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 ها
- مدار پل وتستون
- لودسل
در این مقاله قصد داریم تا درباره تنش و کرنش یعنی قسمت اول مبدل های نیرو صحبت کنیم.
مبدل نيرو چیست؟ (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،
- راندمان بالاتر
به کار گرفته شوند.
هم چنين قابليت اندازه گيری نیرو اين امکان را فراهم می کند تا مقدار پارامترهايی كه اندازه گيری مستقيم پیچیده ای دارند، به سرعت اندازه گيری شود. به عنوان مثال، در يك ميدان با شتاب ثقل ثابت، اندازه گيری نیرو عبارت است از اندازه گيري كميت مواد موجود يا جرم آن ها. بنابراين مبدل های نيرو مي توانند برای اندازه گيری وزن و يا مقدار مواد موجود در يك مخزن نیز (سطح) به کار گرفته شوند.
فشار، پارامتری كليدی در سيستم هاي بادی و هيدروليكی است و بنا بر تعریف، عبارت است از نيرو بر واحد سطح. بنابراين بیش تر روش های اندازه گيری نيرو، براي اندازه گيری فشار، کاربرد دارند. از مبدل هاي نيرو براي اندازه گيري جريان (فلو) نيز استفاده می شود.
تعيين ميزان نيروی به كار رفته به يك جرم معین، مشخص كننده شتابی است كه به جرم وارد می 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.
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 بين تنش و كرنش يكي از مفاهيم اصلي علم مكانيك و مواد بوده و از موضوعات مورد توجه تحليلگران تنش می باشد.
تعریف کرنش (Strain) و فرمول کرنش
هنگامی که نيرويی 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
تعریف تنش (Stress) و فرمول تنش
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 نهايی 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 می كند. نقطه توان نهايی 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.
