Skriven av Grant Maloy Smith, experten för datainsamling

Den här artikeln kommer vi att diskutera hur du kan mäta töjning och tryck med töjningsgivare, med tillräckligt med detaljer så att du kommer:

• Se hur töjningssensorer fungerar

• Lär dig hur töjnings- och tryckmätningar görs

• Förstå hur du kan införliva dem i din testning

   

Är du redo att komma igång? Nu kör vi!

Introduktion

Töjnings- och tryckgivare används ofta i många mätapplikationer, från statisk till dynamisk. Till exempel används de ofta i lastcellsensorer för viktmätning och i vissa typer av accelerometersensorer. De används för att mäta avböjning, vibrationer, belastning, vridmoment, tryck, stress och töjning. Kort sagt, de används för mätning av krafter.

Töjningsmätaren kallas också ibland för en elektrisk motståndsståndsmätare eller helt enkelt en motståndstöjningsmätare. Gage kan också stavas gauge - detta är helt enkelt en fråga om konvention och gör ingen skillnad.

Men de används också i mycket dynamiska mätapplikationer, där deras utgångar fluktuerar kraftigt på grund av deformationen av ett mekaniskt föremål som testas.

Föreställ dig karosseripanelerna på en bil som körs snabbt över belgiska block med mycket höga hastigheter. Eller monteras på en drivaxel som snurrar med tusentals varvtal och utsätts för spänning och vridning på axeln förändras dynamiskt. Det finns otaliga applikationer för töjningsmätare.

Töjningsgivaren

Egenskapen som kallas "töjning" anses vara förhållandet mellan längdförändring och objektets ursprungliga osträckta längd.

Sensorer för töjningsgivare kan mäta längdförändringen orsakad av en extern kraft och omvandla den till en elektrisk signal som sedan kan omvandlas till digitala värden, visas, fångas och analyseras. Detta fungerar pga. en töjningssensor upplever en förändring i motstånd när den sträcks eller komprimeras.

En töjningsgivare mäter töjning med hjälp av en förändring i motstånd. I en enda sensor-töjningsgivare är ett metallfoliemönster monterat på ett flexibelt substrat, vilket också tjänar till att isolera metallen från objektet som testas. En ström förs genom foliemönstret. När föremålet som testas är stressat (dvs böjt eller vridet) i axeln parallellt med foliemönstret sker en förändring i motstånd som är proportionell mot avböjningsgraden.

Typisk töjningsgivare
Image: courtesy of Cristian V
[CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/ by/4.0)]

Wheatstone-brygga

När en ledare sträcks ut ökar dess motstånd. När den är komprimerad minskar dess motstånd. Denna förändring i motstånd kan mätas med hjälp av en Wheatstone-brygga.

Som visas i diagrammet nedan mäter en Wheatstone-bryggkrets ett okänt elektriskt motstånd (Rx) genom att balansera två ben i en bryggkrets, varav ett ben har det okända värdet. Eftersom de andra tre motstånden har kända värden, och en av dem också är justerbar, kan kretsen härleda vad motståndet hos Rx är när som helst.

Manövrering av töjningsgivare (böjning överdriven för tydlighetens skull)

Bild med tillstånd av WikiCommons

Diagram Wheatstone-brygga

När ett av de fyra motstånden används för att göra en enskild axelmätning, är detta vad som kallas en kvartbrygganslutning. Signalkonditioneringinstrumentet måste tillhandahålla de tre saknade sensorerna och balansera kretsen, dra av sensorns motståndsvärde i realtid och konvertera det motståndet till en användbar töjningsmätning (när ingen ström passerar genom V är kretsen balanserad).

Att använda två sensorer är därför en halvbrygga och att mäta med alla fyra sensorerna är en fullbryggskonfiguration. I fullbryggsdiagrammet ovan mäts sensorns utspänning vid C och B, medan excitationsspänningen matas vid A och D.

Olika typer av töjningsgivare

Det finns töjningsgivare med mer än en sensor som kan mäta töjningen i mer än en riktning åt gången. Dessa kallas vanligtvis för rosett töjningsgivare och de finns i olika geometrier för olika applikationer.

De vanligaste rosetterna som erbjuds är den biaxiella rosetten, där två sensorer är monterade vid 0 ° och 90 ° (vinkelrätt mot varandra) och den triaxiella rosetten, där tre mätare är anordnade i ett specificerat mönster, såsom 0 ° - 60 ° - 120 ° eller 0 ° - 45 ° - 90 °.

Strain rosette konfigurationer

Maskinteknisk professor Jeff Hanson, Ph.D. från Texas Tech University förklarar Strain Gauges Rosetter i den här videon:

Kompletteringsmotstånd

När signalkonditioneringen tillhandahåller de saknade motstånden som behövs för att slutföra Wheatstone Bridge-kretsen, kallas detta bryggans slutförande. Som ett exempel tillhandahåller Dewesofts signalkonditionering i STG-serien denna komplettering och du kan till och med välja mellan 120Ω och 350Ω kompletteringsmotstånd.

Kontroll över denna slutförande sker helt via Dewesoft X programvaran: det finns inga fysiska switchar eller inställningar som måste göras. I det här fallet har signalkonditioneringen de "saknade" motstånden i hårdvaran och byter dem till rätt plats på kretsen baserat på din inställning i programvaran.

Vad är töjningsfaktorn?

När du köper en töjningssensor visar paketet vanligtvis GF eller mätfaktor (eller töjningsfaktor). Detta är ett tal runt 2. Det är viktigt att veta detta när du ställer in sensorn i programvaran. Denna faktor hänför sig till förändringen i motstånd orsakad av töjning över sensorns naturliga motstånd, dividerat med själva töjningen. Återigen, när du ställer in en sensor med Dewesoft X data acquisition software och en Dewesoft STG-konditionering, kan Gage Factor skrivas in direkt i programvaran, vilket gör all matematik som krävs för att säkerställa perfekta mätningar.

Motståndsförändring på grund av temperatur - temperaturkompensation

Vid den här tiden kanske du undrar om temperaturen och dess inverkan på noggrannheten i dessa mätningar. När som helst när vi pratar om motståndsmätningar är temperaturen en faktor eftersom den så enkelt kan ändra mätningen och orsaka fel avläsningar. Det är känt att töjningssensorer har en känslighet för temperatur, vilket påverkar deras noggrannhet såvida de inte kompenseras för.

Temperaturvariationer vid sensorn orsakas inte bara av omgivningstemperaturen (föreställ dig att en sensor är i solen eller monterad direkt på en motor som går, medan en annan inte är det) utan också av strömmen som driver Wheatstone-bryggan! Detta är även känt som självuppvärmningsfenomenet.

Ju längre exciteringen måste färdas, desto större behöver den vara, vilket resulterar i ännu mer uppvärmning av sensorn genom själva exciteringen. Dessutom kan ledningsmotståndet i sig själv bli en faktor som påverkar mätningen, till exempel i fall av exceptionellt stora avstånd mellan sensorn och signalkonditioneringen.

På grund av dessa variabler är Dewesoft STG-signalkonditioneringsapparater utformade för att möjliggöra anslutning av SENSE-linjer till bryggkretsens hörn. Dessa linjer tillåter signalkonditionering att mäta skillnaden mellan exciteringen vid konditionering och vid sensorn, och automatiskt justera kretsen därefter, avvisa felet och säkerställa korrekta och stabila avläsningar.

Dewesoft STG-kopplingsschema för signalkonditionering, visar SENSE (Sns) -linjer anslutna till offset fel.

De streckade linjerna visar att även om det är möjligt att ansluta avkänningslinjerna vid anslutningen, är det att föredra att ansluta vid själva sensorn för att få full nytta av denna förmåga.

Intern Shuntkalibrering för töjningsbryggor

En shunt är ett motstånd som är anslutet över ett ben i Wheatstone Brygg-kretsen, vilket tillfälligt balanserar det. Denna metod simulerar en given töjning, och eftersom värdet på shuntmotståndet är känt (typiskt 59,88 kΩ), ger det en känd förskjutning. Den momentana omkopplingen av detta shuntkalmotstånd görs ofta både i början och i slutet av ett test så att de uppmätta data kan hänvisas till det under dataanalys. Således kan alla baslinjeförskjutningar som kan ha inträffat över hela spännvidden för ett långt test detekteras och kompenseras matematiskt senare.

Dewesoft STG-signalbalsam ger ett internt shunt cal-motstånd, vilket eliminerar behovet av att ansluta en externt (vilket också eliminerar behovet av att röra ledningarna!). Dessutom låter Dewesoft X DAQ mjukvaran dig engagera shuntkalibrering med ett klick på skärmen. Shuntkalibrering kan göras på en enda kanal eller på flera kanaler samtidigt.

Noggrannheten för shuntmotståndet, och faktiskt för motstånden i varje töjningsgivarsensor eller omvandlare, är viktig eftersom det påverkar noggrannheten hos de slutliga avläsningarna. Tillverkare som Dewesoft följer bästa praxis när det gäller att ange motståndens noggrannhet och tillhandahålla nominella motstånds- och toleransspecifikationer. Nominellt motstånd representerar det avsedda värdet i ohm, medan toleransen är den maximala möjliga avvikelsen från det nominella värdet uppmätt vid 25 ° C.

Bästa praxis för mätning med töjningssensorer

Det anses vara en bästa praxis att använda den lägsta exciteringsspänningen som du kan för att undvika det självuppvärmningsfenomen som nämnts tidigare. Samtidigt är det extremt användbart att ha ett urval av exciteringsnivåer att välja mellan. Och det är viktigt att excitationslinjerna isoleras precis som signallinjerna, för att säkerställa lågt brus och optimal signal / brusförhållande för dina inspelade data.

Detta säkerställs också av den avancerade AD-konverterarelektroniken för alla Dewesoft DAQ system i allmänhet och DualCoreADC®-tekniken för SIRIUS DAQ hårdvara i synnerhet. Och eftersom det är särskilt viktigt att minska längden på signalkablar när det gäller töjningssensorer är den modulära karaktären hos alla Dewesoft mätsystem en solid fördel i dessa applikationer.

Dewesofts DualCoreADC®-teknik erbjuder ett högt dynamiskt intervall på 160 dB och signal/brusförhållande mer än 130 dB

Töjning och utmattningsteori

Vad är töjning?

En töjning definieras som mängden deformation som ett objekt upplever jämfört med dess ursprungliga storlek och form (förhållandet mellan ökad längd jämfört med dess ursprungliga längd). Termen töjnings används vanligtvis för att beskriva förlängningen av en sektion. Ett objekt kan uppleva belastning som ett resultat av en extern kraft som verkar på det.

Vad är mekanisk spänning?

Spännig definieras som en applicerad kraft per ytenhet. Det inträffar vanligtvis som ett resultat av en applicerad kraft men beror ofta på effekterna av kraft i ett material eller inom ett större system.

Låt oss till exempel föreställa oss en tråd som är förankrad högst upp och hänger ner. Vi applicerar vikter på änden av denna tråd för att dra ner den och applicerar därmed en nedåtgående kraft. Vi kan se att på bilden nedan, där A är ledarens tvärsnittsarea, och L är den ursprungliga trådlängden. I detta exempel upplever materialet (tråd) töjning som kallas axiell töjning.

Enheterna är desamma som med tryck eftersom trycket är den speciella variationen av spänning. Spännning är en mer komplex kvantitet än tryck eftersom den fluktuerar med riktning och med ytan som den verkar på.

i kan beräkna spännining (σ) genom att multiplicera töjning (ε) och Youngs modul (E).

Kraftekvation

Därför

Med tanke på att stålets elastiska modul (Youngs modul) är 210000 N / mm2 och sensorns tvärsnitt är 139 mm2 får vi:

Vad är Youngs modul?

Youngs modul, även känd som dragmodul eller elastisk modul, är ett mått på styvheten hos ett elastiskt material och är en mängd som används för att karakterisera material.

Det definieras som förhållandet mellan spänningen (kraft per ytenhet) längs en axel över spänningen (förhållande av deformation över initial längd) längs den axeln inom det spänningsområde som Hookes lag gäller.

Ett material vars Youngs modulvärde är mycket högt är styvt.

Youngs modul [E] kan beräknas genom att dela dragspänningen med den utsträckta spänningen i den elastiska (initiala, linjära) delen av spänning-töjningskurvan:

Var:

• L0 is the original length of the object.
• E är Youngs modul (elasticitetsmodul);
• F är den kraft som utövas på ett föremål under spänning;
• A0 är det ursprungliga tvärsnittsområdet genom vilket kraften appliceras;
• ΔL är den mängd med vilken objektets längd ändras; L0 är originalets längd.

Genom det internationella systemet för enheter (SI) är enheten för Youngs modul Pascal (Pa eller N / m2 eller m − 1 · kg · s − 2). De praktiska enheterna som används är megapascal (MPa eller N / mm2) eller gigapascal (GPa eller kN / mm2).

I USA: s sedvanliga enheter uttrycks Youngs modul som pund per kvadrattum (psi).

En töjning uttrycks vanligtvis i μm/m (mikrometer per meter), även känd som microstrain, som har symbolen µΣ. Du kan också se ”mV/V”, som refererar till uteffekten i millivolt per volt excitering. Töjningsgivare måste exciteras eller drivas med en matningsspänning för att ge en utgång som är proportionell mot mängden belastning som de ser längs mätaxeln.

Mäta elasticitetsmodulen

Elasticitetsmodulen och sträckgränsen är två frekventa materialegenskaper som kan beräknas från att utföra dragprov med ett mekaniskt testsystem.

Proceduren för mekaniska testsystem är att det valda materialet kläms fast mellan två grepp. Det nedre greppet dras åt på ytan medan det övre greppet rör sig upp med en viss förskjutningshastighet.

Testningssystemet registrerar den kraft som behövs för att sträcka ut materialet och lämplig förskjutning av handtagen. Ingenjörer mäter den ursprungliga tvärsnittsarean för ett prov och den ursprungliga längden mellan grepparna. Därefter kan de beräkna spänning från kraftdata och belastning från förskjutningsdata. All data används sedan för att skapa spännings-töjningsdiagram som visas på bilden nedan.

Vad är Poisson's ratio (ν)?

Poissons förhållande är det negativa förhållandet mellan den tvärgående töjningen och den axiella töjningen (förutsatt att den axiella töjningen är i riktning mot den applicerade belastningen). Detta förhållande ges vanligtvis av den grekiska bokstaven v (även skriven som nu och uttalas som ordet "ny"). Du kan visualisera denna effekt genom att sträcka ett gummiband - när du drar ändarna längre ifrån varandra krymper bandets bredd. De flesta material uppvisar ett Poissons förhållande mellan 0 och 0,5 ν. Stål mäter vanligtvis vid 0,3 ν, medan gummi har är nästan 0,5 ν.

Maskinteknisk professor Jeff Handerson från Texas Tech University förklarar Normal stam och Poissons förhållande

Typer av spänning

1. Normal spänning

Det finns två normala spänningar - TENSILE och COMPRESSIVE. Dragspänningar är positiva, kompressionsspänningar är negativa. Normala spänningar uppstår när drag- eller tryckkrafter verkar mot varandra.

På bilden nedan kan vi se en dragbelastning applicerad på ett rektangulärt fast ämne. Svaret från ett rektangulärt fast ämne på dragbelastningar är mycket beroende av dragstyvhet och hållfasthetsegenskaper hos förstärkningsfibrerna, eftersom dessa är mycket högre än hartssystemet i sig.

Spänning

Figuren nedan visar en komposit under tryckbelastning. Här är hartssystemets vidhäftnings- och styvningsegenskaper avgörande, eftersom det är hartsets roll att bibehålla fibrerna som raka pelare och förhindra att de böjs.

Kompression

2. Skjuvspänning

Figuren nedan visar en komposit som upplever en skjuvbelastning. Denna belastning försöker glida intilliggande fiberskikt över varandra. Under skjuvbelastning spelar hartset en viktig roll och överför spänningarna över kompositen. För att kompositen ska fungera bra under skjuvbelastningar måste hartselementet inte bara uppvisa goda mekaniska egenskaper utan måste också ha hög vidhäftning till förstärkningsfibern. Den interlaminära skjuvhållfastheten (ILSS) hos en komposit används ofta för att indikera denna egenskap i en flerskiktskomposit ('laminat').

Typer av töjning

1. Axiell töjning

”Axiell töjning” avser hur ett objekt sträcker sig eller komprimeras till följd av kraft längs dess horisontella axel. Det definieras matematiskt som axiell stress dividerat med Youngs modul.

2. Böjtöjning(Moment töjning)

Med "böjtöjning" avses hur ett objekt sträcker sig på ena sidan och drar sig samman på den andra på grund av kraft som appliceras längs dess vertikala axel. Även känd som "momenttöjning" definieras böjningstöjning matematiskt som böjningsspänningen dividerad med Youngs elasticitetsmodul.

3. Skjuvtöjning

"Skjuvtöjning" kombinerar mätningarna av föremålsdeformation längs både dess horisontella och linjära axlar. Det definieras matematiskt som skjuvspänning dividerat med skjuvspänningsmodulen.

4. Momenttöjning

"Torsionsspänning" avser den cirkulära kraften längs både de horisontella och vertikala axlarna för objektet som testas. Det definieras matematiskt som torsionsspänning dividerat med torsionsmodulen av elasticitet.

5. Kompressiv töjning

Kompressionsspänningen produceras när två lika och motsatta krafter verkar för att komprimera ett objekt. När detta händer minskar objektets längd under tryckstress.

Vad är förhållandet mellan mekanisk spänning och belastning?

Det enklaste sättet att visualisera förhållandet mellan spänning och belastning med hjälp av en Stress-Strain Curve. Du kan se i bilden nedan att den här kurvan erbjuder några mycket användbara materialegenskaper. Spänning-töjningskurvor beräknas via experiment.

En spänning-töjningskurva är typisk för konstruktionsstål:

1. Ultimat styrka
2. Avkastningsstyrka (sträckgräns)
3. Brista
4. Töjhärdningsregion
5. Necking region
6. Tydlig stress (F/A0)
7. Faktisk stress (F/A)

Dewesoft mätsystem för töjningsmätning

SIRIUS DAQ-mätmoduler för töjningsgivare

SIRIUS datainsamlingssystem erbjuder bästa prestanda inom signalbehandling och tar ingen kompromiss med de förvärvade signalerna. SIRIUS ger helt enkelt den bästa signalkonditioneringen du kan köpa idag.  DualCoreADC® technologin med dubbla 24-bitars delta-sigma AD-omvandlare med ett anti-aliasing-filter på varje kanal, vilket ger en otrolig 160 dB dynamiskt omfång inom tids- och frekvensdomänerna. Den erbjuder 200 kS/ s/ch samplingsfrekvens per kanal och upp till 8 kanaler per SIRIUS-slice. Detta är flaggskeppet i Dewesoft-produktlinjen - ett mästerverk av hårdvara och mjukvara.

Dewesoft SIRIUS mätsystem

SIRIUS DualCoreADC DAQ Moduler för töjningsmätning

SIRUS Högdensitetsmätmodul för töjningsbryggor

SIRIUS High-Speed mätmodul för töjningsmätning

1 MHz 16-bitars SAR-teknik med valbar aliasfri filtrering av programvara är det perfekta valet för övergående inspelning. Upp till 8 kanaler per SIRIUS-modul.

För mer detaljerade specifikationer se SIRIUS tekniska specifikation websida.

KRYPTON Töjningsmätmodul

KRYPTON® DAQ systems linje är de mest robusta och högpresterande datainsamlingssystemen som finns idag. De kombinerar kraften från Dewesoft-signalbehandling och programvara med ett kraftfullt EtherCAT®-gränssnitt, förpackat i vattentäta och kraftiga höljen.

KRYPTON mätmodul

Huvudfunktioner:

• Distribuerbar - du kan hitta hårdvaran för datainsamling nära sensorerna.
• Enstaka kabel med upp till 100 meter mellan enheter för ström, data och synkronisering
• Gjord för extrema miljöer - IP67, dammtät, vattentät, 100 g stötar och vibrationsbeständigt, brett temperaturområde

KRYPTON Multikanaliga Töjningsmätmoduler

3- och 6-kannals KRYPTON STG Mätmodul

KRYPTON En-kanalig mätmodul för töjningsbryggor

1-kanalig isolerad KRYPTONi-1xSTG Mätmodul

For more detailed specs please see KRYPTON technical specification webpage.

IOLITE DAQ and Control Systems

IOLITE® DAQ system from Dewesoft is real-time data acquisition systems specifically made for industrial applications. They combine the best of both worlds - data acquisition and control, in an integrated way that other systems cannot match.

IOLITE DAQ and control system

Key Features:

• DUAL EtherCAT data bus: IOLITE uses two EtherCAT buses in parallel. The primary bus is used for full speed buffered data acquisition to a computer. The secondary bus is mainly used for real-time data to any third-party control system.
• No-compromises Signal Conditioning: IOLITE features high-quality amplifiers that provide great signal quality and up to 20 kHz sampling rate.
• Redundant Power Supply: combined with dual EtherCAT® interfaces, this provides maximum system reliability.
• Choice of Chassis: IOLITE can be configured in the 19-inch cabinet compatible chassis or in more rugged SIRIUS-like compatible chassis.
• Price/Performance Ratio: IOLITE offers a great price/performance ratio and is suitable for test-bed and industrial applications.

For more detailed specs please see IOLITE technical specification webpage.