مبدل نيرو (Force Transducers)
مبدل نيرو از مهم ترين مبدل هاي مورد نياز در كاربردهاي سرومكانيسم (Servomechanism) و پروسس كنترل (Process Control) مي باشد و اهمیت آن موجب شده تا شاخه ای مجزا از مهندسي، جهت تعيين ميزان نيروهاي اعمالي به بخش ها و قطعات مختلف يك ماشين صنعتي يا وسيله نقليه ایجاد شود.
اندازه گيري دقيق نيروها این امکان را ایجاد می کند تا ماشین های گوناگونی هم چون خودرو یا هواپیما طراحي شوند كه…
با وزن کم تر،
کارایی بیش تر،
اطمينان بالاتر،
قیمت پایین تر،
و در مجموع، راندمان بالاتري مي توانند به کار گرفته شوند.
هم چنين قابليت اندازه گيري نيرو اين امکان را فراهم می کند تا مقدار پارامترهايي كه اندازه گيري مستقيم پیچیده ای دارند، به سرعت، اندازه گيري شود.
به عنوان مثال، در يك ميدان با شتاب ثقل ثابت، اندازه گيري نيرو عبارت است از اندازه گيري كميت مواد موجود يا جرم آن ها. بنابراين مبدل هاي نيرو مي توانند براي اندازه گيري وزن و يا مقدار مواد موجود در يك مخزن نیز (سطح) به کار گرفته شوند.
فشار، پارامتری كليدي در سيستم هاي بادي و هيدروليكي است و بنا بر تعریف، عبارت است از نيرو بر واحد سطح. بنابراين بیش تر روش هاي اندازه گيري نيرو، براي اندازه گيري فشار، کاربرد دارند.
از مبدل هاي نيرو براي اندازه گيري جريان (فلو) نيز استفاده می شود.
تعيين ميزان نيروي به كار رفته به يك جرم معين، مشخص كننده شتابي است كه به جرم وارد مي گردد. بنابراين اندازه گيري نيرو مشخص كننده شتاب يك وسيله (نقليه) خواهد بود:
یا
سرعت، انتگرال شتاب است. هم چنین موقعيت، انتگرال سرعت است.
یا
پس با داشتن يك شتاب سنج و يك كامپيوتر، مي توان شتاب، سرعت و نيز موقعيت وسيله (نقليه) را محاسبه کرد.
نيروي اعمال شده به يك فنر، به صورت مستقیم، متناسب است با ميزان فشردگي فنر يا تغيیر مكان آن.
تنش و كرنش (Stress and Strain)
رابطه بين تنش و كرنش يكي از مفاهيم اصلي علم مكانيك و مواد بوده و از موضوعات مورد توجه تحليلگران تنش مي باشد.
هنگامی که نيرويي به يك جسم وارد می شود و آن جسم تغيير شكل ميدهد. این تغيير شكل، كرنش يا Strain ناميده ميشود. بنابراين واژه كرنش Strain، معناي تغيير شكل در واحد طول يا تغييرات جزيي طول می دهد که آن را با علامت ε نمايش می دهند.
كرنش مي تواند:
انبساطي Tensile / Positive
و يا…
انقباضي Compressive / Negative باشد.
با توجه به شكل زير خواهيم داشت:
به این علت که كرنش يك نسبت بوده در نتیجه فاقد ديمانسيون است. اما گاهي اوقات با واحد in./in. نمايش داده مي شود.
براي اغلب فلزات، كرنش به روش هاي عملي اندازه گيري شده در حد کم تر از in./in. 0.005 مي باشد. به دلیل کوچک بودن مقادير عملي كرنش، آن را با واحد ميكرو كرنش (MicroStrain) كه عبارت است از 106 * ε و به صورت µε نشان می دهند (دقت داشته باشيد كه در اين معادله، يك قسمت در يك ميليون يا ppm مي باشد).
به عنوان مثال: in./in. 0.005 برابر است با µε 5000 و يا %0.5
وقتی نيرو و كرنش كه مقاديری قابل اندازه گيري هستند، توسط طراحان و تحليل گران تنش به كار گرفته می شوند، واژه تنش براي مقايسه بارهاي اعمالي به مواد مختلف و قابليت آن ها در مقابل تحمل آن بار استفاده می گردد. باید دانست که به صورت معمول، كوچك و سبك نگاه داشتن ماشين ها و ساختار آن ها، بسیار با اهمیت است و قطعات و قسمت هاي مختلف یک ماشين مي بايست تا نهايت توان تحملي خود كرنش را تحمل نمايند.
تنش (Stress)، اشاره به نيرو بر واحد سطح در يك جسم مسطح داشته و واحد آن، نيرو بر واحد سطح مي باشد.
آن گونه که دیده می شود، تا نقطه اي كه حد نسبي (Proportional Limit) ناميده مي شود، تقريباً رابطه ای خطي بين كرنش و تنش برقرار است. اين رابطه را می توان با قانون هوك (Hook’s law) تعريف کرد.
شيب اين قسمت از خط مستقيم، ماژول الاستيسيتي (Modulus of Elasticity-E) يا ماژول يانگ براي مواد، تعریف می شود. ماژول الاستیسیتی (E)، واحدی شبيه به واحد تنش (نيرو بر واحد سطح) دارد و به صورت تجربي و عملي، براي مواد گوناگون، تعيين مي گردد. اين شيب خط را مي توان به صورت رابطه زير بيان نمود:
دو نقطه قابل توجه ديگر در دياگرام تنش – كرنش وجود دارد:
- نقطه عملکرد (Yield Point)
- مقدار قدرت نهايي تنش (Ultimate Strength)
نقطه علمکرد، ميزان سطح تنشي است كه در آن نقطه، كرنش شروع به افزايش شديد پيدا مي كند. در حالي كه هیچ كاهش و يا افزايشي در تنش رخ نمی دهد. اگر ماده اي تحت تنش، زير نقطه عملکرد قرار بگیرد و اين تنش رها شود، آن ماده به حالت و اندازه اصلي خود بر نخواهد گشت اما در خود مقداری كرنش را حفظ مي كند. نقطه توان نهايي تنش، بیش ترین تنشي است كه ماده تا قبل از تخریب تحمل مي كند.
