Rekstrekkers: precisiemeting van mechanische spanning

Wanneer een slank, geleidende metalen strip gerekt wordt, wordt hij dunner en langer, wat de eind-tot-eind elektrische weerstand verhoogt. Integen, het comprimeren van de strip (zonder knikken) maakt hem wijder en korter, wat de weerstand verlaagt. Door de vervorming binnen de elastische grens van het metaal te houden, worden de weerstandsveranderingen van de strip een betrouwbare indicator van toegepaste mechanische kracht.

Wat is een rekstrekkers?

Een apparaat dat dit principe exploiteert heet een rekstrekkers. Wijd gebruikt in mechanisch engineering R&D, stellen rekstrekkers de kwantificering van spanningen in alles van industriële machines tot vliegtuigcomponenten mogelijk. Typische strekkers zijn kleiner dan een postzegel en lijken op de onderstaande figuur:

Rekstrekkers geleiders zijn ultra-dun: als geconstrueerd als ronde draad, meten ze ruwweg 1/1000 inch in diameter. Alternatief kan een metalen film op een niet-geleidend substraat—bekend als de drager—gedeponeerd worden om een gegolde strekkers te vormen. Het bevestigen van een strekkers aan een testmonster (de structuur onder test) is een vakkundige procedure; accurate, stabiele rekuitlezingen hangen af van minutieuze oppervlaktevoorbereiding, lijmselectie, en uitlijning.

Rekstrekkers weerstand

Onbelaste strekkers vertonen typisch weerstanden variërend van 30 Ω tot 3 kΩ. Omdat de elastische grenzen van zowel de strekkers als het monster de maximaal toelaatbare rek beperken, is de corresponderende weerstandsverandering vaak slechts enkele tienden van een procent. Gevolgelijk vereist het detecteren van dergelijke minute variaties uiterst precisie instrumentatie; anders zou elke overmatige kracht de strekkers of het monster permanent vervormen, wat de meting ongeldig maakt.

Brugmeetschakeling

Om deze subtiele weerstandsveranderingen vast te leggen, wordt een Wheatstone-type brugschakeling gebruikt. In tegenstelling tot de klassieke brug die een nulconditie zoekt, rapporteert een rekstrekkers-brug rek door de mate van onbalans, gemeten door een hoge-resolutie voltmeter gepositioneerd in het midden van de brug:

In een typische kwart-brug configuratie is de reostat-arm (R₂) voor-afgestemd op de onbelaste weerstand van de strekkers, terwijl de twee verhoudingsarmen (R₁ en R₃) gematcht zijn. Wanneer de strekkers spanning of compressie ervaart, verschuift de weerstand, wat de brug onbalans maakt en een meetbare spanning produceert.

Draadweerstanden

Omdat de strekkers en de kabels ervan op significante afstand van elkaar kunnen liggen, kan de serieweerstand van de bedrading (R_draad1 en R_draad2) fouten introduceren door bij te dragen aan de totale weerstand van de lagere reostat-arm. Deze streuweerstand kan door de voltmeter geïnterpreteerd worden als rek.

Hoewel het onmogelijk is om dit effect volledig te elimineren, kan het gemitigeerd worden door een derde kabel toe te voegen die de positieve klem van de voltmeter direct verbindt met de bovenste knoop van de strekkers:

Met de derde kabel die verwaarloosbare stroom draagt, beïnvloedt de weerstand ervan de spanningsdeling niet. Deze rangschikking omzeilt effectief de weerstand van de bovenste kabel, waardoor alleen de serieweerstand van de onderste kabel de meting beïnvloedt—het potentieel fout halverend ten opzichte van de twee-draad opstelling.

Temperatuurcompensatie

Alle geleiders vertonen een temperatuurafhankelijke weerstandsverandering, wat ware reksignalen kan maskeren. Een robuuste oplossing is het inzetten van een dummy strekkers in plaats van de reostat-arm (R₂) zodat beide armen van de brug proportioneel met temperatuur hun weerstand veranderen. De schakeling wordt dan immuun voor temperatuurschommelingen omdat elke common-mode weerstandsverandering uit elkaar valt:

Hierbij blijven R₁ en R₃ gematcht, en zijn beide strekkers aan hetzelfde monster bevestigd. Alleen de strekkers blootgesteld aan mechanische rek (de actieve strekkers) varieert in weerstand met toegepaste kracht; de dummy-strekkers blijft vast, wat zorgt dat de brug-onbalans alleen rek weerspiegelt.

Kwart-brug en half-brug configuraties

Hoewel slechts één strekkers in de dummy-strekkers opstelling op rek reageert, wordt de configuratie nog steeds een kwart-brug genoemd. Door een tweede actieve strekkers aan de tegenoverliggende zijde van het monster te positioneren—zodat de ene strekkers compressie ervaart terwijl de andere rek ervaart—worden beide strekkers rekgevoelig. Deze half-brug rangschikking verdubbelt de gevoeligheid en onderdrukt temperatuureffecten verder, aangezien beide strekkers nog steeds identieke temperatuurcoëfficiënten delen.

Typische bevestigingslay-outs voor een half-brug zijn hieronder geïllustreerd:

Wanneer een neerwaartse belasting toegepast wordt,rekt strekkers #1 uit terwijl strekkers #2 comprimeert, wat een differentiële weerstand genereert die de brug-onbalans aandrijft.

Vol-brug schakelingen

Wanneer het monster complementaire strekkersparen op alle vier de armen kan accommoderen, wordt een vol-brug ingezet. Deze topologie maximaliseert gevoeligheid en lineariteit omdat elke arm actief rek volgt, wat zorgt dat de uitgangsspanning direct evenredig is met toegepaste kracht:

Vol-brug schakelingen zijn de voorkeur wanneer haalbaar. Ze bieden superieure nauwkeurigheid en een lineaire reactie vergeleken met kwart- of half-brug rangschikkingen, die alleen benaderende evenredigheid bieden tenzij de weerstandsverandering infinitesimaal blijft ten opzichte van de nominale strekkersweerstand.

Rekstrekkers-systemen worden vaak verkocht als geïntegreerde belastingcellen—afgedichte behuizingen die zowel de strekkerelementen als de brugweerstanden bevatten, beschermd tegen omgevingsfactoren en klaar voor mechanische bevestiging aan een structuur.

Omdat rekstrekkers-technologie ingewikkeld kan worden, is een toegewijde tractaat buiten de reikwijdte van dit artikel, maar de hierboven uiteengezette principes vormen de fundering voor betrouwbare mechanische spanningmeting.

Overzicht

• Een rekstrekkers is een dun metalen strip dat weerstand verandert onder elastische vervorming, wat krachtmeting mogelijk maakt.
• Weerstandsveranderingen worden uitgelezen met een brugschakeling, wat hoge precisie en temperatuurcompensatie biedt.

Gerelateerde Werkbladen

• DC Brugschakelingen Werkblad