.

Gage Factor

Un parametru fundamental al mărcii tensometrice este sensibilitatea la deformație, exprimată cantitativ ca factor de măsurare. Gage factor este raportul dintre variația relativă a rezistenței electrice și variația relativă în lungime, sau deformație. Gage factor trebuie să fie același pentru fiecare marcă din punte.

Gage factor pentru mărcile tensometrice metalice este de obicei în jurul valorii de 2. Puteți obține Gage factor al unei mărci tensometrice particulare de la furnizorul de senzori sau din documentația senzorului.

Rezistența nominală a mărcii

Rezistența nominală a mărcii este rezistența unei mărci tensometrice într-o poziție nedeformată. Puteți obține rezistența nominală a unei anumite mărci de la furnizorul de senzori sau din documentația senzorului. Rezistența pe fiecare braț al punții trebuie să fie aceeași pentru ca puntea să fie echilibrată. De exemplu, dacă aveți două mărci tensometrice și două rezistoare de referință, mărcile trebuie să aibă aceeași rezistență nominală, iar rezistența rezistoarelor de referință trebuie să fie aceeași cu cea a rezistenței nominale a mărcii.

Tipuri de mărci tensometrice

Configurațiile de mărci tensometrice sunt aranjate ca punți Wheatstone. Există trei tipuri de configurații pentru mărci tensometrice: sfert de punte, jumătate de punte și punte-completă. Numărul de brațe cu elemente active din puntea Wheatstone determină tipul de configurație a punții. Puteți măsura deformația axială, deformația de încovoiere sau ambele.

Tabelul 1. Configurații de mărci tensometrice

Canalele virtuale NI-DAQmx pentru deformație utilizează următoarea ecuație pentru a scala citirile de tensiune la unități de deformație.

Vr = (VCH/VEX) deformată - (VCH/VEX) nedeformată

unde VEX este tensiunea de excitație și VCH este tensiunea măsurată.

Sfert de punte tip I

Următoarea figură prezintă modul de poziționare a unei mărci tensometrice în configurații axiale și de încovoiere pentru sfert de punte tipul I.

Figura 2. Configurarea Quarter-Bridge de tip 1

Configurațiile Quarter-bridge type I au următoarele caracteristici:

• Un singur element activ, montat în direcția principală de solicitare axială sau încovoiere.

• Un rezistor pasiv de completare a sfertului de punte, cunoscut ca rezistor inactiv, în plus față de completarea jumătății de punte.

• Variația temperaturii scade acuratețea măsurătorilor.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 0,5 mVout /VEXinput.

Figura 3. Schema circuitului "Quarter-Bridge" de tip I

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuit din Figura 3:

• R1 este rezistorul de completare a jumătății de punte.

• R2 este rezistorul de completare a jumătății de punte.

• R3 este rezistorul de completare a sfertului de punte, cunoscut ca rezistor inactiv.

• R4 este elementul activ al mărcii tensometrice care măsoară tensiunea de întindere (+ ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența firelor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Quarter-Bridge (Sfert de punte) Type II

Figura următoare arată cum se poziționează o marcă tensometrică în configurații axiale și de încovoiere pentru tipul de Quarter-Bridge tip II.

Figura 4. Configurarea Quarter-Bridge tip II

Configuraţiile Quarter-bridge tip II au următoarele caracteristici:

• Un element activ și un element pasiv, sensibil la temperatură, care este cunoscut ca un rezistor inactiv. Elementul activ este montat în direcția solicitării axiale sau de încovoiere. Elementul pasiv este montat într-un contact termic apropiat cu specimenul solicitat, dar nu este lipit de specimen și este montat de obicei transversal, sau perpendicular, pe axa principală a solicitării. Această configurație este deseori confundată cu configurația jumătate de punte tip I, dar în configurația jumătate de punte tip I, elementul R3 este activ și lipit pe specimenul solicitat pentru a măsura efectul raportului Poisson.

• Rezistoarele de completare care asigură completarea jumătăţii de punte.

• Compensare pentru temperatură.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 0.5 mVout/VEX input.

Figura 5. Schema circuitului Quarter-Bridge Type II

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuite:

• R1 este rezistorul de completare a jumătăţii de punte.

• R2 este rezistorul de completare a jumătăţii de punte.

• R3 este elementul de detectare a temperaturii pe punte, cunoscut sub numele de rezistor inactiv.

• R4 este elementul activ care măsoară tensiunea de întindere (+ ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.
  

Half-Bridge (jumătate punte) tip I

Următoarea figură prezintă modul de poziționare a mărcilor în configurații axiale și de încovoiere pentru Half-Bridge Type I.

Figura 6. Configurația Half-Bridge Type I

Configurațiile Half-Bridge Type I au următoarele caracteristici:

• Două elemente active, unul montat în direcția solicitării axiale, iar celălalt acționează ca o marcă Poisson și este montat transversal, sau perpendicular, pe axa principală a solicitării.

• Rezistoare de completare care asigură completarea jumătăţii de punte.

• Sensibilitate la ambele solicitări: axială și la încovoiere.

• Compensare pentru temperatură.

• Compensarea pentru efectul agregat asupra măsurătorii principale a solicitării datorită raportului Poisson al materialului.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 0.65 mVout/VEX input.

Figura 7. Schema circuitului Half-Bridge Type I

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuit:

• R1 este rezistorul de completare a jumătăţii de punte.

• R2 este rezistorul de completare a jumătăţii de punte.

• R3 este elementul activ care măsoară compresia datorată efectului Poisson (-ε).

• R4 este elementul activ care măsoară solicitarea de întindere (+ ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Half-Bridge Type II

Configurația jumătate de punte tip II măsoară doar efortul de încovoiere. Următoarea figură prezintă modul de poziționare a mărcilor tensometrice în configurația de încovoiere pentru jumătate de punte tip II.

Figura 8. Configurația jumătate de punte tip II

Configurațiile jumătate de punte tip II au următoarele caracteristici:

• Două elemente active, unul montat în direcția efortului axial pe partea superioară a epruvetei și celălalt montat în direcția efortului axial pe partea de jos.

• Rezistoare de completare care asigură completarea jumătății de punte.

• Sensibilitate la solicitarea de încovoiere.

• Rejecția solicitării axiale.

• Compensare pentru temperatură.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 1 mVout / VEX input.

Figura 9. Schema circuitului jumătate de punte tip II

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuite:

• R1 este rezistorul de completare a jumătății de punte.

• R2 este rezistorul de completare a jumătății de punte.

• R3 este elementul activ de măsurare a solicitării la compresiune (-ε).

• R4 este elementul activ de măsurare a solicitării la alungire (+ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Punte completă tip I

Configurația punte completă tip I măsoară doar efortul de încovoiere. Următoarea figură prezintă modul de poziționare a mărcilor tensometrice în configurația de încovoiere pentru punte completă tipul I

Figura 10. Configurarea punții complete de tip I

Configurațiile de punte completă de tip I au următoarele caracteristici:

• Patru elemente active, două montate în direcția efortului de încovoiere pe partea superioară a epruvetei și celelalte două montate în direcția efortului de încovoiere pe partea de jos.

• Sensibilitate ridicată la solicitarea de încovoiere.

• Rejecție solicitării axiale.

• Compensare pentru temperatură.

• Compensare pentru rezistența legăturilor.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 2,0 mVout/VEX input.

Figura 11. Schema circuitului de punte completă tip I

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuite:

• R1 este elementul activ de măsurare a solicitării de compresiune (-ε).

• R2 este elementul activ de măsurare a solicitării la alungire (+ε).

• R3 este elementul activ de măsurare a solicitării de compresiune (-ε).

• R4 este elementul activ de măsurare a solicitării la alungire (+ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Punte completă tip II

Configurația punte completă tip II măsoară doar efortul de încovoiere. Figura următoare prezintă modul de poziționare a mărcilor tensometrice într-o configurație de încovoiere pentru punte completă de tip II.

Figura 12. Configurația punte completă de tip II

Configurațiile de punte completă de tip II au următoarele caracteristici:

• Patru elemente active. Două sunt montate în direcția efortului de încovoiere cu unul pe partea superioară a epruvetei și celălalt pe partea de jos. Celelalte două acționează împreună ca mărci Poisson și sunt montate transversal, sau perpendicular pe axa principală a solicitării, cu unul pe partea superioară a epruvetei și celălalt pe partea de jos.

• Rejecția solicitării axiale.

• Compensare pentru temperatură.

• Compensarea pentru efectul agregat asupra măsurătorii solicitării principale datorită raportului Poisson al materialului.

• Compensare pentru rezistența legăturilor.

• Sensibilitatea la 1000 µε este ~ 1,3 mVout/VEX input.

Figura 13. Schema circuitului de punte completă de tip II

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuite:

• R1 este elementul activ de măsurare a efectului Poisson compresiv (-ε).

• R2 este elementul activ de măsurare a efectului Poisson de întindere (+ε).

• R3 este elementul activ de măsurare a solicitării la compresie (-ε).

• R4 este elementul activ de măsurare a solicitării la întindere (+ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Puntea completă tip III

Următoarea figură prezintă modul de poziționare a mărcilor într-o configurație axială pentru puntea completă tip III. Configurația punte completă tip III măsoară numai solicitarea axială.

Figura 14. Configurația punte completă de tip III

Configurațiile punte completă de tip III au următoarele caracteristici:

• Patru elemente active. Două sunt montate în direcția solicitării axiale cu una pe partea superioară a epruvetei și cealaltă pe partea de jos. Celelalte două acționează împreună ca mărci Poisson și sunt montate transversal, sau perpendicular, pe axa principală a solicitării, cu unul pe partea superioară a epruvetei și celălalt pe partea de jos.

• Compensare pentru temperatură.

• Rejecția solicitării la încovoiere.

• Compensare pentru efectul agregat asupra măsurării solicitării principale datorită raportului Poisson al materialului.

• Compensare pentru rezistența legăturilor.

• Sensibilitatea la 1000 µε ~ 1,3 mVout/VEX input.

Figura 15. Schema circuitului de punte completă de tip III

Următoarele simboluri se aplică schemei de circuite:

• R1 este elementul activ de măsurare a efectului compresiv Poisson (-ε).

• R2 este elementul activ de măsurare a solicitării de întindere (+ε).

• R3 este elementul activ de măsurare a efectului compresiv Poisson (-ε).

• R4 este elementul activ de măsurare a solicitării de întindere (+ε).

• VEX este tensiunea de excitație.

• RL este rezistența legăturilor.

• VCH este tensiunea măsurată.

Cerințele condiționării semnalului pentru mărci tensometrice

Cerințele comune ale condiționarea semnalului pentru mărci tensometrice sunt completarea punții, excitarea punții, sensibilitatea excitației, amplificarea semnalului, anularea offset-ului, calibrarea cu șunt și liniarizarea. Ar trebui să calibrați periodic marca tensiometrică pentru a ține cont de variațiile caracteristicilor fizice ale acesteia și de materialul pe care este montată marca, pentru a ține cont de variațiile rezistenței firelor de legătură și de a compensa imperfecțiunile din sistemul de măsurare. Calibrarea mărcilor tensometrice implică, de obicei, două etape: anularea offset-ului sau echilibrarea punții, calibrarea cu șunt sau reglarea amplificării.

Completarea punții

Cu excepția cazului în care utilizați o punte completă cu patru mărci active, trebuie să completați puntea cu rezistoare de referință. Prin urmare, dispozitivele DAQ cu mărci tensometrice oferă în mod obișnuit rețele de completare a jumătății de punte care constau din două rezistoare de referință de înaltă precizie. Rezistența nominală a rezistoarelor de completare este mai puțin importantă decât cât de bine se potrivesc cele două rezistoare. În mod ideal, rezistoarele se potrivesc bine și asigură o tensiune de referință stabilă de VEX/2 la terminalul de intrare negativă a canalului de măsurare. Rezistența ridicată a rezistoarelor de completare ajută la minimizarea curentului absorbit de la tensiunea de excitație.

Excitația punții

Dispozitivele DAQ cu mărci tensometrice asigură în mod obișnuit o sursă de tensiune constantă pentru alimentarea punții. Deși nu există un nivel de tensiune standard care să fie recunoscut la nivel industrial, nivelurile tensiunii de excitație de aproximativ 3 V și 10 V sunt frecvente.

Sesizarea excitației

Dacă circuitul mărcii tensometrice este situat departe de dispozitivul DAQ și de sursa de excitație, o posibilă sursă de eroare este căderea de tensiune cauzată de rezistența firelor care conectează tensiunea de excitație la punte. Prin urmare, unele dispozitive DAQ includ o caracteristică numită teledetecție pentru a compensa această eroare. Există două metode comune de teledetecție. Cu ajutorul teledetecției de reacție, conectați cabluri suplimentare pentru senzori la punctul în care firele tensiunii de excitație se conectează la circuitul punții. Firele suplimentare de sesizare reglează alimentarea de excitație, compensează pierderile pe firele de legătură și asigură tensiunea necesară la punte. O schemă alternativă de teledetecție utilizează un canal de măsurare separat pentru a măsura direct tensiunea de excitație furnizată pe punte. Deoarece legăturile canalului de măsurare au foarte puțin curent, rezistența legăturilor are un efect neglijabil asupra măsurătorii. Apoi, puteți utiliza tensiunea de excitație măsurată în conversia tensiune-deformație pentru a compensa pierderile pe legături.

Amplificarea semnalului

Ieșirea mărcilor tensometrice și a punții este relativ mică. În practică, majoritatea ieșirilor de punți cu mărci tensometrice și traductoare bazate pe mărci sunt mai mici decât 10 mV/V sau 10 milivolți de ieșire pe volt de tensiune de excitație. De aceea, dispozitivele DAQ cu mărci tensometrice includ, de obicei, amplificatoare pentru a crește nivelul semnalului, pentru a crește rezoluția măsurătorilor și a îmbunătăți raportul semnal-zgomot.

Anularea Offset-ului (Echilibrarea punții)

Atunci când instalați o marcă tensometrică, marca probabil nu va scoate exact 0 V când nu este aplicată nicio solicitare. Variațiile ușoare ale rezistenței dintre brațele punții generează o tensiune de offset inițială nenulă. Un sistem poate gestiona această tensiune inițială de offset în câteva moduri diferite.

Compensarea software

Această metodă de echilibrare a punții compensează tensiunea inițială în software. Cu această metodă, efectuați o măsurătoare inițială înainte de aplicarea solicitării. Apoi puteți folosi această tensiune inițială în ecuațiile de deformație. Această metodă simplă și rapidă nu necesită ajustări manuale. Dezavantajul metodei de compensare software este că metoda nu elimină offset-ul punții. Dacă offset-ul este suficient de mare, limitează câștigul amplificatorului pe care îl puteți aplica la tensiunea de ieșire, limitând astfel gama dinamică a măsurătorilor.

Circuitul de anulare a Offset-ului

A doua meodă de echilibrare a punții utilizează un rezistor reglabil, sau potențiometru, pentru a regla electric ieșirea punții la 0 V.

Compensarea hardware pentru anulare

A treia metodă, ca și metoda de compensare software, nu afectează direct puntea. Un circuit de anulare adaugă o tensiune DC reglabilă, pozitivă sau negativă, la ieșirea amplificatorului de instrumentație pentru a compensa decalajul inițial al punții. Consultați documentația dispozitivului pentru a determina metodele hardware de anulare pe care le oferă dispozitivul DAQ.

Calibrarea cu șunt (Reglarea amplificării)

Puteți verifica ieșirea unui sistem de măsurare cu marcă tensometrică prin compararea deformației măsurate cu o valoare a deformației calculate, dacă este cunoscută solicitarea fizică a mărcii tensometrice. Diferența (dacă există) între deformația calculată și cea măsurată poate fi apoi utilizată pentru fiecare măsurătoare ca factor de ajustare a amplificării. Dacă nu sunt cunoscuți toți parametrii unei măsurători de deformații, puteți simula o deformație mecanică prin conectarea unei rezistențe cunoscute, în paralel cu marca tensometrică. Acest rezistor, numit rezistor de șunt, compensează tensiunea la zero a punții. Deoarece valoarea rezistorului de șunt este cunoscută, puteți calcula deformația mecanică corespunzătoare căderii de tensiune pe rezistor. Puteți apoi să comparați această tensiune cu tensiunea de ieșire a mărcii tensometrice care suferă aceeași solicitare mecanică. Acest factor de reglare a amplificării (factor de calibrare) poate fi, apoi, aplicat la fiecare măsurare.

Referințe:

Connecting Strain Gages to a DAQ Device