کرنش سنج (Strain Gauge)
در مبدل های نیرو، يكي از مهم ترين متغیرهای مدار الكتريكي كه متناسب با كرنش تغيير مي كند، مقاومت الكتريكي است. قطعاتی كه خروجي آن ها از این متغیر تاثیر می پذیرد، عبارت هستند از:
- مقاومت هاي پيزو (Piezo Resistive)
- گيج هاي نيمه هادي (Semiconductor Gauge)
- گيج هاي مقاومت كربني (Carbon-Resistor Gauge)
- سيم درهم پيچيده فلزي (Bonded Metallic Wire Gauge)
- گيج هاي مقاومتي فويلي (Bonded Foil Resistance)
گيج هاي مقاومت کربنی
متداول ترین نوع گيج هاي مقاومتي هستند. قيمت پایین و حساسیت بالا نسبت به كرنش از ویژگی های مهم این قطعات بوده و از دما و رطوبت محيط نیز به سرعت، تاثیر می پذیرند كه اين موضوع از معايب گيج هاي مقاومت کربنی است.
گيج هاي نيمه هادي
بر مبنای اثر پیزومقاومتی (Effect Resistive-Piezo) در گروهی از مواد نيمه هادي هم چون سيليكون و ژرمانيوم ساخته می شوند. اين گيج ها خاصيت الاستيكي داشته و قابلیتی در ساخت آن ها وجود دارد كه وقتي تحت نيروي كرنش قرار می گیرند، تغيیراتی هم مثبت و هم منفي در مقاومت آن ها ايجاد می شود. آنها مي توانند در ابعاد بسيار كوچك اما مقاومت نامی بالا، ساخته شوند.
دامنه كرنش اين نوع گيج ها در محدوده 100 تا 10000 µε بوده، حساسيتشان در مقابل این نیرو، بسيار زياد اما غير خطي است و نسبت به دماي محيط حساس هستند. تغییرات خروجي زیاد اين نوع گيج در اثر تغييرات بالاي مقاومت در حد 10 تا 20 درصد، زمانی كه در يك پل مقاومتي مورد استفاده قرار بگيرد، موجب ايجاد اختلال می شود.
كرنش سنج هاي مقاومتی چسبیده (باند شده: Bonded)
دو نوع کرنش سنج وجود دارد : Bonded , Unbonded. کرنش سنج های Bonded از متداول ترین نوع كرنش سنج ها بوده كه امروزه كاربرد هاي عملي گوناگونی دارند. این دستگاه، شامل شبكه ای از سيم هاي بسیار ظريف (Bonded Metallic Wire Gauge) يا ورقه اي فويل فلزي (Bonded Foil Resistance)، (متداول تر) است كه به ورقه ای نازك و از جنس عايقی با نام ماتريس حمل كننده (Carrier Matrix)، متصل شده است.این نوع کرنش سنج ها می توانند هم کرنش کششی و هم کرنش فشاری را اندازه گیری کنند در حالی که کرنش سنج های UnBondede تنها کرنش کششی را اندازه گیری می کنند.
مقاومت الكتريكي اين نوع كرنش سنج، به صورت خطي، با كرنش تغيير مي كند. هنگام استفاده از كرنش سنج، ماتريس حمل كننده توسط چسب به بدنه ماده مورد آزمايش متصل مي گردد. زمانی كه بدنه ماده مورد آزمايش تحت بار قرار مي گيرد، كرنش در سطح آن از طريق چسب به ماتريس حمل كننده منتقل می شود. اين كرنش با استفاده از تغيير مقاومت الكتريكي در موادی که مورد استفاده قرار گرفته، اندازه گيري مي شود.
شکل (1). كرنش سنج مقاومتی چسبیده (باند شده).1
شكل زير تصويري از يك كرنش سنج مقاومتی چسبیده با فويل كنستانتان و ماتريس حمل كننده از جنس پلي آميد مي باشد:
شکل (2). کرنش سنج مقاومتی چسبیده (باند شده).2
كرنش سنج هاي مقاومتی چسبیده، داراي مشخصات زير مي باشند:
- قیمت پایین
- طول کم گيج
- حساسیت پایین به دما
- ابعاد كوچك
- جرم كم
- حساسيت بالا به كرنش
- مناسب براي اندازه گيري كرنش هاي استاتيك و ديناميك
زمانی که يك هادي فلزي تحت كرنش قرار گيرد، مقاومت آن تغيير مي كند و اين تغيير مقاومت است كه در كرنش سنج مورد استفاده قرار مي گيرد. اندازه گيري اين تغيير مقاومت با كرنش، گيج فاكتور (Gauge Factor) ناميده مي شود. GF عبارت است از نسبت تغييرات جزئي مقاومت به تغييرات جزئي طول (كرنش) در راستاي محور كرنش سنج. این پارامتر يك كميت بدون ديمانسيون مي باشد و هر قدر بزرگ تر باشد، نشان دهنده حساسيت بيش تر كرنش سنج بوده و با رابطه زير بيان مي شود:
در حالت ایده آل، در گیج های کرنش، تغییرات مقاومت، تنها ناشی از تنش جسم مورد آزمایش است. اما در عمل، تغییرات مقاومتی و در نتیجه حساسیت کرنش همه مواد شناخته شده، با تغییرات دما تغییر می کند. به همین دلیل، به طور قطع، مقاوت گیج و گيج فاكتور با تغییرات دما تغییر خواهند کرد.
به صورتی ساده، مقاوت یک هادی در دمای مشخص (T) عبارت است از:
که در آن:
RT : مقاومت در دمای T
RT0 : مقاومت در دمای T0
α0 : ضریب دما
ΔT: تغییرات دما
می باشند.
