تنش و کرنش دو مفهوم کلیدی و مهم در مهندسی هستند که برای توصیف رفتار مواد تحت بارگذاری بکار می‌روند. درک این مفاهیم برای طراحی و ساخت مبدلهای نیرو که جهت اندازه‌گیری نیرو بکار می‌روند ضروری است. تنش به عنوان نیرویی تعریف میشود که در واحد سطح اعمال میشود در حالی که کرنش به عنوان تغییر شکل نسبی یک ماده در اثر اعمال نیرو تعریف میشود.
مبدل نیرو دستگاهی است که نیروهای مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال‌های الکتریکی می‌توانند برای نمایش، ثبت، کنترل یا تجزیه و تحلیل نیرو استفاده شوند. مبدلهای نیرو در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله صنعت، پزشکی، هوافضا و تحقیقات استفاده می‌شوند. مبدل های نیرو شامل چهار بخش مهم هستند:
- تنش و کرنش
- کرنش سنج
- مدار پل وتستون
- لودسل
در این مقاله قصد داریم تا درباره تنش و کرنش یعنی قسمت اول مبدل های نیرو صحبت کنیم.
مبدل نیرو چیست؟ (Force Transducers)
مبدل نیرو از مهم ترین مبدل های مورد نیاز در كاربردهای سرومكانیسم (Servomechanism) و پروسس كنترل (Process Control) می باشد و اهمیت آن موجب شده تا شاخه ای مجزا از مهندسی، جهت تعیین میزان نیروهای اعمالی به بخش ها و قطعات مختلف یك ماشین صنعتی یا وسیله نقلیه ایجاد شود. اندازه گیری دقیق نیروها این امکان را ایجاد می کند تا ماشین های گوناگونی هم چون خودرو یا هواپیما طراحی شوند كه:
- با وزن کم تر،
- کارایی بیش تر،
- اطمینان بالاتر،
- قیمت پایین تر،
- راندمان بالاتر
به کار گرفته شوند.
هم چنین قابلیت اندازه گیری نیرو این امکان را فراهم می کند تا مقدار پارامترهایی كه اندازه گیری مستقیم پیچیده ای دارند، به سرعت اندازه گیری شود. به عنوان مثال، در یك میدان با شتاب ثقل ثابت، اندازه گیری نیرو عبارت است از اندازه گیری كمیت مواد موجود یا جرم آن ها. بنابراین مبدل های نیرو می توانند برای اندازه گیری وزن و یا مقدار مواد موجود در یك مخزن نیز (سطح) به کار گرفته شوند.
فشار، پارامتری كلیدی در سیستم های بادی و هیدرولیكی است و بنا بر تعریف، عبارت است از نیرو بر واحد سطح. بنابراین بیش تر روش های اندازه گیری نیرو، برای اندازه گیری فشار، کاربرد دارند. از مبدل های نیرو برای اندازه گیری جریان (فلو) نیز استفاده می شود.
تعیین میزان نیروی به كار رفته به یك جرم معین، مشخص كننده شتابی است كه به جرم وارد می گردد. بنابراین اندازه گیری نیرو مشخص كننده شتاب یك وسیله (نقلیه) خواهد بود:
یا
سرعت، انتگرال شتاب است. هم چنین موقعیت، انتگرال سرعت است.
یا
پس با داشتن یك شتاب سنج و یك كامپیوتر، می توان شتاب، سرعت و نیز موقعیت وسیله (نقلیه) را محاسبه کرد. نیروی اعمال شده به یك فنر، به صورت مستقیم، متناسب است با میزان فشردگی فنر یا تغییر مكان آن.
خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا
تعریف تنش و کرنش (Stress and Strain)
مبدلهای نیرو تنش و کرنش (Stress and Strain Transducers) دستگاه‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری و تبدیل تنش و کرنش به سیگنال‌های الکتریکی قابل پردازش استفاده می‌شوند. این مبدل‌ها در مهندسی و علوم مواد برای بررسی رفتار مکانیکی مواد تحت بارگذاری استفاده می‌شوند.
رابطه بین تنش و كرنش یكی از مفاهیم اصلی علم مكانیك و مواد بوده و از موضوعات مورد توجه تحلیلگران تنش می باشد.
تعریف کرنش (Strain) و فرمول کرنش
هنگامی که نیرویی به یك جسم وارد می شود و آن جسم تغییر شكل میدهد. این تغییر شكل، كرنش یا Strain نامیده میشود. بنابراین واژه كرنش Strain، معنای تغییر شكل در واحد طول یا تغییرات جزیی طول می دهد که آن را با علامت ε نمایش می دهند. كرنش می تواند، انبساطی Tensile / Positive و یا انقباضی Compressive / Negative باشد.
با توجه به شكل زیر فرمول کرنش برابر است با:
به این علت که كرنش یك نسبت بوده در نتیجه فاقد دیمانسیون است. اما گاهی اوقات با واحد in./in. نمایش داده می شود.
برای اغلب فلزات، كرنش به روش های عملی اندازه گیری شده در حد کم تر از in./in. 0.005 می باشد. به دلیل کوچک بودن مقادیر عملی كرنش، آن را با واحد میكرو كرنش (MicroStrain) كه عبارت است از 106 * ε و به صورت µε نشان می دهند (دقت داشته باشید كه در این معادله، یك قسمت در یك میلیون یا ppm می باشد). به عنوان مثال: in./in. 0.005 برابر است با µε 5000 و یا %0.5
تعریف تنش (Stress) و فرمول تنش
وقتی نیرو و كرنش كه مقادیری قابل اندازه گیری هستند، توسط طراحان و تحلیل گران تنش به كار گرفته می شوند، واژه تنش برای مقایسه بارهای اعمالی به مواد مختلف و قابلیت آن ها در مقابل تحمل آن بار استفاده می گردد. باید دانست که به صورت معمول، كوچك و سبك نگاه داشتن ماشین ها و ساختار آن ها، بسیار با اهمیت است و قطعات و قسمت های مختلف یک ماشین می بایست تا نهایت توان تحملی خود كرنش را تحمل نمایند.
تنش (Stress)، اشاره به نیرو بر واحد سطح در یك جسم مسطح داشته و واحد تنش، نیرو بر واحد سطح می باشد.
آن گونه که دیده می شود، تا نقطه ای كه حد نسبی (Proportional Limit) نامیده می شود، تقریباً رابطه ای خطی بین كرنش و تنش برقرار است. این رابطه را می توان با قانون هوك (Hook’s law) تعریف کرد.
شیب این قسمت از خط مستقیم، ماژول الاستیسیتی (Modulus of Elasticity-E) یا ماژول یانگ برای مواد، تعریف می شود. ماژول الاستیسیتی (E)، واحدی شبیه به واحد تنش (نیرو بر واحد سطح) دارد و به صورت تجربی و عملی، برای مواد گوناگون، تعیین می گردد. این شیب خط را می توان به صورت رابطه زیر بیان نمود:
دو نقطه قابل توجه دیگر در دیاگرام تنش – كرنش وجود دارد:
- نقطه عملکرد (Yield Point)
- مقدار قدرت نهایی تنش (Ultimate Strength)
نقطه عملکرد، میزان سطح تنشی است كه در آن نقطه، كرنش شروع به افزایش شدید پیدا می كند. در حالی كه هیچ كاهش و یا افزایشی در تنش رخ نمی دهد. اگر ماده ای تحت تنش، زیر نقطه عملکرد قرار بگیرد و این تنش رها شود، آن ماده به حالت و اندازه اصلی خود بر نخواهد گشت اما در خود مقداری كرنش را حفظ می كند. نقطه توان نهایی تنش، بیش ترین تنشی است كه ماده تا قبل از تخریب تحمل می كند.
سخن پایانی
در این مقاله سعی کردیم تنش و کرنش را در مبدلهای نیرو شرح دهیم و سپس فرمول تنش و فرمول کرنش و رابطه بین تنش و کرنش را بیان کردیم. تنش و کرنش از مفاهیم پایه‌ای در مبدلهای نیرو هستند از مبدلهای نیرو در خطوط تولید، آزمایشگاهها، تحقیقات بیومکانیک و هوافضا استفاده میشود. لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.
یک پاسخ
سلام آیا میشه فقط با استفاده از کرنش سنج، تنش و کرنش را جداگانه محاسبه کرد؟