1. Ce este deformaţia?

In măsurarea şi testarea mecanică, trebuie să înţelegeţi cum reacţionează un obiect la diferite forţe. Cantitatea de deformare a unui material datorită unor forţe aplicate este numită strain. Strain este definită ca raportul variaţiei în lungime a materialului, supus forţelor, la lungimea originală, neafectată, cum se arată în figura 1. Strain poate fi pozitivă (alungire), datorută elongaţiei, sau negativă (compresiune), datorită contracţiei. Când un material este comprimat întro direcţie, tendinţa de a se expanda în alte două direcţii perpendiculare pe această forţă este cunoscută ca efect Poisson. Raportul Poisson (ν), este măsura acestui efect şi este definit ca raportul negativ al strain în direcţie transversală la strain în direcţie axial. Deşi adimensională, strain este exprimată uneori în unităţi ca in./in. sau mm/mm. In practică, magnitudinea unei deformaţii măsurate este foarte mică, astfel că este exprimată adesea ca microstrain (µε), care este ε x 10^-6.

Figura 1. Deformaţia este raportul variaţiei în lungime a unui material
la lungimea originală, neafectată.

Cele patru tipuri diferite de deformaţii sunt axială, încovoiere, forfecare şi torsională. Deformarea axială şi cea de încovoiere sunt cele mai comune (vezi figura 2). Deformarea axială măsoară în ce fel un material se întinde sau se comprimă ca rezultat al unei forţe liniare în direcţie orizontală. Deformarea la încovoiere măsoară o întindere a unei părți a unui material și contracția părții opuse datorate forței liniare aplicate în direcție verticală. Deformarea la forfecare măsoară cantitatea de deformare care apare de la o forță liniară cu componente atât în direcție orizontală cât și verticală. Deformarea la torsiune măsoară o forță circulară cu componente atât în direcție verticală cât și orizontală.

Figura 2. Deformarea axială măsoară cât se întinde un material. Deformarea la încovoiere măsoară o întindere pe o parte și o contracție pe altă parte.

2. Cum se măsoară deformația?

Puteți măsura deformația utilizând mai multe metode, dar cea mai comună este cu o marcă tensometrică. Rezistența electrică a unei mărci tensometrice variază proporțional cu deformația de măsurat din dispozitiv. Cea mai utilizată este marca tensometrică metalică fixată. Marca tensometrică metalică constă dintr-un fir foarte fin sau, mai comun, folie metalică aranjată într-o formă de grilă. Forma de grilă maximizează lungimea firului sau foliei metalice pentru măsurarea deformației în direcție paralelă. Grila este fixată pe un suport numit carrier, care este atașat direct pe materialul de testat. Deci, deformația așteptată la materialul testat este transferată direct la marca tensometrică, care răspunde cu o variație lineară a rezistenței electrice.

Figura 3. Rezistența electrică a grilei metalice variază proporțional cu deformația materialului testat.

Un parametru fundamental al mărcii tensometrice este sensibilitatea ei la deformație, exprimat cantitativ ca factor de marcă (GF - gage factor). GF este raportul variației relative a rezistenței electrice la variația relativă a lungimii, sau deformație:

GF pentru mărci tensometrice metalice este uzual în jur de 2. Puteți obține GF-ul unei mărci tensometrice particulare de la vânzătorul senzorului sau din documentația acestuia.

In practică, măsurările de deformație rareori depășesc cantități mai mari decât câțiva millistrain (ε x 10^-3). Deci, pentru a măsura deformația, trebuie să măsurați cu acuratețe foarte mici variații ale rezistenței. De exemplu, presupunem un material (specimen) de testat care suferă o deformație de 500 µε. O marcă tensometrică cu un GF de 2 oferă o variație a rezistenței electrice de numai 2 (500 x 10^-6) = 0,1%. Pentru o marcă de 120 Ω, aceasta este o variație de numai 0,12 Ω.

Pentru a măsura astfel de mici variații ale rezistenței, configurațiile de mărci tensometrice se bazează pe conceptul de punte Wheatstone. Puntea Wheatstone, ilustrată în figura 4, este o rețea de patru brațe rezistive cu o tensiune de excitație, V_EX, care este aplicată pe diagonala punții.

Figura 4. Mărcile tensometrice sunt configurate în punte Wheatstone
pentru a detecta micile variații de rezistență.

Puntea Wheatstone este echivalentul electric a două circuite divizoare paralele de tensiune. R₁ și R₂ compun un circuit divizor de tensiune, iar R₄ și R₃ compun al doilea circuit divizor de tensiune. Ieșirea unei punți Wheatstone, Vo, este măsurată între nodurile mijlocii ale celor două divizoare de tensiune.

Din această ecuație, puteți vedea că dacă R₁/R₂ = R₄/R₃, tensiunea de ieșire V_O este zero. In aceste condiții, se spune că puntea este echilibrată. Orice variație a rezistenței unui braț al punții produce o tensiune de ieșire diferită de zero. Ca urmare, dacă se înlocuiește R₄ în figura 4 cu o marcă tensometrică activă, orice variație a rezistenței mărcii tensometrice dezechilibrează puntea și produce o tensiune de ieșire nenulă care este funcție de deformație.

3. Cum se alege marca tensometrică adecvată?

Odată ca s-a decis tipul deformației de măsurat (axială sau de încovoiere), alte considerații includ sensibilitatea, costul și condițiile de operare. Pentru aceeași marcă tensometrică, schimbând configurația punții se poate îmbunătăți sensibilitatea ei la deformare. De exemplu, tipul I de configurare în punte completă este de patru ori mai sensibil decât tipul I de configurare în sfert de punte. Dar, tipul I de punte completă necesită încă trei mărci tensometrice față de tipul I de sfert de punte. De asemenea, necesită acces la ambele fețe ale structurii de măsurat. In plus, puntea completă este semnificativ mai scumpă decât jumătate de punte și sfert de punte. Pentru un rezumat al diferitelor tipuri de mărci tensometrice se prezintă următorul tabel.

Lățimea grilei

Utilizând o grilă mai lată, dacă nu este limitată de locul instalării, se îmbunătățește disiparea de căldură și crește stabilitatea mărcii tensometrice. Dar, dacă specimenul testat are severe grade de deformare perpendiculară pe axa primară de deformare, luați în considerare utilizarea unei grile înguste pentru minimizarea erorilor date de efectul deformației de forfecare și deformația Poisson.

Rezistența nominală a mărcii

Rezistența nominală a mărcii este rezistența unei mărci tensometrice în poziția fără deformare. Cele mai comune valori de rezistență nominală a mărcilor tensometrice comerciale sunt 120 Ω, 350 Ω, și 1,000 Ω. Considerați o rezistență nominală mai mare pentru a reduce cantitatea de căldură generată de tensiunea de excitație. O rezistență nominală mai mare ajută, de asemenea, la reducerea variațiilor de semnal cauzate de variațiile de rezistență a firelor de legătură datorate fluctuațiilor de temperatură.

Compensarea temperaturii

Ideal, rezistența mărcii tensometrice ar trebui să varieze numai în raport cu deformația. Totuși, rezistivitatea și sensibilitatea mărcii tensometrice variază și cu temperatura, ceea ce conduce la erori de măsurare. Producătorii de mărci tensometrice se străduiesc să minimizeze sensibilitatea la temperatură prin procesarea materialului mărcii pentru a compensa expansiunea termică a materialului specimenului pentru care marca este proiectată. Aceste configurații de punte compensate cu temperatura sunt mult mai imune la efectele temperaturii. De asemenea, luați în considerare utilizarea unui tip de configurație care ajută la compensarea efectelor fluctuațiilor de temperatură.

Instalare

Instalarea mărcilor tensometrice poate lua un semnificativ volum de timp și resurse, și volumul variază puternic dependent de configurația punții. Numărul de mărci lipite, numărul de fire și montarea locală pot afecta nivelul efortului cerut pentru instalare. Unele configurații de punte necesită instalarea mărcii pe fețele opuse ale structurii, ceea ce poate fi dificil sau chiar imposibil. Tipul I de sfert de punte este cel mai simplu deoarece el necesită instalarea numai unei mărci și două sau trei fire.

4. Condiționare de semnal pentru mărci tensometrice

Măsurările cu mărci tensometrice sunt complexe și unii factori pot afecta performanța măsurătorii. De aceea, este necesar să se selecteze și să se utilizeze adecvat puntea, condiționarea de semnal, legăturile și componentele DAQ pentru a genera măsurători sigure. De exemplu, toleranțele rezistențelor și deformația indusă prin aplicarea mărcii generează o tensiune de offset inițială când nu există deformație. Similar, lungimea firelor de legătură pot adăuga rezistență în brațul punții, care adaugă o erore de offset și desensibilizează ieșirea punții. Pentru a asigura acuratețea măsurării deformației, trebuie luate în considerare următoarele:

• Completarea punții pentru sfert de punte și jumătate de punte

• Excitația cu tensiune a circuitului în punte Wheatstone

• Compensarea erorilor în tensiunea de excitație provenite de la lungimea firelor de legătură

• Amplificarea pentru a crește rezoluția măsurării și a îmbunătăți raportul semnal-zgomot

• Filtrarea pentru eliminarea zgomotului extern, de înaltă frecvență

• Offset inexistent pentru a echilibra puntea la ieșire la 0 V când nu există deformație

• Calibrarea cu șunt pentru a verifica ieșirea punții la o valoare cunoscută, așteptată

Vezi și Traductoare tensorezistive, curs Trad. rezistive