کرنش سنج یا استرین گیج (Strain Gauge) نوعی مبدل نیرو است که مقدار نیروی کرنش وارد به جسم را اندازه‌گیری می کند،کرنش‌سنج‌ها نوعی سنسور الکتریکی هستند که معمولاً به صورت نوارهای نازکی از فلز یا نیمه‌رسانا بوده که به سطح جسمی که می‌خواهند کرنش آن را اندازه‌گیری کنند، متصل می‌شوند. در این مقاله می‌خواهیم چگونگی اندازه‌گیری کرنش با استفاده از کرنش سنج و همچنین انواع کرنش سنج را شرح می‌دهیم.
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 (سلول های بار)
در این مقاله قصد داریم تا درباره کرنش سنج یعنی قسمت دوم مبدل های نیرو صحبت کنیم.
کرنش سنج چیست؟
تعریف کرنش سنج (Strain Gauge)
چگونگی اندازه گیری کرنش با استفاده از کرنش سنج
انواع کرنش سنج ها
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 های نيمه هادي (Semiconductor Gauge)
- گيج های مقاومت كربنی (Carbon-Resistor Gauge)
- سيم درهم پيچيده فلزي (Bonded Metallic Wire Gauge)
- گيج های مقاومتی فويلی (Bonded Foil Resistance)
مقاومت های پيزو (Piezo Resistive)
مقاومت پیزو (Piezoresistivity) یک خاصیت مواد است که به تغییر مقاومت الکتریکی آنها در پاسخ به تنش مکانیکی اشاره دارد. این پدیده اساس عملکرد کرنش سنج‌های پیزومقاومتی است که برای اندازه‌گیری کرنش (تغییر شکل) در مواد استفاده می‌شوند.
هنگامی که یک ماده تحت تنش مکانیکی (مانند کشش یا فشردگی) قرار می‌گیرد، ساختار اتمی آن تغییر می‌کند. این تغییر ساختاری باعث تغییر در تعداد حامل‌های بار آزاد در ماده می‌شود. حامل‌های بار آزاد الکترون‌هایی هستند که می‌توانند به طور آزادانه در ماده حرکت کنند و جریان الکتریکی را هدایت کنند. با افزایش تعداد حامل‌های بار آزاد، مقاومت الکتریکی ماده کاهش می‌یابد. برعکس، با کاهش تعداد حامل‌های بار آزاد، مقاومت الکتریکی ماده افزایش می‌یابد. در مواد پیزورزیستی، این تغییر در مقاومت الکتریکی به طور خطی با کرنش اعمال شده متناسب است. به این معنی که هر چه کرنش بیشتر باشد، تغییر مقاومت الکتریکی نیز بیشتر خواهد بود.
گيج های نيمه هادی(Semiconductor Gauge)
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.
گيج هاي مقاومت کربنی (Carbon-Resistor Gauge)
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.
سيم درهم پيچيده فلزي (Bonded Metallic Wire Gauge)
گيج هاي مقاومتي فويلي (Bonded Foil Resistance)
خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا
استرین گیج 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 Unbonded 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 استرین گیج، 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 استرین گیج 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 استرین گیج 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.
سخن پایانی
در این مقاله آموختیم که کرنش سنج یا استرین گیج سنسوری است که جهت اندازه‌گیری تغییر شکل یا نیروی کرنش در اجسام مورد استفاده قرار می‌گیرد. کرنش سنج را به سطح یک جسم مانند تیر یا پل می‌چسبانیم. زمانی که نیرویی به این جسم وارد می‌شود، شکل آن کمی تغییر می‌کند. این تغییر شکل در واقع همان کرنش می‌باشد. کرنش سنج از یک فویل نازک فلزی رسانا ساخته شده است. با تغییر شکل جسم، طول و سطح مقطع فویل فلزی نیز به طور جزئی تغییر می‌کند. این تغییر ابعاد، مقاومت الکتریکی فویل فلزی را نیز به طور قابل اندازه‌گیری تغییر می‌دهد. 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.
