Strain Meters

Als een strook geleidend metaal wordt uitgerekt, wordt deze dunner en langer, beide veranderingen resulterend in een end-to-end toename van de elektrische weerstand. Omgekeerd, als een strook geleidend metaal onder drukkracht wordt geplaatst (zonder te knikken), zal deze breder en korter worden. Als deze spanningen binnen de elastische limiet van de metalen strip worden gehouden (zodat de strip niet permanent vervormt), kan de strip worden gebruikt als meetelement voor fysieke kracht, de hoeveelheid uitgeoefende kracht die wordt afgeleid uit het meten van de weerstand.

Wat is een rekstrookje?

Zo'n apparaat heet een rekstrookje . Spanningsmeters worden vaak gebruikt in werktuigbouwkundig onderzoek en ontwikkeling om de spanningen te meten die door machines worden gegenereerd. Het testen van vliegtuigcomponenten is een toepassingsgebied, kleine rekstrookjes die zijn gelijmd op structurele onderdelen, verbindingen en elk ander cruciaal onderdeel van een casco om spanning te meten. De meeste rekstrookjes zijn kleiner dan een postzegel en zien er ongeveer zo uit:

De geleiders van een rekstrookje zijn erg dun:indien gemaakt van ronde draad, ongeveer 1/1000 inch in diameter. Als alternatief kunnen spanningsmetergeleiders dunne stroken van de metaalfilm zijn die zijn afgezet op een niet-geleidend substraatmateriaal dat de drager wordt genoemd . De laatste vorm van het rekstrookje is weergegeven in de vorige afbeelding. De naam "bonded gauge" wordt gegeven aan rekstrookjes die onder spanning op een grotere structuur zijn gelijmd (het testexemplaar genoemd). ). De taak om rekstrookjes aan testspecimens te hechten lijkt misschien heel eenvoudig, maar dat is het niet. "Meten" is een vak apart, absoluut essentieel voor het verkrijgen van nauwkeurige, stabiele spanningsmetingen. Het is ook mogelijk om een ​​niet-gemonteerde meetdraad te gebruiken die tussen twee mechanische punten is gespannen om de spanning te meten, maar deze techniek heeft zijn beperkingen.

Rekstrookweerstand

Typische rekstrookweerstanden variëren van 30 tot 3 kΩ (onbelast). Deze weerstand kan slechts een fractie van een procent veranderen voor het volledige krachtbereik van de meter, gezien de beperkingen die worden opgelegd door de elastische limieten van het materiaal van de meter en van het testmonster. Krachten die groot genoeg zijn om grotere weerstandsveranderingen teweeg te brengen, zouden het testmonster en/of de meetgeleiders zelf permanent vervormen, waardoor de meter als meetinstrument zou worden vernietigd. Om de rekstrook dus als praktisch instrument te gebruiken, moeten we extreem kleine weerstandsveranderingen met hoge nauwkeurigheid meten.

Brugmeetcircuit

Een dergelijke veeleisende precisie vraagt ​​om een ​​brugmeetcircuit. In tegenstelling tot de Wheatstone-brug die in het laatste hoofdstuk is getoond met behulp van een nulbalansdetector en een menselijke operator om een ​​evenwichtstoestand te handhaven, geeft een spanningsmeterbrugcircuit de gemeten spanning aan door de mate van onbalans , en maakt gebruik van een precisie voltmeter in het midden van de brug om een ​​nauwkeurige meting van die onbalans te geven:

Meestal is de reostaatarm van de brug (R₂ in het diagram) is ingesteld op een waarde die gelijk is aan de weerstand van het rekstrookje zonder dat er kracht wordt uitgeoefend. De twee verhoudingsarmen van de brug (R₁ en R₃ ) zijn gelijk aan elkaar. Dus, zonder dat er kracht op het rekstrookje wordt uitgeoefend, zal de brug symmetrisch gebalanceerd zijn en zal de voltmeter nul volt aangeven, wat een nulkracht op het rekstrookje vertegenwoordigt. Als de spanningsmeter wordt samengedrukt of gespannen, zal de weerstand respectievelijk afnemen of toenemen, waardoor de brug uit balans raakt en een indicatie op de voltmeter wordt geproduceerd. Deze opstelling, waarbij een enkel element van de brug de weerstand verandert in reactie op de gemeten variabele (mechanische kracht), staat bekend als een kwartbrug circuit.

Aangezien de afstand tussen het rekstrookje en de drie andere weerstanden in het brugcircuit aanzienlijk kan zijn, heeft de draadweerstand een aanzienlijke invloed op de werking van het circuit. Om de effecten van draadweerstand te illustreren, laat ik hetzelfde schematische diagram zien, maar voeg twee weerstandssymbolen toe in serie met de spanningsmeter om de draden weer te geven:

Draadweerstanden

De weerstand van de rekstrookje (R_meter ) is niet de enige weerstand die wordt gemeten:de draadweerstanden R_wire1 en R_wire2 , in serie met R_gauge , dragen ook bij aan de weerstand van de onderste helft van de reostaatarm van de brug en dragen bijgevolg bij aan de indicatie van de voltmeter. Dit wordt natuurlijk door de meter verkeerd geïnterpreteerd als fysieke belasting van de meter.

Hoewel dit effect in deze configuratie niet volledig kan worden geëlimineerd, kan het worden geminimaliseerd door de toevoeging van een derde draad, die de rechterkant van de voltmeter rechtstreeks verbindt met de bovenste draad van de spanningsmeter:

Omdat de derde draad praktisch geen stroom voert (vanwege de extreem hoge interne weerstand van de voltmeter), zal de weerstand ervan geen substantiële hoeveelheid spanning laten dalen. Merk op hoe de weerstand van de bovenste draad (R_wire1 ) is "omzeild" nu de voltmeter rechtstreeks is aangesloten op de bovenste klem van de rekstrookje, waardoor alleen de weerstand van de onderste draad (R_wire2 ) om eventuele verdwaalde weerstand in serie met de meter bij te dragen. Geen perfecte oplossing natuurlijk, maar twee keer zo goed als het laatste circuit!

Er is echter een manier om draadweerstandsfouten te verminderen die veel verder gaan dan de zojuist beschreven methode, en ook om een ​​ander soort meetfout als gevolg van temperatuur te verminderen.

Weerstandsverandering in temperatuur

Een ongelukkig kenmerk van rekstrookjes is dat de weerstand verandert met veranderingen in temperatuur. Dit is een eigenschap die alle geleiders gemeen hebben, de een meer dan de ander. Dus ons kwartbrugcircuit zoals weergegeven (met twee of met drie draden die de meter met de brug verbinden) werkt net zo goed als een thermometer als een spanningsindicator. Als we alleen de belasting willen meten, is dat niet goed. We kunnen dit probleem echter overstijgen door een "dummy" rekstrookje te gebruiken in plaats van R₂ , zodat beide elementen van de reostaatarm veranderen de weerstand in dezelfde verhouding als de temperatuur verandert, waardoor de effecten van temperatuurverandering worden opgeheven:

Weerstanden R₁ en R₃ hebben dezelfde weerstandswaarde en de rekstrookjes zijn identiek aan elkaar. Zonder uitgeoefende kracht moet de brug in een perfect uitgebalanceerde staat zijn en moet de voltmeter 0 volt registreren. Beide meters zijn verbonden met hetzelfde testexemplaar, maar slechts één is in een positie en oriëntatie geplaatst om te worden blootgesteld aan fysieke belasting (de actieve graadmeter). De andere meter is geïsoleerd van alle mechanische belasting en fungeert slechts als een temperatuurcompensatieapparaat (de “dummy” graadmeter). Als de temperatuur verandert, veranderen beide meterweerstanden met hetzelfde percentage en blijft de balans van de brug onaangetast. Alleen een differentiële weerstand (weerstandsverschil tussen de twee rekstrookjes) geproduceerd door fysieke kracht op het testmonster kan de balans van de brug veranderen.

De draadweerstand heeft niet zoveel invloed op de nauwkeurigheid van het circuit als voorheen, omdat de draden die beide rekstrookjes met de brug verbinden ongeveer even lang zijn. Daarom bevatten de bovenste en onderste delen van de reostaatarm van de brug ongeveer dezelfde hoeveelheid verdwaalde weerstand, en hun effecten hebben de neiging om te annuleren:

Kwartbrug en halve brugcircuits

Ook al zijn er nu twee rekstrookjes in het brugcircuit, er is er maar één die reageert op mechanische belasting, en daarom zouden we deze opstelling nog steeds een kwartbrug noemen. . Als we echter het bovenste rekstrookje zouden nemen en het zo positioneren dat het wordt blootgesteld aan de tegenovergestelde kracht als het onderste kaliber (dwz wanneer het bovenste rekstrookje wordt samengedrukt, zal het onderste rekstrookje worden uitgerekt en vice versa), dan zullen we heb beide meters reageren op spanning, en de brug zal beter reageren op uitgeoefende kracht. Dit gebruik staat bekend als een halve brug . Aangezien beide rekstrookjes de weerstand met dezelfde verhouding zullen verhogen of verlagen als reactie op temperatuurveranderingen, blijven de effecten van temperatuurverandering geannuleerd en zal het circuit minimale temperatuurgeïnduceerde meetfouten ondervinden:

Een voorbeeld van hoe een paar rekstrookjes aan een testmonster kan worden bevestigd om dit effect te verkrijgen, wordt hier geïllustreerd:

Omdat er geen kracht op het testmonster wordt uitgeoefend, hebben beide rekstrookjes dezelfde weerstand en is het brugcircuit gebalanceerd. Wanneer er echter een neerwaartse kracht wordt uitgeoefend op het vrije uiteinde van het preparaat, zal het naar beneden buigen, waarbij maat #1 wordt uitgerekt en maat #2 tegelijkertijd wordt samengedrukt:

Volledige-brugcircuits

In toepassingen waar dergelijke complementaire paren rekstrookjes aan het testmonster kunnen worden gehecht, kan het voordelig zijn om alle vier de elementen van de brug "actief" te maken voor een nog grotere gevoeligheid. Dit heet een volledige brug circuit:

Zowel configuraties met halve als volledige brug bieden een grotere gevoeligheid over het kwartbrugcircuit, maar vaak is het niet mogelijk om complementaire paren rekstrookjes aan het testmonster te hechten. Zo wordt het kwartbrugcircuit vaak gebruikt in rekmeetsystemen.

Indien mogelijk is de configuratie met volledige brug het beste om te gebruiken. Dit is niet alleen waar omdat het gevoeliger is dan de andere, maar ook omdat het lineair . is terwijl de anderen dat niet zijn. Kwartbrug- en halfbrugcircuits leveren een uitgangssignaal (onbalans) dat slechts ongeveer is evenredig met de uitgeoefende rekstrookkracht. De lineariteit of evenredigheid van deze brugcircuits is het beste wanneer de hoeveelheid weerstandsverandering als gevolg van de uitgeoefende kracht erg klein is in vergelijking met de nominale weerstand van de meter (en). Bij een volledige brug is de uitgangsspanning echter recht evenredig met een uitgeoefende kracht, zonder benadering (op voorwaarde dat de verandering in weerstand veroorzaakt door de uitgeoefende kracht gelijk is voor alle vier de rekstrookjes!).

In tegenstelling tot de Wheatstone- en Kelvin-bruggen, die metingen leveren in een toestand van perfecte balans en daarom functioneren ongeacht de bronspanning, is de hoeveelheid bronspanning (of "excitatie") van belang in een ongebalanceerde brug als deze. Daarom worden rekstrookbruggen beoordeeld in millivolt onbalans geproduceerd per volt van opwinding, per eenheidsmaat voor kracht. Een typisch voorbeeld van een rekstrookje van het type dat wordt gebruikt voor het meten van kracht in industriële omgevingen is 15 mV/V bij 1000 pond. Dat wil zeggen, bij precies 1000 pond uitgeoefende kracht (druk of trek), zal de brug 15 millivolt uit balans zijn voor elke volt van de excitatiespanning. Nogmaals, zo'n cijfer is nauwkeurig als het brugcircuit volledig actief is (vier actieve rekstrookjes, één in elke arm van de brug), maar alleen bij benadering voor halfbrug- en kwartbrugopstellingen.

Rekstrookjes kunnen worden gekocht als complete eenheden, met zowel rekstrookelementen als brugweerstanden in één behuizing, afgedicht en ingekapseld voor bescherming tegen de elementen, en uitgerust met mechanische bevestigingspunten voor bevestiging aan een machine of constructie. Zo'n pakket wordt meestal een laadcel genoemd .

Net als veel van de andere onderwerpen die in dit hoofdstuk aan de orde komen, kunnen rekstrooksystemen behoorlijk complex worden, en een volledige dissertatie over rekstrookjes zou buiten het bestek van dit boek vallen.

BEOORDELING:

• Een rekstrookje is een dunne strook metaal die is ontworpen om mechanische belasting te meten door de weerstand te veranderen bij stress (uitgerekt of samengedrukt binnen de elastische limiet).
• Weerstandsveranderingen van de spanningsmeter worden meestal gemeten in een brugcircuit, om nauwkeurige meting van de kleine weerstandsveranderingen mogelijk te maken en om weerstandsvariaties als gevolg van temperatuur te compenseren.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad DC-brugcircuits