Reekstrekkers Onder de Loep: Hoe Ze Mechanische Spanning Omzetten in Preciese Elektrische Signalen

Een passieve transducer, zoals een reekstrekker, transformeert mechanische verplaatsing in een verandering in weerstand. Het is een dun, wafer-achtig apparaat dat toegepaste rekking meet en aan diverse materialen verbonden kan worden met een geschikte lijm. De resulterende rekking deformeert de reekstrekker die aan de structuur bevestigd is, zodra deze onder spanning gezet wordt. Het verhoogt de resistiviteit van de meetstreep, wat resulteert in een elektrisch signaal evenredig met de deformatie. Wanneer het aan een verplaatsing onderworpen wordt, omvat de reekstrekker verplaatsingssensor een structuur bevestigd aan de reekstrekker die elastisch deformeert.

In dit artikel leert u de definitie, toepassing, eisen, onderdelen, diagram, typen, werking, voor- en nadelen van een reekstrekker.

Wat is een reekstrekker?

Een reekstrekker (ook wel reekstrekker geschreven) is een apparaat dat de hoeveelheid rekking op een item meet. De meest voorkomende type reekstrekker, uitgevonden door Edward E. Simmons en Arthur C. Ruge in 1938, bestaat uit een isolerende flexibele rug die een metaalfoliepatroon ondersteunt. Een geschikte lijm, zoals cyanoacrylaat, wordt gebruikt om de meetstreep aan het item te verbinden. Naarmate het object deformeert, deformeert de folie ook, wat de elektrische weerstand verandert. De meetfactor is een hoeveelheid die verbonden is met de weerstandsverandering, die gewoonlijk gemeten wordt met een Wheatstone-brug.

Ingenieurs gebruiken reekstrekkers vaak om de invloed van externe krachten op een object te meten. Ze meten rekking direct, wat gebruikt kan worden om spanning, koppel, druk, afbuiging, en diverse andere metrics af te leiden.

Rekking is een dimensieloze meting, dat is een verhouding van de gewijzigde lengte van een object tot de oorspronkelijke lengte. Als resultaat treedt een positieve rekking op wanneer een materiaal gerekt wordt, terwijl een negatieve rekking optreedt wanneer een materiaal gecomprimeerd wordt. Spanning gedefinieerd als de toegepaste kracht gedeeld door de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het object of het interne weerstandsvermogen van het object.

Toepassing

Reekstrekkers worden veelvuldig gebruikt in de civiele techniek en geotechnische monitoring om afbraak in structuren zoals bruggen, gebouwen, en andere structuren te identificeren. Omdat enige aanzienlijke deformatie kan leiden tot letsel of dood, moeten deze structuren constant gemonitord worden. Deze meetstrepen worden wijd gebruikt vanwege hun hoge precisie, vermogen om op grote afstanden van het testobject te functioneren, en gemak van installatie en onderhoud over lange periodes.

Testen in de open lucht is vaak niet hetzelfde als testen in een lab onder ideale omstandigheden. Een van de redenen waarom reekstrekkers zo waardevol zijn, is dat ze in extreme omstandigheden gebruikt kunnen worden en betrouwbare, hoge-precisie data produceren. Een gespecialiseerd apparaat zoals een reekstrekker is vaak vereist wanneer een ingenieur producten met onregelmatige vormen test in harde locaties met moeilijk toegankelijke opstellingen. Bijvoorbeeld, miljoenen reekstrekkers worden in luchtvaarttoepassingen gebruikt om de resultaten van CAD (Computer-Aided Design) en FEA (Finite Element Analysis) simulaties te controleren. Deze tests worden vaak onder dynamische omstandigheden uitgevoerd om een realistische weergave te geven van hoe diverse krachten vliegtuigen beïnvloeden.

Statische testen worden ook routinematig met reekstrekkers gedaan. Draadloze telemetrie wordt door sommige bruggen gebruikt, die de testresultaten via Ethernet versturen. Andere bruggen, aan de andere kant, worden aan visuele inspectie of penetranttesten onderworpen om oppervlaktedefecten te detecteren. Hoewel deze technologieën kosteneffectief zijn, staan ze geen continue inspectie toe, wat kan leiden tot catastrofale instortingen zoals de I-35 Minneapolis staal kruisbrug. De federale overheid wijzigde de brug in 1990 als "structureel zwak", wat betekende dat het jaarlijkse inspecties moest ondergaan. De brug instorte uiteindelijk in 2007, met 13 doden, door gebrek aan continue reekstrekkermonitoring, significante reparaties, of vervanging. De volgende zijn de veelvoorkomende toepassingen van een reekstrekker:

• Meting van rekking
• Meting van resterende spanning
• Trillingsanalyse
• Meting van koppel
• Meting van buiging en afbuiging
• Meting van compressie en trekking

Eis aan reekstrekkermateriaal

Een goede reekstrekker moet in staat zijn om het volgende te doen:

• De reekstrekker moet bescheiden in afmeting en licht in gewicht zijn.
• Het moet extreem gevoelig zijn voor rekking.
• De meetfactor van een reekstrekker moet hoog zijn.
• Het moet eenvoudig aan het monster te bevestigen zijn.
• Het moet een snelle reactietijd en weinig tijdsvertraging hebben.
• Het moet in staat zijn om het verschil te maken tussen statische, transiente, en dynamische rekking.
• Het moet in staat zijn om informatie op afstand aan te geven en vast te leggen.
• Temperatuur, vochtigheid, trilling, en andere omgevingsfactoren mogen het niet beïnvloeden.
• Het moet betaalbaar, betrouwbaar, en gemakkelijk beschikbaar in diverse maten zijn.

Diagram van een reekstrekker:

Typen reekstrekkers

Er zijn diverse typen reekstrekkers op de markt beschikbaar. De volgende zijn de diverse typen reekstrekkers:

• Lineaire reekstrekkers
• Membraan roset reekstrekkers
• Dubbele lineaire reekstrekkers
• Volle brug reekstrekkers
• Schuif reekstrekkers
• Half-brug reekstrekkers
• Kolom reekstrekkers
• 45°-Roset (3 meetrichtingen)
• 90°-Roset (2 meetrichtingen).

Hieronder volgen enkele andere typen reekstrekkers waar u tegen kunt aanlopen:

Halfgeleider reekstrekkers, ook wel piezoresistieve genoemd, worden over het algemeen bevorzugd boven folie meetstrepen voor het meten van kleine rekkingen. De meetfactor van een halfgeleider meetstreep is meestal hoger dan die van een folie meetstreep. Halfgeleider meetstrepen zijn vaak duurder, meer temperatuursgevoelig, en kwetsbaarder dan folie meetstrepen.

Reekstrekkers gemaakt van nanopartikelen lijken een veelbelovende nieuwe techniek. Vanwege hun hoge impedantie, hebben deze weerstandssensoren met een actief gebied bestaande uit een samenstelling van geleidende nanopartikelen, zoals goud of koolstof, een hoge meetfactor, een groot vervormingsbereik, en laag elektrisch verbruik.

Een kwik-in-rubber reekstrekker wordt gebruikt in biologische metingen, met name bloedstroom en weefselzwelling. Deze reekstrekker bestaat uit een kleine hoeveelheid vloeibaar kwik ingesloten in een kleine rubberen buis die om een teen of been gewikkeld is, bijvoorbeeld. Wanneer een lichaamsdeel zwelt, zorgt dit ervoor dat de buis zich uitrekt, wat het zowel langer en dunner maakt, wat de elektrische weerstand verhoogt.

Om rekking langs een optische vezel te meten, kan vezeloptische sensing gebruikt worden. Metingen kunnen op willekeurige locaties langs de vezel of op gespecificeerde punten gedaan worden. Ingesloten sensoren van dit type worden gebruikt op de 2010 America's Cup boten Alinghi 5 en USA-17.

Rekkingen kunnen ook gemeten worden met andere optische technieken zoals elektronische stipjespatroon interferometrie of digitale beeldcorrelatie.

Microschaal reekstrekkers worden vaak in MEMS gebruikt om spanningen te monitoren veroorzaakt door kracht, versnelling, druk, of geluid. MEMS versnellingsmeters worden bijvoorbeeld veelvuldig gebruikt om airbags in auto's te activeren. Geïntegreerde optische ringresonatoren kunnen gebruikt worden om rekking in micro-opto-elektro-mechanische systemen te monitoren (MOEMS) als alternatief voor piezoresistieve reekstrekkers.

Een variabele condenser wordt in capacitieve reekstrekkers gebruikt om het niveau van mechanische vervorming te detecteren.

Geotechnische en civiele technische toepassingen gebruiken trillende draad reekstrekkers. Een trillende, gespannen draad maakt de meetstreep uit. De rekking wordt berekend door de resonantiefrequentie van de draad te bepalen (een toename in spanning verhoogt de resonantiefrequentie).

Geotechnische toepassingen gebruiken ook kwikskristal reekstrekkers. DART's cruciale sensor is een druksensor met een resonante kwikskristal reekstrekker en een bourdoen buiskrachtverzamelaar. DART detecteert tsunami golven op de diepste diepten van de oceaan. Bij het monitoren van druk op een diepte van diverse kilometers, heeft het een drukoplossing van ongeveer 1mm water.

Werkingsprincipe

De werking van een reekstrekker is tamelijk interessant, het is minder complex en gemakkelijk te begrijpen. Bekijk de onderstaande video om een visueel beeld te krijgen van hoe een reekstrekker werkt.

Voor- en nadelen van een reekstrekker

Voordelen:

De volgende zijn de voordelen van een reekstrekker in de diverse toepassingen:

• Omdat er geen bewegend deel is, is er geen slijtage.
• Reekstrekkers zijn extreem nauwkeurig.
• Het is compact en laagprijs.
• Het heeft een wijd frequentiebereik.

Nadelen:

Ondanks de voordelen van een reekstrekker, treden nog steeds enkele beperkingen op. Hieronder volgen de nadelen van reekstrekkers in hun diverse toepassingen.

• Het is een niet-lineair systeem.
• Het is extreem temperatuursgevoelig.
• Het moet regelmatig gekalibreerd worden.
• Reekstrekkers moeten handmatig toegepast worden. Het kost tijd en geld om ze op hun juiste plaatsen te zetten. Het is een van hun meest ernstige gebreken.

Conclusie

Een passieve transducer, zoals een reekstrekker, transformeert mechanische verplaatsing in een verandering in weerstand. Het is een dun, wafer-achtig apparaat dat toegepaste rekking meet en aan diverse materialen verbonden kan worden met een geschikte lijm. De resulterende rekking deformeert de reekstrekker bevestigd aan de structuur zodra deze onder spanning gezet wordt. Dit was het voor dit artikel, waar de definitie, toepassing, eisen, onderdelen, diagram, typen, werking, voor- en nadelen van een reekstrekker besproken zijn.

Ik hoop dat u er veel van geleerd heeft. Deel het graag met andere studenten. Bedankt voor het lezen, tot de volgende keer!