Датчик деформации: Как работают датчики деформации?

Содержание

Как работают датчики деформации?

Тем не менее что же такое напряжение?

«Вы чувствуете напряжение? Напряги все силы! Не напрягайся!» В быту мы применяем эти понятия, закладывая в них иной смысл, нежели их принято применять в науке. Более того, это понятие оказалось настолько универсальным, что несколько разделов науки с удовольствием оперирует термином «напряжение». Оно может быть электрическим и измеряется в вольтах, а может быть механическим. Именно механическому напряжению посвящена данная статья.

Напряжение – это измерение того, какое внутреннее давление создается в материале, когда на него действует внешняя сила. Чем больше сила или меньше площадь, на которую она действует, тем больше вероятность того, что материал будет деформироваться (менять форму). Подобно давлению, мы измеряем напряжение путем деления силы, действующей на определенную область, на площадь этой определенной области, поэтому напряжение = сила / площадь.
Деформация — это то, что происходит в результате напряжения. Если материал подвергается воздействию силы, он часто меняет форму и становится немного длиннее (при растяжении) или короче (при сжатии). Деформация определяется как изменение длины (размера), вследствие воздействия силы, деленное на исходную длину (размер) материала. Поэтому, если вы потянете кусок резины длиной 10 см, и он растянется еще на 1 см и станет длиной 11 см, деформация составит 0,1.

Проверка прочности материала путем разрыва

Фото: этот лабораторный стенд предназначен для проверки прочности материала путем его разрыва. Тензометрические датчики, прикрепленные к материалу (в данном случае это алюминиевый цилиндрический образец), позволяют ученым изучать напряжения в материале и изменения при его деформации.

Напряжение материалов

Различные материалы ведут себя очень по-разному при одинаковом напряжении. Если вы натяните резиновый жгут, он соответственно растянется, перестанете тянут – жгут вернется к своей исходной длине. Когда материалы возвращаются к своей первоначальной форме и размеру после снятия усилия, мы говорим, что они претерпели упругую деформацию. Так ведут себя многие материалы, включая резину, некоторые пластмассы и многие металлы (которые, как вы, возможно, удивитесь, совершенно упруги при воздействии малых усилий). В конце концов, упругие материалы достигают точки, когда они не могут справиться с дополнительным напряжением и растягиваются постоянно. Такое изменение называется пластичной деформацией. Обратите внимание, что правильное значение пластика — это то, что сравнительно легко меняет форму. Вот почему пластмассы называют пластмассами: при изготовлении они легко формуются в разные формы.

Если вы инженер, то напряжения и деформации невероятно важны. При разработке чего-либо от автомобильного двигателя до моста, от ветряной мельницы до крыла самолета, вы знаете, что оно будет подвержено воздействию некоторых, порой довольно больших, сил. Могут ли материалы, которые вы планируете использовать, противостоять этим силам? Будут ли они незначительно упруго деформироваться и безопасно возвращаться к своей первоначальной форме и размеру? Будут ли они разрушаться после повторяющихся деформаций в следствие такого процесса, как, например, усталость металла (когда повторяющаяся деформация приводит к ослаблению металла и его внезапному разрыву). Вам нужно использовать что-то более упругое, чтобы обеспечить безопасность? А как это узнать? Вы можете сделать свои расчеты в лаборатории и попытаться выяснить это заранее. Вы даже можете создать сложные компьютерные/математические модели этого процесса. Тем не менее, только натурные испытания позволят вам проверить свои вычисления на предмет наличия ошибок, учесть ранее неучтенные факторы, применить не гипотетические образцы, а реальные вышедшие из реального производства. Надежный способ получить ответ о том, как материалы справляются с реальным напряжением — это использовать тензорезисторы, которые позволяют измерить даже самые незначительные изменения (за счет своей «аналоговости» они имеют практически бесконечную чувствительность).

Тензорезистором можно назвать датчик, который преобразует собственную деформацию в изменение собственных электрических характеристик, а поскольку его собственная деформация практически равна поверхностной деформации испытуемого материала, то можно сказать так: тензорезистор – это датчик, преобразующий поверхностную деформацию испытуемого материала в изменение собственных электрических характеристик. 

Тензометрическая колесная пара

Фото: Тензометрическая колесная пара для проведения натурных испытаний. Фото предоставлено одним из ведущих предприятий разработки и испытаний ж/д техники – ТИЦ ЖТ.

Однако путь к тензорезисторам был долог и сложен. Было предпринято множество способов измерения деформации, одни из которых применяются до сих пор. Рассмотрим это ниже.

Типы датчиков деформации

Существует пять основных типов датчиков деформации: механические, гидравлические, электрические, оптические и пьезоэлектрические. Давайте рассмотрим и сравним, как они работают.

Механические

Предположим, образовалась трещина в стене дома из-за проседания грунта и необходимо проверить, развивается ли эта трещина. Позвоним специалистам, и они, вероятно, приклеят кусок твердой плексигласовой пластмассы с линиями и шкалой прямо над трещиной, иногда называемый как трещинный монитор или пластинчатый маяк. При внимательном его рассмотрении вы обнаружите, что он фактически состоит из двух отдельных пластиковых слоев: один слой имеет линейчатую шкалу, а другой слой имеет стрелку или указатель. Вы приклеиваете один слой к одной стороне трещины и один слой к другой, чтобы, когда трещина открывалась, слои очень медленно скользили друг за другом, и вы могли видеть указатель, перемещающийся по шкале. В зависимости от того, как быстро развивается трещина, вы понимаете насколько быстро это проблему нужно решить!

Пластинчатый маяк

Фото: Пластинчатый маяк (изображение взято из интернет по следующему адресу:

https://zishop.toist.ru/nabor/nabor-monitoring-treshin-lajt/)

Некоторые подобные механические датчики еще более грубые, чем этот. Просто прикрепляется кусок пластика или стекла через трещину и ожидаем, когда он разрушится при развитии трещины.

Существует огромное количество механических датчиков (экстензометров, прогибомеров, клинометров, сдвигомеров, тензометров и т.п.) Наиболее совершенным и распространённым механическим датчиком деформации является рычажный тензометр Гугенбергера. Подробно останавливаться на них не будем.

Рычажный тензометр Гугенбергера

Схема: рычажный тензометр Гугенбергера




Гидравлические

Одной из проблем с датчиками деформации является обнаружение очень малых деформаций. Например, вы можете представить себе ситуацию, когда здание медленно движется, но это движение настолько мало, что оно не проявляется, возможно, пока не появятся видимые признаки – трещины, провалы земли, видимые наклоны. Для простого датчика трещин, такого как описанные выше, требуется 1 мм движения здания, чтобы произвести 1 мм движения на поверхности датчика трещин. При этом достаточно тяжело определить точку, к которой нужно прикрепить такой тензометр. Но что, если мы хотим обнаружить наименьшие движения, которые не проявляются в масштабе? В этом случае нам действительно нужен датчик с рычагом, который усиливает деформацию, поэтому даже незначительное движение элемента вызывает очень большое и легко измеряемое движение указателя по шкале (как это было реализовано в рычажном тензометре Гугенбергера).

Эту проблему попытались решить с помощью гидравлических датчиков деформации.

Гидравлические датчики деформации по сути работают так же, как простые шприцы. Шприцы — это, по сути, гидравлические поршни, в которых небольшое движение жидкости в большом поршне (та часть, на которую вы нажимаете пальцем) вызывает гораздо большее движение жидкости в небольшом поршне, прикрепленном к нему (игла, из которой выходит жидкость). Легко предположить, как это можно использовать в датчике деформации: вы просто подключаете свой большой поршень к тому, что он производит, и используете меньший поршень в трубке меньшего размера, помеченной шкалой, чтобы узнать, сколько произошло движения. Относительный размер поршней определяет, насколько увеличено движение, которое вы пытаетесь обнаружить. Как правило, гидравлические датчики, подобные этому, умножают движение примерно в 10 раз и обычно используются в геологии.

Гидравлический датчик деформацииПростой пример гидравлического датчика деформации. Напряжение, которое вы хотите измерить, давит на зеленую кнопку (вверху слева). Это приводит в движение большой широкий поршень (желтый, 55) в гидравлический цилиндр (красный, 56), выталкивая захваченную жидкость (синего цвета, 57) через узкую трубу. Это гидравлический принцип в действии: малые движения зеленой кнопки и желтого поршня увеличиваются в гораздо большие движения за счет узости трубки. Жидкость течет в свернутую трубку Бурдона (оранжевая, 83), которая раскручивается в зависимости от давления внутри нее, натягивая рычажный механизм (темно-синий, 84, 85), изменяя перекрытие между двумя индукционными катушками так, что они отправляют электрический ток в цепь. Таким образом, сила нажатия на зеленую кнопку преобразуется в измеримый электрический сигнал (из патента США 2,600,453: способ и устройство для управления теплом в процессах горячей обработки. Автор RichardWeingart. 17 июня 1952 года).

Тензорезисторы (за счет изменения электрического сопротивления)

Если вы проектируете что-то вроде крыла самолета, как правило, вам нужно проводить гораздо более сложные измерения, чем позволяет простой механический датчик деформации, тем более что усилие имеет разное направление и огромную частоту. Возможно, вы захотите измерить напряжение во время взлета, например, когда двигатели производят максимальную тягу. Вы не можете прикрепить маленькие пластиковые тензодатчики к крылу и выходить, чтобы измерить их во время полета, но вы можете использовать тензорезисторы, чтобы сделать то же самое с помощью регистратора в салоне самолета.

Наиболее распространенные электрические датчики деформации — тензорезисторы — это тонкие прямоугольные полоски фольги с лабиринтными схемами разводки, которые ведут к паре электрических кабелей. Вы прикрепляете фольгу к материалу, который хотите измерить, и подключаете кабели к контрольной цепи. Когда материал, который вы испытываете, напряжен, фольга гнется, и проволока либо растягивается (так что становится немного тоньше), либо сжимается (поэтому становится чуть толще). Изменение толщины(площади сечения) металлической фольги/провода изменяет его электрическое сопротивление, потому что электронам труднее переносить электрический ток по более узким проводам. Таким образом, все, что вам нужно сделать, это измерить сопротивление (обычно используя мост Уитстона), и, с небольшим количеством соответствующего преобразования, вы можете рассчитать деформацию. Если задействованные силы невелики, деформация будет упругой, и тензодатчик в конечном итоге вернется к своей первоначальной форме, так что вы сможете продолжать проводить измерения в течение определенного периода времени, например, во время испытательного полета самолета-прототипа.

Подобные тензометрические датчики были изобретены в 1938 году профессором Массачусетского технологического института Артуром Руге (1905–2000 гг.) для помощи в обнаружении землетрясений.

Электрические датчики деформации

Фото: крупный план двух электрических датчиков деформации — тензорезисторов. На подложке из фольги хорошо видны узоры, похожие на лабиринты. Они изменяют форму, вызывая изменение сопротивления проводов, когда фольга изгибается под действием напряжения.

Тензорезистор Артура Руге

Рисунок: справа: иллюстрация оригинального тензорезистора Артура Руге из патента США, который он подал в сентябре 1939 года. Он состоит из проводящей металлической нити (желтого цвета), натянутой между парой гребнеобразных опор (синего цвета) и подключен к контактам (красный), которые могут быть подключены к цепи. По мере того как напряжение изменяется, нить деформируется, а ее сопротивление увеличивается или падает. Измерение сопротивления — это способ косвенного измерения напряжения. Датчик содержит вторую аналогичную нить (оранжевую), которую можно использовать для компенсации любых изменений сопротивления, вызванных исключительно изменениями температуры. Идея состоит в том, чтобы выбрать разные материалы для двух нитей, чтобы их температурные изменения не влияли друг на друга. Руге изготавливал свои нити из чувствительных к деформации сплавов, таких как Advance (медь-никель) и нихром (никель-хром). (Из патента США 2,350,972: тензорезистор, автор Arthur C. Ruge, 6 июня 1944 г.)

Тензорезисторы в настоящее время являются основой науки изучения деформаций. Большинство датчиков силы, веса, крутящего момента, давления, перемещения и ускорения (акселерометры) созданы на их основе.

Оптические датчики деформации

Некоторые материалы меняют свои оптические свойства (светопропускание или отражение), когда они напряжены и деформированы, например, стекло и пластик. Хотя стекло является удивительно полезным и универсальным материалом, оно хрупкое и потенциально очень опасно: если оно слишком сильно деформировано, оно может внезапно расколоться или разбиться. Это может быть реальной проблемой при использовании его в чём-то вроде лобового стекла автомобиля или иллюминаторов самолета. Один из способов обнаружения деформации в стекле — направить на него под углом поляризованный свет. Часть света будет отражена, а часть будет пропущена. Относительное количество проходящего и отраженного света будет меняться в зависимости от того, насколько сильно деформировано стекло. Измеряя количество отраженного света, мы можем точно измерить нагрузку на стекло.

метод измерения деформации в стеклеРисунок: Оптический тензодатчик, видимый сбоку (сверху) и сверху (снизу), работает аналогично устройству, называемому полярископом (или поляриметром). Он сделан из двух полых трубок (серый 1,2), расположенных под углом к стеклу (зеленый). Мощный источник (синий, 6) направляет сфокусированный луч (желтый) на стекло через поляризационный фильтр (красный, 8). В зависимости от того, является ли стекло деформированным, и насколько деформированным, свет отражается от поверхности стекла через второй фильтр (оранжевый, 9) и попадает на фотоэлемент (фиолетовый, 14). Он, в свою очередь, преобразует свет в электрический сигнал, заставляя стрелку в амперметре подниматься или опускаться (темно-синий, 15). Чем выше напряжение в стекле, тем больше света отражается и тем выше показания амперметра. (Из патента США 2119577: тензометрический датчик и метод измерения деформации в стекле, СэмюэльМакК. Грей, 7 июня 1938 года)

Вместе с тем, указанное выше решение не нашло широкого применения. Ему на смену пришел иной принцип использования света при изучении степени деформации.

Волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД), ставшие развитием оптического типа датчиков деформации, обычно принадлежат к двум основным типам: ВОДД на решётках Брэгга и ВОДД на интерферометре Фабри-Перро. Вторые не получили широкого признания, но вот созданные на основе волоконной брэгговской решетка (ВБР), являются современным примером поиска замены ставшим классическими тензорезисторам сопротивления. Но стоимость такого решения всё ещё в разы дороже применения тензорезисторов, оно ограничено по частоте опроса/сбора данных и имеет ряд других особенностей.

Вопросу применения ВОДД на решётках Брэгга посвятим отдельный текст.

Пьезоэлектрические датчики деформации

Некоторые типы материалов, в том числе кристаллы кварца и различные типы керамики, являются эффективными «естественными» тензометрами. Если вы прикладываете к ним усилие, они создают крошечные электрические напряжения между их противоположными сторонами. Это явление называется пьезоэлектричеством и, вероятно, наиболее известно как способ генерирования сигнала хронометража в кварцевых часах. Измерьте напряжение с пьезоэлектрического датчика, и вы можете просто рассчитать деформацию. Пьезоэлектрические тензометрические датчики являются одними из наиболее чувствительных (примерно в 1000 раз больше, чем у более простых типов) и надежными и могут выдерживать годы многократного использования (вы иногда будете встречать их как«пьезоэлектрические преобразователи», потому что они преобразуют механическую энергию в электрическую).

Пьезоэлектрический тензодатчик

Изображение: Как работает пьезоэлектрический тензодатчик. Прикрепите его к тестируемому объекту, который может быть простым стальным бруском (серый, 1). Датчик представляет собой плоский кристалл (синий, 3), с двумя параллельными поверхностями, на которых закреплены электроды (красного и оранжевого цвета, 4 и 5), прикрепленные к контактам (желтый, 6 и 7), которые замыкаются на внешнюю цепь – систему сбора данных. Нижняя поверхность кристалла (красного цвета) очень прочно связана цементом (8) с тестируемым образцом. По мере того как образец деформируется, кристалл также деформируется, генерируя небольшое напряжение между его верхней и нижней гранями при изменении его формы. Чем больше напряжение, тем больше деформация, поэтому измерение электрического напряжения является очень точным способом измерения механического напряжения (из патента США 2,558,563: пьезоэлектрический тензодатчик, автор WilliamJanssen, GeneralElectric, 26 июня 1951 г.).

Существует большое количество других типов датчиков деформации: акустических, тепловых, электромагнитных, рентгеновских и т.д. Но они не нашли широкого применения и не оставили в заметный след в истории вопроса.

Тензорезисторы в настоящее время представляют собой наиболее распространённый тип датчиков деформации.

На нашем сайте вы можете купить (заказать) тензорезисторы от японской компании TML, одного из лидеров в производстве тензорезисторов в мире.

Материалы для данной статьи взяты из источника по адресу: https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html[Woodford, Chris. (2009/2015) Strain gauges. Retrieved from https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html. Last updated: February 27, 2019. Доступ 19.04.2019)] 

Датчики деформации (экстензометры): как работают, как выбрать

 О чем эта статья

Перейти к выбору и покупке датчиков деформации

Датчики деформации — класс измерительных приборов, предназначенных для определения параметров механической деформации твёрдых тел. Другое их название — экстензометры. В простейшем случае один датчик позволяет получить информацию об одном виде деформации на конкретном участке твёрдого тела. Для анализа более сложных видов деформации (читайте статью «виды деформации твердых тел») могут быть использованы распределённые системы на основе простейших датчиков деформации.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили два типа датчиков деформации: волоконно-оптические и резистивные.

Волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД)

Общие сведения о ВОДД

В качестве примера ВОДД можно привести датчик MuST изображенный на фотографии справа. В настоящее время ВОДД постепенно вытесняют резистивные, механические и прочие виды датчиков деформации, в первую очередь, в приложениях, где необходима повышенная точность и долговечность. Технологии, положенные в основу ВОДД довольно часто являются инновационными и активно развиваются. Как и большинство датчиков на основе оптического волокна, ВОДД обладают очень высокой точностью, а также присущими любой оптоэлектронной технологии достоинствами и недостатками.

Датчики деформации данного класса обычно принадлежат к одному из двух основных типов:

  • ВОДД на решётках Брэгга
  • ВОДД на интерферометре Фабри-Перро

 

ВОДД на решётках Брэгга

Принцип действия. У датчиков данного типа чувствительным элементом является само оптическое волокно с нанесёнными на него дифракционными решётками Брэгга. Проходящее через волоконно-оптический тракт излучение реагирует на решётку Брэгга как на своего рода зеркало, параметры отражения которого зависят от периода этой решётки. Деформация тела, жёстко связанного с волоконно-оптическим кабелем, приводит к локальным сжатиям/растяжениям кабеля, и, следовательно, к изменению периода брэгговских решёток (Рис. 1). Это влияет на их отражательные свойства, что может быть зафиксировано путём анализа отражённого от них излучения.


Рисунок 1. Схема воздействия деформации растяжения на оптическое волокно. Растяжение меняет период брэгговской решётки, что приводит к изменению отражательных свойств и изменению спектральных составов проходящего и отражённого излучения.

ВОДД на интерферометре Фабри-Перро

Принцип действия. В основу функционирования данного типа ВОДД положен интерферометр Фабри-Перро, обычно реализуемый по схеме, указанной на рисунке 2. Один торец волокна полупрозрачен и пропускает некоторую часть излучения. Дальний торец полностью отражает излучение. Свет, отражённый от двух поверхностей попадает на приёмник и интерферирует. Изменение длины интерферометра под действием внешних сил приводит к изменению интерференционной картины на приёмнике излучения, поскольку меняется фазовая задержка между лучами, отражающимися от двух разнесённых плоскостей. Анализ интерференционной картины позволяет с большой точностью (вплоть до долей ангстрема) определить величину малейших изменений длины участка волокна.


Рисунок 2. Схема ВОДД на основе интерферометра Фабри-Перро.

Достоинства:

  • Высокая точность
  • Нечувствительность к ЭМ-излучению
  • Долговечность
  • Разнообразие геометрических конфигураций

Недостатки:

  • Техническая сложность электронно-оптических компонентов
  • Относительно высокая цена

Резистивные датчики деформации (РДД)

Общие сведения

К таким этому типу датчиков относиться прибор KG-03, показанный на рисунке. Наиболее распространённый, доступный и простой по принципу действия вид датчиков деформации. РДД могут быть представлены в различных конфигурациях, однако в основу их работы всегда положен пьезорезистивный эффект.

Принцип действия

Подобно резистивным датчикам давления, этот РДД представляет собой резистор (тензорезистор, пьезорезистор), величина сопротивления которого изменяется в зависимости от формы и размеров, т.е. при его деформации (пьезорезистивный эффект)(Рис. 3). Согласно зависимости (1), сопротивление участка проводника зависит от его геометрии. При небольших изменениях R (в пределах 2%) имеет место соотношение (2), из которого видно, что сопротивление фактически линейно зависит от величины относительной деформации e.

R – сопротивление участка проводника

R0 – исходное сопротивление участка проводника

Se – коэффициент тензочувствительности материала (у большинства материалов Se≈2)

e – величина относительной деформации участка проводника


Рисунок 3. Схема работы тензорезистора. При растяжении силой F геометрия проводников изменяется, сопротивление возрастает.

Если жёстко прикрепить такой резистор к поверхности твёрдого тела, любая деформация поверхности приведёт также к деформации резистивного датчика. Это вызовет изменение его сопротивления, которое может быть зафиксировано внешней цепью, например, мостовой схемой Уитстона (Рис. 4). В данной конфигурации малейшие изменения сопротивления Rx выводят мост из равновесия, и зафиксированное вольтметром напряжение позволяет судить о величине изменения сопротивления. По этому изменению можно однозначно судить о степени деформации датчика, а значит и тела, к которому он прикреплён.


Рисунок 4. Мостовая схема Уитстона.

Достоинства:

  • Относительно низкая стоимость
  • Относительная простота устройства
  • Приемлемая точность в большинстве нетребовательных приложений

Недостатки:

  • Чувствительность к температуре (может быть скомпенсирована)
  • Чувствительность к ЭМ-излучению
  • Недостаточная чувствительность для некоторых прецизионных приложений

 

Параметры, на которые следует обратить внимание при выборе датчиков деформации

  • Диапазон измерения. Этот параметр накладывает ограничение на максимальную величину деформации, которую способен зафиксировать датчик. Выход из допустимого диапазона измерения в некоторых случаях может привести к разрушению прибора.
  • Разрешение. Основной параметр, характеризующий точность датчиков деформации. Чем выше разрешение датчика, тем, как правило, уже его диапазон измерения и выше его цена. У РДД в качестве параметра оценки точности также может быть использованы сведения о процентной погрешности измерения.
  • Напряжение выходного сигнала. Необходимо знать величину выходного напряжения для того, чтобы правильно согласовать экстензометр(датчики деформации) с блоками обработки данных, системами контроля и другими устройствами.
  • Способ установки. Как правило, экстензометры устанавливаются на поверхность твёрдых тел, для этого их конструкция может иметь специальные приспособления и крепёж. В некоторых случаях (например, ВОДД) чувствительный участок датчика может быть погружен в объём твёрдого тела (например, забетонирован) с целью определения параметров деформации строительных конструкций.
  • Степень защиты. Поскольку экстензометры могут использоваться в неблагоприятных и агрессивных условиях, необходимо обратить внимание на параметры их защиты. Это может быть индекс IP/IK коды или другие характеристики, указывающие на меру защищённости датчика деформации от внешних воздействий (влаги, давления и пр.).
  • Температурный диапазон. Выход за границы температурного диапазона приводит к увеличению погрешности измерения и может послужить причиной выхода измерительного прибора из строя.

Опубликована 31-01-12.


Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже
Датчики для измерения деформаций поверхности — Тензо-М

Описание

С целью предотвращения аварий строительных конструкций и горных выработок требуется контроль действующих нагрузок. Для этого используют датчики для измерения деформаций и напряжений, располагаемые на поверхности, в толще строительных конструкций или горных выработок, позволяющие определить момент приближения параметров к опасным пределам.

«Тензо-М» выпускает четыре типа датчиков для измерения деформаций и напряжений: датчик деформации привариваемый ДДП, датчик деформации съемный ДДС, датчик деформации закладной ДДЗ и тензометр закладной для бетона ТЗБ.

Модельный ряд

Модель

Фото

Способ крепления

Особенности

Рекомендации к применению

Привариваемые датчики деформации ДДП

 

рис.1

Пакетированный тензорезистор. Пример установки привариваемого тензометра на двутавр №10

рис.2

Крепятся к поверхности контролируемой металлической конструкции точечной сваркой. 
Данный способ крепления не требует внедрения крепежных элементов в контролируемую поверхность.
Полный мост тензорезисторов размещен на стальной пластине и защищен от воздействия внешней среды слоем герметика и металлическим кожухом. Край пластинки оставлен свободным для обеспечения возможности точечной сварки к поверхности контролируемого объекта. На рис.2 показан пример приваривания датчики деформации к стенке двутавра. Могут быть использованы при измерении деформаций на следующих объектах:
  • стальные строительные конструкции,
  • стальные машиностроительные конструкции,
  • рамы, шасси и стальные рессоры автомобилей.

Съемные (привинчиваемые) датчики деформации ДДС

Пакетированные тензорезисторы. Общий  вид  съемного  тензометра.

рис.3

Пакетированные тензорезисторы. Пример  установки  съемного  тензометра  на   двутавр   №10.

рис.4

Крепятся к поверхности на шпильках или  болтах, предварительно прикрепленных к контролируемой  металлической или бетонной конструкции,  или  на  болтах,  завертываемых в отверстия при установке датчика. Для крепления достаточно двух болтов или шпилек.
Для улучшения передачи деформации от объекта на датчик можно нанести на поверхность металлического объекта тонкий слой быстросхватывающегося клея (для стали, например «Поксипол»), а затем завернуть болты. При снятии датчика с объекта клей аккуратно  сколоть маленьким зубилом, не повреждая при этом датчик.

Датчики многоразового применения. Содержат полный мост тензорезисторов. После окончания измерений датчики могут быть сняты без  повреждений и переустановлены на другой объект. «Тензо-М» испытывает датчики деформации на собственной испытательной базе, на образцах, нагружаемых в эталонных машинах. Использование в качестве образцов элементов строительных конструкций Заказчика повышает  точность измерений (рис.5).

Пакетироваанные тензорезисторы. Нагружение  на  гидравлическом  прессе  трубы  со  съемным  тензометром. Проверка  измерительного канала  на  реальной  строительной  конструкции.

рис.5

Съемные датчики деформации могут быть использованы для измерений деформации на поверхности стальных и железобетонных конструкций.
Датчики деформации закладные ДДЗ-50

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

рис.6

Размещаются в нужной ориентации в  опалубке перед заливкой бетоном. Для предотвращения повреждений и упрощения ориентации при заливке бетоном рекомендуется сначала замонолитить датчик в технологическом параллелепипеде, изготовленном из используемой марки бетона или горной породы. Размеры технологического параллелепипеда немного превышают размер датчика. Затем работать с технологическим параллелепипедом, внутри которого находится датчик. Мост тензорезисторов размещен на плоской пластине с продольными ребрами жесткости. На концах пластины анкера – отогнутые под прямым углом части плоской пластины. При замоноличивании датчика деформации в бетон или в горную породу анкера передают деформацию на пластину. Мост тензорезисторов преобразует эту деформацию в электрический сигнал. Датчики деформации закладные могут быть установлены в изготавливаемые или уже эксплуатирующиеся железобетонные детали строительных объектов, в шахтных и горных выработках, штреках, тоннелях

Рис.1. Общий вид привариваемого датчика деформации.

Рис.2. Пример установки привариваемого датчика деформации на двутавр №10.

Рис.3. Общий вид съемного датчика деформации.

Рис.4. Установка съемного датчика деформации на двутавр №10.

Рис.5. Нагружение на гидравлическом прессе трубы со съемным датчиком деформации. Проверка измерительного канала на реальной строительной конструкции.

Рис.6. Общий вид датчика деформации закладного.

Особенности установки

Установка ДДЗ датчик деформации закладной

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Датчик деформации закладной ДДЗ

Общий  вид

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Схема установки  ДДЗ  внутри  образца  бетона  или  породы

Выполняется  на заводе  или  в  лаборатории

Общий  вид  датчика  деформации  закладного Образец  породы  с  двумя  ДДЗ  внутри  перед  замоноличиванием  в скважину

Технические характеристики

  • Диапазон измеряемых деформаций, ± 10-3
  • Рабочий диапазон температур, 0С -30… +50
  • Сопротивление моста тензорезисторов тензометра, Ом, 350
  • Основная погрешность, %, 5.

Примечание. Приведенные значения технических характеристик являются базовыми и могут быть адаптированы под требования Заказчика.

 

Производитель оставляет за собой право изменять технические характеристики с целью улучшения качества продукции без предварительного уведомления потребителя.

Поддержка

Датчики для измерения деформаций поверхности — Тензо-М

Описание

С целью предотвращения аварий строительных конструкций и горных выработок требуется контроль действующих нагрузок. Для этого используют датчики для измерения деформаций и напряжений, располагаемые на поверхности, в толще строительных конструкций или горных выработок, позволяющие определить момент приближения параметров к опасным пределам.

«Тензо-М» выпускает четыре типа датчиков для измерения деформаций и напряжений: датчик деформации привариваемый ДДП, датчик деформации съемный ДДС, датчик деформации закладной ДДЗ и тензометр закладной для бетона ТЗБ.

Модельный ряд

Модель

Фото

Способ крепления

Особенности

Рекомендации к применению

Привариваемые датчики деформации ДДП

 

рис.1

Пакетированный тензорезистор. Пример установки привариваемого тензометра на двутавр №10

рис.2

Крепятся к поверхности контролируемой металлической конструкции точечной сваркой. 
Данный способ крепления не требует внедрения крепежных элементов в контролируемую поверхность.
Полный мост тензорезисторов размещен на стальной пластине и защищен от воздействия внешней среды слоем герметика и металлическим кожухом. Край пластинки оставлен свободным для обеспечения возможности точечной сварки к поверхности контролируемого объекта. На рис.2 показан пример приваривания датчики деформации к стенке двутавра. Могут быть использованы при измерении деформаций на следующих объектах:
  • стальные строительные конструкции,
  • стальные машиностроительные конструкции,
  • рамы, шасси и стальные рессоры автомобилей.

Съемные (привинчиваемые) датчики деформации ДДС

Пакетированные тензорезисторы. Общий  вид  съемного  тензометра.

рис.3

Пакетированные тензорезисторы. Пример  установки  съемного  тензометра  на   двутавр   №10.

рис.4

Крепятся к поверхности на шпильках или  болтах, предварительно прикрепленных к контролируемой  металлической или бетонной конструкции,  или  на  болтах,  завертываемых в отверстия при установке датчика. Для крепления достаточно двух болтов или шпилек.
Для улучшения передачи деформации от объекта на датчик можно нанести на поверхность металлического объекта тонкий слой быстросхватывающегося клея (для стали, например «Поксипол»), а затем завернуть болты. При снятии датчика с объекта клей аккуратно  сколоть маленьким зубилом, не повреждая при этом датчик.

Датчики многоразового применения. Содержат полный мост тензорезисторов. После окончания измерений датчики могут быть сняты без  повреждений и переустановлены на другой объект. «Тензо-М» испытывает датчики деформации на собственной испытательной базе, на образцах, нагружаемых в эталонных машинах. Использование в качестве образцов элементов строительных конструкций Заказчика повышает  точность измерений (рис.5).

Пакетироваанные тензорезисторы. Нагружение  на  гидравлическом  прессе  трубы  со  съемным  тензометром. Проверка  измерительного канала  на  реальной  строительной  конструкции.

рис.5

Съемные датчики деформации могут быть использованы для измерений деформации на поверхности стальных и железобетонных конструкций.
Датчики деформации закладные ДДЗ-50

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

рис.6

Размещаются в нужной ориентации в  опалубке перед заливкой бетоном. Для предотвращения повреждений и упрощения ориентации при заливке бетоном рекомендуется сначала замонолитить датчик в технологическом параллелепипеде, изготовленном из используемой марки бетона или горной породы. Размеры технологического параллелепипеда немного превышают размер датчика. Затем работать с технологическим параллелепипедом, внутри которого находится датчик. Мост тензорезисторов размещен на плоской пластине с продольными ребрами жесткости. На концах пластины анкера – отогнутые под прямым углом части плоской пластины. При замоноличивании датчика деформации в бетон или в горную породу анкера передают деформацию на пластину. Мост тензорезисторов преобразует эту деформацию в электрический сигнал. Датчики деформации закладные могут быть установлены в изготавливаемые или уже эксплуатирующиеся железобетонные детали строительных объектов, в шахтных и горных выработках, штреках, тоннелях

Рис.1. Общий вид привариваемого датчика деформации.

Рис.2. Пример установки привариваемого датчика деформации на двутавр №10.

Рис.3. Общий вид съемного датчика деформации.

Рис.4. Установка съемного датчика деформации на двутавр №10.

Рис.5. Нагружение на гидравлическом прессе трубы со съемным датчиком деформации. Проверка измерительного канала на реальной строительной конструкции.

Рис.6. Общий вид датчика деформации закладного.

Особенности установки

Установка ДДЗ датчик деформации закладной

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Датчик деформации закладной ДДЗ

Общий  вид

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Схема установки  ДДЗ  внутри  образца  бетона  или  породы

Выполняется  на заводе  или  в  лаборатории

Общий  вид  датчика  деформации  закладного Образец  породы  с  двумя  ДДЗ  внутри  перед  замоноличиванием  в скважину

Технические характеристики

  • Диапазон измеряемых деформаций, ± 10-3
  • Рабочий диапазон температур, 0С -30… +50
  • Сопротивление моста тензорезисторов тензометра, Ом, 350
  • Основная погрешность, %, 5.

Примечание. Приведенные значения технических характеристик являются базовыми и могут быть адаптированы под требования Заказчика.

 

Производитель оставляет за собой право изменять технические характеристики с целью улучшения качества продукции без предварительного уведомления потребителя.

Поддержка

Датчики для измерения деформаций поверхности — Тензо-М

Описание

С целью предотвращения аварий строительных конструкций и горных выработок требуется контроль действующих нагрузок. Для этого используют датчики для измерения деформаций и напряжений, располагаемые на поверхности, в толще строительных конструкций или горных выработок, позволяющие определить момент приближения параметров к опасным пределам.

«Тензо-М» выпускает четыре типа датчиков для измерения деформаций и напряжений: датчик деформации привариваемый ДДП, датчик деформации съемный ДДС, датчик деформации закладной ДДЗ и тензометр закладной для бетона ТЗБ.

Модельный ряд

Модель

Фото

Способ крепления

Особенности

Рекомендации к применению

Привариваемые датчики деформации ДДП

 

рис.1

Пакетированный тензорезистор. Пример установки привариваемого тензометра на двутавр №10

рис.2

Крепятся к поверхности контролируемой металлической конструкции точечной сваркой. 
Данный способ крепления не требует внедрения крепежных элементов в контролируемую поверхность.
Полный мост тензорезисторов размещен на стальной пластине и защищен от воздействия внешней среды слоем герметика и металлическим кожухом. Край пластинки оставлен свободным для обеспечения возможности точечной сварки к поверхности контролируемого объекта. На рис.2 показан пример приваривания датчики деформации к стенке двутавра. Могут быть использованы при измерении деформаций на следующих объектах:
  • стальные строительные конструкции,
  • стальные машиностроительные конструкции,
  • рамы, шасси и стальные рессоры автомобилей.

Съемные (привинчиваемые) датчики деформации ДДС

Пакетированные тензорезисторы. Общий  вид  съемного  тензометра.

рис.3

Пакетированные тензорезисторы. Пример  установки  съемного  тензометра  на   двутавр   №10.

рис.4

Крепятся к поверхности на шпильках или  болтах, предварительно прикрепленных к контролируемой  металлической или бетонной конструкции,  или  на  болтах,  завертываемых в отверстия при установке датчика. Для крепления достаточно двух болтов или шпилек.
Для улучшения передачи деформации от объекта на датчик можно нанести на поверхность металлического объекта тонкий слой быстросхватывающегося клея (для стали, например «Поксипол»), а затем завернуть болты. При снятии датчика с объекта клей аккуратно  сколоть маленьким зубилом, не повреждая при этом датчик.

Датчики многоразового применения. Содержат полный мост тензорезисторов. После окончания измерений датчики могут быть сняты без  повреждений и переустановлены на другой объект. «Тензо-М» испытывает датчики деформации на собственной испытательной базе, на образцах, нагружаемых в эталонных машинах. Использование в качестве образцов элементов строительных конструкций Заказчика повышает  точность измерений (рис.5).

Пакетироваанные тензорезисторы. Нагружение  на  гидравлическом  прессе  трубы  со  съемным  тензометром. Проверка  измерительного канала  на  реальной  строительной  конструкции.

рис.5

Съемные датчики деформации могут быть использованы для измерений деформации на поверхности стальных и железобетонных конструкций.
Датчики деформации закладные ДДЗ-50

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

рис.6

Размещаются в нужной ориентации в  опалубке перед заливкой бетоном. Для предотвращения повреждений и упрощения ориентации при заливке бетоном рекомендуется сначала замонолитить датчик в технологическом параллелепипеде, изготовленном из используемой марки бетона или горной породы. Размеры технологического параллелепипеда немного превышают размер датчика. Затем работать с технологическим параллелепипедом, внутри которого находится датчик. Мост тензорезисторов размещен на плоской пластине с продольными ребрами жесткости. На концах пластины анкера – отогнутые под прямым углом части плоской пластины. При замоноличивании датчика деформации в бетон или в горную породу анкера передают деформацию на пластину. Мост тензорезисторов преобразует эту деформацию в электрический сигнал. Датчики деформации закладные могут быть установлены в изготавливаемые или уже эксплуатирующиеся железобетонные детали строительных объектов, в шахтных и горных выработках, штреках, тоннелях

Рис.1. Общий вид привариваемого датчика деформации.

Рис.2. Пример установки привариваемого датчика деформации на двутавр №10.

Рис.3. Общий вид съемного датчика деформации.

Рис.4. Установка съемного датчика деформации на двутавр №10.

Рис.5. Нагружение на гидравлическом прессе трубы со съемным датчиком деформации. Проверка измерительного канала на реальной строительной конструкции.

Рис.6. Общий вид датчика деформации закладного.

Особенности установки

Установка ДДЗ датчик деформации закладной

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Датчик деформации закладной ДДЗ

Общий  вид

Общий  вид  датчика  деформации  закладного

Схема установки  ДДЗ  внутри  образца  бетона  или  породы

Выполняется  на заводе  или  в  лаборатории

Общий  вид  датчика  деформации  закладного Образец  породы  с  двумя  ДДЗ  внутри  перед  замоноличиванием  в скважину

Технические характеристики

  • Диапазон измеряемых деформаций, ± 10-3
  • Рабочий диапазон температур, 0С -30… +50
  • Сопротивление моста тензорезисторов тензометра, Ом, 350
  • Основная погрешность, %, 5.

Примечание. Приведенные значения технических характеристик являются базовыми и могут быть адаптированы под требования Заказчика.

 

Производитель оставляет за собой право изменять технические характеристики с целью улучшения качества продукции без предварительного уведомления потребителя.

Поддержка

TMG Цифровой тензодатчик деформации | НТП «Горизонт»

Описание товара

Цифровой тензометрический датчик деформации TMG является средством измерения напряжений растяжения/сжатия в составе системы мониторинга строительных конструкций. Датчики деформации имеют цифровой выход RS-485. Электронный блок датчика находится в непосредственной близости от чувствительного элемента, преобразует аналоговый тензометрический сигнал мостовой схемы в цифровой сигнал, передаваемый по линии RS-485.
Цифровой выход позволяет организовывать последовательные цифровые измерительные цепи, состоящие из нескольких датчиков деформации на расстояния до 800 метров.
Благодаря своей конструкцией при растяжении/сжатии, чувствительный элемент работает на изгиб, что значительно улучшает чувствительность и повторяемость.
Датчики деформации строительных конструкций предназначены для измерения растяжения и сжатия стали и бетона в режиме непрерывного мониторинга в системах СМИК.
Цифровые тензометрические датчики деформации TMG монтируются на поверхность объекта измерений точечной сваркой или при помощи анкерных болтов на бетон. Будучи жестко смонтированным на поверхность объекта мониторинга, тензодатчик деформации TMG (датчик механических напряжений, датчик растяжения-сжатия) измеряет его деформацию и является элементом системы мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций.

  1. Руководство по эксплуатации TMG-D01

Область применения датчиков
– длительные измерение относительной деформации и напряжения в сваях, подпорных стенках, колоннах, опор и стенках стенках резервуаров и других элементах строительных строительных конструкций
– диагностический контроль состояния конструкций зданий и сооружений при их строительстве и эксплуатации
– мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций
– весоизмерительный элемент резервуаров и емкостей большого объема

Особенности исполнения

– исполнение IP31
– возможность монтажа на металл и бетонные поверхности
– малые габариты
– выполнен из высоколегированной инструментальной стали
– поставка датчиков с защитным кожухом
– встроенный датчик температуры с выходом по напряжению
– индивидуальная калибровка каждого датчика
– цифровой выход RS-485
– длина линии до 800м.

Технические характеристики:

Способ установки Поверхностный: сварка/ анкер
Диапазон измерений относительной деформации, мкм/м ±1000
Основная приведенной погрешность к диапазону измерений относительной деформации, % от диапазона 1
Рабочий коэффициент передачи при номинальной нагрузке (РКП), мВ/В 1.8 (±0,5)
Измерительная база, мм 76,2
Дрейф нулевого сигнала, % от диапазона 1
Нелинейность выходного сигнала, % от диапазона* 1
Гистерезис выходного сигнала, % от диапазона 1
Цифровой выход RS-485
Скорость обмена, бит/c 9600
Кол-во датчиков на линии, шт. До 20
Длина  цифровой линии, м До 800
Восстанавливающая сила, Н 1000
Длина измерительной базы, мм 76,2
Рабочий температурный диапазон, °С от -10 до +65
Степень защиты в соответствии с ГОСТ 14254-2015 IP31
Устойчивость к температурным воздействиям, °С от −50 до +65
Габаритные размеры (длина × ширина × высота), мм 89×25,4×8,4

* Расчет измеренной относительной деформации (мкм/м) производить по формуле полинома третьей степени

Polinomгде

K1, K2 и K3 –значения коэффициентов преобразования, указанные в паспорте на датчик;

∆U/U – измеренные значения напряжения выходного сигнала датчика, относительно напряжения питания, мВ/В

Информация для заказа:

TMG-01-M Тензометрический датчик деформации с комплектом крепления для установки на металл. Выход тензометрический мост 350Ом, IP31
TMG-01-C Тензометрический датчик деформации с комплектом крепления для установки на бетон. Выход тензометрический мост 350Ом, IP31
TMG-D01-M Тензометрический датчик деформации с комплектом крепления для установки на металл. Цифровой выход RS-485, IP31,  Поддержка ModBus
TMG-D01-C Тензометрический датчик деформации с комплектом крепления для установки на бетон. Цифровой выход RS-485, IP31, Поддержка ModBus
TMG-D01-EC Тензометрический датчик деформации растяжения-сжатия в бетоне. Установка погружением. Цифровой выход RS-485,  Поддержка ModBus

 

Тензорезисторы определение и принципы работы

Что такое деформация?

Внешнее усилие, прикладываемое к упругому материалу, создает механическое напряжение, которое, в свою очередь, вызывает деформацию материала. В случае, если приложено усилие растяжения, длина материала L увеличивается и становится равной L + ΔL. Отношение ΔL к L, т.е. ΔL/L, называется деформацией. С другой стороны, если приложено усилие сжатия, длина L уменьшается до значения L-ΔL. В этом случае деформация равна (-ΔL/L).

Деформация

Что такое тензорезистор?

Электрическое сопротивление металла изменяется пропорционально механической деформации, вызванной приложенным к металлу внешним усилием. При креплении тонкого слоя металла к объекту измерения поверх тонкого слоя диэлектрика, металл деформируется в зависимости от деформации объекта измерения и изменения его электрического сопротивления. Таким образом, тензорезистор — это чувствительный элемент, преобразующий собственную деформацию в изменение электрического сопротивления.

Конструкция тензорезистора

Тензорезистор состоит из решетки, выполненной из тонкой проволоки или металлической фольги, уложенной на изоляционную подложку, и подсоединенных выводов тензорезистора.

Конструкция тензорезистора

Принцип работы тензорезистора

При деформации объекта измерения эта деформация передается резистивной проволоке или резистивной фольге тензорезистора через его основание (подложку). В результате сопротивление проволоки или фольги изменяется. Это изменение точно пропорционально деформации,что отражает следующее уравнение:

Принцип работы тензорезисторов

Если R=R1=R2=R3=R4, сопротивление тензорезистора, из-за деформации, меняется и становится равным R+ΔR. Таким образом, изменение выходного напряжения Δe из-за деформации задается следующим выражением:

Принцип работы тензорезисторов

При измерении деформации с помощью тензорезистора, он подключается к измерительному прибору, называемому тензометром. Тензометр содержит мост Уитстона и подает напряжение возбуждения. Измеренное значение деформации отображается на цифровом дисплее и/или выводится в виде аналоговых сигналов.

На нашем сайте Вы можете купить (заказать) качественные японские тензорезисторы от производителя, аксессуары и химию (клеи и защитные покрытия) для тензорезисторов с отличным соотношением цена-качество. Для этого отставьте заявку на обратный звонок и наши специалисты свяжутся с вами в ближайшее время или напишите нам сообщение. В комментарии можно указать, какие модели тензорезисторов вы бы хотели заказать.

90000 Strain Gauge Theory — Types, formulas and applications 90001 90002 90003 90004 90002 The strain gauges are based on the resistive properties of the metal. Upon stretching, the metal material loses or increases its electrical resistance. The strain gauge foil is glued on the material, which will be tested using a specially adapted glue for strain gauges. Due to the correct fit to the material being examined, the strain gauge is bent in the same way as the test material, so it reproduces the stresses.90004 90002 Strain gauge theory tells about resistance elements that are found in a large amount of electronic equipment. They are mainly used to measure different compressive forces, tensile forces and any stresses of materials. They are the main element of automatic systems when it comes to weight measurements e.g. scales, tanks, storage tanks. Properly set strain gauges allow mass measurements, measurements of product dispensing amount, etc. 90004 90009 In order to properly choose the type of strain gauge, it should be determined in what conditions it will operate.You need to know the type of load, the temperature at which it will be operating and the requirements it must have to endure cooperation in that system. Nowadays, 90010 resistance 90011 strain gauges have taken over most of the market and are most often chosen for retail and laboratory measurements. Their advantages are: 90004 90013 90014 sensitivity and accuracy of measurement, 90015 90014 the durability of materials with small dimensions, 90015 90014 work at high temperatures and with high pressure, 90015 90014 flexibility.90015 90022 90023 90010 Strain gauge applications 90011 90026 90002 The strain gauges are mainly used for following measurements: 90004 90013 90014 Strain measurement — Whenever the tested material is under high stress or load, they come under strain and that is where strain gauge is doing its job. 90015 90014 Measurement of other quantities — The change in resistance due to applied load can also be «translated» to measure a variety of other quantities, such as pressure, displacement, force, acceleration etc.They are usually attached to the mechanical transducers (e.g. bellows) for measuring displacement, pressure and other quantities. 90015 90022 90023 90010 Strain gauge adhesive 90011 90026 90002 Strain gauges are attached to the substrate with a special glue, which bonds them together. The type of glue depends on the required lifetime of the measurement system. Main task of the strain gauge adhesive (bonding material) is to obtain the best possible connection between strain gauge and the surface of the tested sample or object.This allows transferring the object’s deformation with minimal losses to the strain gauge — more precise measurement. Different measurement environments require other types of strain gauge adhesive, because each one influences the measurement process in different way. One of the most important (if not the most important) thing to do is to prepare the surface where the strain gauge’s and tested object ‘bonding will be made. Aforementioned surface must be first smoothed (e.g. with special sand paper) and deoiled.Strain gauge must be glued immediately after this process to avoid oxidation or pollution of the prepared area. Without this process, the strain gauge adhesive binding to the surface may generate measurement errors and be unreliable. 90004 90009 The type of strain gauge adhesive and material used for the production of strain gauges are patented secrets of manufacturing companies, thanks to these material parameters the best accuracy and sensitivity are obtained. There are three types of most popular strain gauges: 90004 90013 90044 tubular strain gauges — made of hose-shaped resistance wires, 90015 90044 mesh strain gauges — serially connected resistance wires arranged in parallel connected with copper tape, 90015 90044 foil resistance strain gauges — built on the basis of a tubular resistive mesh, combined with support gasket with metal foil.90015 90022 90023 90010 Types of strain gauge adhesive 90011 90026 90002 To obtain the best possible quality of the bonding between strain gauge and the substrate, different requirements must be met. In terms of operating temperature, this led to the availability of various types of strain gauge adhesive materials. These materials can be distinguished in the following way in relation to the application technology: 90004 90013 90014 90010 Cold-curing strain gauge adhesives — 90011 Pretty effortless and easy to apply.We can distinguish single-component adhesives. which start curing with appropriate humidity as well as two-component adhesives that have to be mixed before application. Strain gauge adhesive with very short reaction times are called «superglues», which are mostly used in experimental measurements. 90015 90014 90010 Hot-curing strain gauge adhesives — 90011 These adhesives require certain curing temperature to make bonding possible, so they can only be used if test object can be brought to such specific environment.In addition, hot-curing adhesive offers a wider temperature application range than cold-curing adhesive, which means that it can be used more precisely 90015 90022 90002 To ensure correct strain gauge calibration process, it is important to know its most important parameters for the corresponding model: 90004 90013 90014 strain gauge constant, 90015 90014 resistance in the non-deformed state (without the influence of external strain forces), 90015 90014 active length of the net (strain gauge base), 90015 90014 maximum permissible deformation (maximum strain ), 90015 90014 number of measurement cycles (dynamic durability), 90015 90014 temperature coefficient of resistance (TCR), 90015 90014 linearity.90015 90022 90085 90010 Electrical-resistance strain gauge theory 90011 90026 90009 Electric strain gauges use physical relationships between electrical parameters and material deformation. Depending on the measured units, there is a division of strain gauges: 90004 90013 90014 magnetostrictive, 90015 90014 photoelectric, 90015 90014 piezoelectric, 90015 90014 capacitive, 90015 90014 inductive, 90015 90014 electroresistive. 90015 90022 90009 The electroresistive strain gauges are characterised by good accuracy and sensitivity of strain measurements of the tested sample.The distance of the test sample from the strain gauge can be large in the case of electric strain gauges, which also allows measurement in many measuring places for the material stresses of the test system. Due to the very low value of the inertia parameter of the measurement system, electrofusion strain gauges are well suited for testing fast-changing strains. 90004 90085 90010 Strain gauge internal construction 90011 90026 90009 The strain gauge system consists of the following components: 90004 90013 90014 a sensor, which converts mechanical values ​​into electrical values, 90015 90014 power supply, alternating current generator with measuring bridge, 90015 90014 DC and AC amplifiers, 90015 90014 recorder of changes in electrical quantities.90015 90022 90123 90002 Fig. 1. Block system measuring the load cell amplifier powered by AC voltage 90004 90126 Where: G — voltage generator, R1, R2, R3, R4 — foil strain gauge, R5 — bridge balancing resistor, WS — selector signal amplifier, PF — phaser, rectifier, FD — low pass filter, W — resistance measurement. 90004 90126 Electrical strain gauges are based on the principle of changing the electrical resistance due to the change in the length of the metal used in the strain gauge. The formula for the resistance of strain gauge metal is: 90004 90126 90131 90004 90126 Where: R — strain gauge metal resistance, p — specific resistance of a strain gauge, l — strain gauge length, A — cross-sectional area of ​​the strain gauge .90004 90126 In resistance theory strain gauge, their length is called the strain gauge base. During the samples work, the length of the strain gauge base changes. At the same time, the length of the metal wire also changes, which directly affects the change of its resistance. 90136 The formula defining changes in deformation in relation to resistance changes is as follows: 90004 90138 90139 90004 90126 Where: k — strain gauge constant, ε — strain, R / R — the variation of the strain gauge resistance.90004 90126 The two previous formulas describe the basic physical dependencies of the strain gauges electrical resistance. By plunging the Hooke law, it is possible to obtain a tension at a particular point of the sample: 90004 90138 90146 90004 90126 The value of the strain gauge constant depends on the material from which the sensor was produced and constant’s values ​​range from 1.6 to 3.6. Other names for the strain gauge constant are «strain sensitivity» and the «strain gauge sensitivity value».90004 90126 A distinguishing feature of electric strain gauges is the method of obtaining deformation values ​​from the material under test. In this process, the strain gauge is used together with a glue specially made for such tasks. To fix the strain gauge correctly, clean the test surface. The whole process of choosing a foil, the shape of a strain gauge and sticking is long. It is necessary to prepare everything carefully and calculate the places of sticking and the shape of the strain gauge.90004 90126 Electroresistive strain gauge works well as a subset of static, dynamic and moving samples. Their sensitivity is high and their own weight does not affect the discrepancy of measurements. By transmitting the deformations directly to the resistive wire, the transmission and the slippage are avoided. The values ​​of results are dimensionless, so they do not depend on the value of the strain gauge constant. Examination of several places of one sample is not a problem for electric strain gauge.In addition, results can be obtained live through the wireless connection. Thanks to the use of compensation strain gauges, the influence of moisture and temperature on the measurement results is removed. 90004 90154 90010 Strain Gauge main types 90011 90026 90126 Three types of electric strain gauges are most commonly used: tubular strain gauges, mesh strain gauges, foil strain gauges, with which the foil is the most popular in the industry. 90004 90126 The tubular strain gauge is made of a piece of wire that is covered with foil or paper on both sides.The connectivity of the wire with the electrical circuit provides a copper strip connected to both ends of the wire. Its diameter ranges from 0.02 mm to 0.05 mm. 90004 90162 90002 Fig. 2. Tubular strain gauge 90004 90009 The mesh strain gauge is made of parallel-laid wires, which are connected by a copper band with a larger width and a lower specific resistance. Due to the use of tape with a larger cross-section, the resistance of the tape deformation is so small, that it is not measurable for the apparatus calibrated under strain gauges.Consequently, the strain gauge has a much lower sensitivity when it comes to measurements in the transverse direction. The execution of wires is constant and their diameter does not exceed 50 micrometers. Connecting copper strips with wires is made using tin soldering. Tin is a problem in measurements at high temperatures above 180 degrees Celsius. The base value of mesh strain gauges is 5 mm to 70 mm. 90004 90167 90002 Fig. 3. Mesh strain gauge 90004 90009 The foil strain gauge is made of a metal foil, the thickness of which does not exceed 0.025 mm. The method of producing strain gauge foil is similar to printing circuits on flexible films. Thanks to lithographic technique, it is possible to create strain gauges with dimensions and shapes ideally suited to the examination. 90004 90172 90002 Fig. 4. Foil strain gauge 90004 90023 90010 Strain Gauge Rosettes 90011 90026 90009 The strain gauge rosette is a set of strain gauges set in a previously planned way. The number of applied strain gauges depends on the values ​​calculated during the selection of strain gauges to the sample under test.90004 90181 90002 Fig. 5. Strain gauge rosettes 90004 90009 The strain gauge rosettes can be divided into three types: rectangular rosette (measures deformations in the multi-axis state), T-rosette (measures biaxial stresses), screwed rosette (measures torsion samples). 90136 The strain gauge should be properly prepared by ideally gluing the strain gauge to the material being tested. The glue used should be specially prepared for use in the strain gauge. Its thickness should not exceed 10 micrometers.The operation of the glue should isolate the wires from the material being tested. The glue should withstand high operating temperatures without changing its physical and electrical properties. After proper gluing of the strain gauge, the whole system is covered with a protection layer, it may be a wax. 90004 90187 90002 Fig. 6. Glued strain gauge 90004 90023 90010 Types of Strain Gauges 90011 90026 90194 90010 Mechanical strain gauge 90011 90197 90009 Mechanical strain gauges are among the most straightforward in the way of making and measuring.The method of measurement consists of measuring the elongation of the blades and reading this value on a scale magnified 1000 times, transmitted by means of mechanical levers. The following figure shows the Huggenberger mechanical strain gauge, its construction consists of a movable, immovable blade, handles, pointer, and scale. 90004 90200 90002 Fig. 7. Huggenberger mechanical strain gauge 90004 90009 Changing the deformation value activates the lever movement. The Huggenberger strain gauge has a strain gauge base with values ​​ranging from 5 — 100 mm.The strain gauges are a bit heavier because they weigh about 50 g. 90004 90205 90010 String strain gauge 90011 90197 90009 They are most often used in building constructions. The stress of the surface and the mass of the test material are measured. The main element of a string strain gauge is a tightly tensioned string, adjustable by means of screws. It is placed between two blades. 90004 90009 The measurement is carried out by means of vibrating and resonant vibrations. Strained strings stretched between the blades are subjected to testing.90004 90213 90002 Fig. 8. String strain gauge 90004 90194 90010 Optical strain gauge 90011 90197 90009 Optical strain gauges predominate over mechanical strain gauges in terms of the resolution of strains under investigation. Thanks to the large ratio, they are capable of performing more accurate measurements. The most popular types of strain gauge as optical is the Martens mirror strain gauge. 90136 The operation of the optical strain gauge is based on the study of the length of the measuring base.When changing the length of the base, the mirror rotates and the light falls on the scale, which is read with the telescope. During the operation of this strain gauge, very restrictive conditions must be maintained as to the mechanical shocks of the environment. 90004 90223 90002 Fig. 9. Martens mirror strain gauge 90004 90194 90010 Pneumatic strain gauge 90011 90197 90009 Pneumatic types of strain gauges are distinguished by very high accuracy and measurement resolution. Its operation is based on the dependence of the deformation on the cross-sectional area of ​​the nozzle, which affects the height of the water.Thanks to the height change, we are able to read the change in strain on the scale. 90004 90085 90010 Strain Gauge formula in Measurements using strain gauges Wheatstone bridge 90011 90026 90009 Commonly used measurement systems are e.g. the Wheatstone bridge system. That bridge consists of four resistors that are connected to the bridge circuit. A voltage source is connected to points A and B. From point C-D, the voltage of the bridge’s imbalance is measured. 90004 90238 90002 Fig. 10. Wheatstone strain gauge bridge 90004 90009 The task of the strain gauge bridge is to measure the difference in resistance.To start correct measurements, the bridge should be balanced. It is required that the voltage between C-D points is 0 volts, then the equilibrium condition is met. The Strain Gauge formula resistance is: 90004 90243 90244 90004 90009 The bridge is balanced at the moment of equilibrium, which is achieved by the equilibrium condition recorded above. Non-balanced bridges are also used for strain gauge measurements. An unbalanced bridge occurs only for one combination of resistance values ​​that satisfy the equilibrium condition.When the value of one or several resistors changes, a voltage different from zero will appear between the C-D points. 90136 Voltage ΔU can be calculated from the strain gauge formula: 90004 90243 90250 90004 90009 During measurements using strain gauges, all the resistors used in the strain gauge bridge circuit have the same initial values ​​of resistance. If, however, one strain gauge changes its resistance value then the output voltage is calculated from the strain gauge formula: 90004 90009 90255 90004 90009 The active strain gauge, it is a strain gauge whose resistance is variable under the influence of deformation.After some transformations of the previous pattern, we obtain a formula that shows the dependence of the voltage on ΔU the supply voltage. 90004 90009 90260 90004 90009 Active strain gauges must have an appropriate setting so that the bridge sensitivity is correct: 90004 90264 90002 Fig. 11. Wheatstone strain gauge configurations 90004 90009 Deformations with opposite signs in active strain gauges are required for the strain gauges to work properly, this is achieved by the correct connection of strain gauges in the bridge.One of the methods to obtain such a requirement is to glue them on opposite sides of the material being tested. The strain gauges should be connected to the opposite bridge arms if the resistance is the same sign, while if the resistance change is the opposite sign, the strain gauge should be connected to the nearest strain gauge bridge arms. In the case of wrong connection of strain gauges, the voltage at C-D points will not appear, and thus all resistance changes will be compensated and no result will be obtained.90004 90269 90002 Fig. 12. Incorrect connection of strain gauge to neighboring circuit tracks 90004 90009 Four load cells connected at the same operating temperature simultaneously obtain the best results in terms of compensating the resistance of strain gauges under the influence of outside temperature. 90004 90009 It is irrelevant whether the same forces act on strain gauges. There are also compensating strain gauges whose task is to compensate the temperature and not to measure deformations as in other strain gauges.The second unexpected use of strain gauges is the combination of two strain gauges together with external resistors, which together form a strain gauge half-bridge also used for temperature compensation. The same applies to the use of only one strain gauge, then you should attach from the outside of the system up to three resistors, which together form the quarter bridge Wheatstone strain gauge. In the case of a bridge system, the strain gauges can work independently in the number of four, two or one.Two or one strain gauge can work for a half bridge. The main principle of the bridge’s balance is that in strain gauge in the judged arms they must change the values ​​of their resistance in opposite directions. 90004 90276 90002 Fig. 13. Types of strain gauges bridge 90004 90009 To avoid an undesired thermoelectric effect, the strain gauge bridge is supplied with alternating voltage. It forms at the interface of the wire with the copper leads of the strain gauge and as a result of temperature changes.90004 90085 How to use strain gauge 90026 90002 To know how to use strain gauge first step is to measure deformations using a resistive strain gauge one should rely on the phenomenon of resistance change of the conductor, which affects its shape. Examination of the element in terms of vibrations should start from correctly bonding the strain gauge to the tested surface. The tested element influences the strain gauge, whose resistance values ​​change under the influence of the size change. The dependence defining the resistance R, its change ΔR and the strain ε occurs for the equation: 90004 90243 90286 90287 90288 90004 90002 Where constant k is the deformation sensitivity factor of the strain gauge.90004 90002 The electrical signal contained in the ΔR / R value is converted to voltage signals in measuring devices. The value of this signal is proportional to the strain value ε that affects the strain gauge. 90004 90243 90286 Sources: 90288 90004 90243 90286 1. http://www.imio.polsl.pl/Dopobrania/WM_lab_tensometry.pdf 90288 90004 90243 90286 2. Training materials MEASUREMENTS GROUP Mebtechnik GmbH, Measurements technics in mechanics, Warsaw 1995. 90288 90004 90243 90286 3. http: // elektron.pol.lublin.pl/djlj24/pwn/cw1.pdf 90288 90004 90138 90286 4. Hoffmann K., An Introduction to Measurements using Strain Gages, http://www.hbm.com/fileadmin/mediapool/techarticles/hoffmannbook/Hoffmann -book_EN.pdf 90288 90004.90000 Strain gauge | instrument | Britannica 90001 90002 90003 Strain gauge 90004, device for measuring the changes in distances between points in solid bodies that occur when the body is deformed. Strain gauges are used either to obtain information from which stresses (internal forces) in bodies can be calculated or to act as indicating elements on devices for measuring such quantities as force, pressure, and acceleration. 90005 90002 Britannica Quiz 90005 90002 Gadgets and Technology: Fact or Fiction? 90005 90002 The computer keyboard is an ancient device.90005 90002 Until the 1930s most strain gauges used either compound mechanical lever systems or mirrors and optical levers. Magnifications as high as 1,200 to 1 were common, and deformations as small as about 1 micron (0.00005 inch) were measured. The gauge lengths on these instruments were from 90013 1 90014/90015 2 90016 to 1 in. (1 90013 1 90014/90015 4 90016 to 2 90013 1 90014/90015 2 90016 cm), and their comparatively large size and weight made them incapable of responding faithfully to the fluctuating strains resulting from dynamic loading.90005 90002 The resistance strain gauge is a valuable tool in the field of experimental stress analysis. It operates on the principle, discovered by the British physicist William Thompson (later Lord Kelvin) in 1856 that the electrical resistance of a copper or iron wire changes when the wire is either stretched or compressed. 90005 90002 The gauge shown in the figure consists of a length of very fine wire looped into a grid pattern and cemented between two sheets of very thin paper. It is firmly glued (bonded) to the surface on which the strain is to be measured and is energized by an electric current.When the part is deformed, the gauge follows any stretching or contracting of the surface, and its resistance changes accordingly. This resistance change is amplified and converted into strain, after proper calibration. 90005 Strain gauge 90030 Encyclopædia Britannica, Inc. 90031 Get exclusive access to content from our тисяча сімсот шістьдесят вісім First Edition with your subscription. Subscribe today 90002 The wire-type grids were the first commercial form of the resistance gauge; they are now produced as flat foils by printed-circuit techniques, in the form of a grid on a plastic backing.90005 90002 Resistance gauges are made in a variety of shapes, sizes, and types, mostly about the size of a postage stamp; gauge lengths as short as 0.015 in. (0.038 cm) are available, and strains as small as 0.000001 inch per inch can be detected. These gauges can be used on the surface of almost any solid material or imbedded in the interior of concrete; being light, they are particularly suitable for measuring rapidly varying strains and the strains in rotating shafts. 90005 90002 Resistance gauges can be classified as transducers, 90037 i.e. 90038, devices for converting a mechanical displacement into an electrical signal. 90005 90002 Two other methods of measuring the strain on an object are photoelasticity and stress-analysis holography. Photoelasticity provides a visual method of observing the strain on an object by viewing the effects of polarized light on a bi-refringent (double-refracting) material bonded to the object. As the test object is stressed, fringe patterns in the bi-refringent material represent the regions of strain within the object.Stress holography also allows direct visual observation of the strain on an object. The hologram of an object is superimposed over the object. As long as the original object and the hologram match, nothing is observed. If the object is stressed, however, fringe patterns form from which the strain on the object can be determined. 90005.90000 How strain gauges work — Explain that Stuff 90001 90002 90003 90002 by Chris Woodford. Last updated: May 22, 2020. 90003 90006 IIs your house in danger of falling down? Was that an earthquake? Will that airplane actually fly? These are just a few of the questions you can study with a handy little device called a strain gauge (sometimes spelled «gage»). It’s a neat way of measuring how much a material changes shape when a force acts on it. Strain gauges range from the immensely simple to the fiendishly complex, but all of them are superbly useful to scientists and engineers.Let’s take a closer look at how they work! 90003 90002 Photo: This laboratory apparatus is designed to test a material’s strength by slowly pulling it apart. Strain gauges attached to the material (in this case, a piece of aluminum in the center) let scientists study the stresses and strains as it deforms. Photo by courtesy of NASA Langley Research Center (NASA-LaRC). 90003 90010 What is strain anyway? 90011 90002 Are you stressed? Can you feel the strain? When we talk about «Stress» and «strain» in everyday life, we use the two words interchangeably.But in science and engineering, these two words have very precise and very different meanings: 90003 90014 90015 Stress is a measurement of how much internal pressure a material is under when a force acts on it. The bigger the force or the smaller the area over which it acts, the more likely it is that the material is to going to deform (change shape). Just like pressure, we measure stress by dividing the force that’s acting by the area it’s acting over, so stress = force / area. 90016 90015 Strain is what happens as a result of stress.If a material is stressed by a force, it often changes shape and gets a little bit longer (if you’ve pulled it apart) or shorter (if you’ve pushed it together). The strain is defined as the change in length the force produces divided by the material’s original length. So if you pull a 10cm-long piece of elastic and it stretches by 1cm, the strain is 0.1. 90016 90019 90002 Artwork: The concepts of stress and strain compared. Top: Stress: If you apply a pulling force to a bar of a certain cross-sectional area, you create a certain stress.If you apply the same force to a bar half the area, you produce twice as much stress. Bottom: Strain: If you apply no force to a bar, you do not stretch it at all. Apply a certain force and you’ll extend its length by a certain amount, producing a certain strain. If you apply more force so you double the extension, you’ll have produced twice as much strain (assuming the material behaves in a nice, simpler, linear way). 90003 90002 90003 90010 Materials under stress 90011 90002 Different materials behave in very different ways under similar amounts of stress.If you subject a rubber band to stress, by pulling, it stretches accordingly; release the stress and the band returns to its previous shape. When materials go back to their original shape and size after stressing forces are removed, we say they’ve undergone elastic deformation; many materials behave like this, including rubber, some plastics, and many metals (which, you might be surprised to hear, are perfectly elastic when very small forces are involved). Eventually, elastic materials reach a point where they can not cope with extra stress and stretch permanently.This kind of change is called plastic deformation. (Note that the proper meaning of plastic is something that changes shape relatively easily. That’s why plastics are called plastics: they are easily molded into different shapes when they are manufactured.) 90003 90002 90003 90002 Photo: NASA is using strain gauges here to measure what’s happening on the inside of an airplane wing. Photo by courtesy of NASA Armstrong Flight Research Center. 90003 90002 If you’re an engineer, stresses and strains are incredibly important.If you’re designing anything from a car engine or a bridge to a wind turbine or an airplane wing, you know it’s going to be subject to some pretty hefty forces. Can the materials you want to use stand up to those forces? Will they deform elastically by tiny amounts and return safely to their original shape and size? Will they break apart after repeated stresses and strains through a process such as metal fatigue (where repeated deformation causes a metal to weaken and suddenly snap). Do you need to use something stronger to be on the safe side? And how exactly can you tell? You can do your calculations in the lab and try to figure it out in advance.You can even build sophisticated computer models to help you. But the sure-fire way of getting an answer to how materials are coping under pressure is to use strain gauges to measure the way they behave when real-life forces act on them. 90003 90010 Types of strain gauges 90011 90002 There are five main types of strain gauges: mechanical, hydraulic, electrical resistance, optical, and piezoelectric. Let’s compare how they work. 90003 90038 Mechanical 90039 90002 90003 90002 Photo: A simple mechanical crack monitor.You watch the red crosshairs move on the scale as the crack widens. Detectors like this are made by such companies as Avongard; you can find other brands by searching for «crack monitor» on your favorite search engine or auction site. 90003 90002 Suppose you have a crack forming in a wall of your home because of subsidence and you want to know if it’s getting any worse. Call in the building inspectors and they’ll probably glue a piece of tough, plexiglass plastic, ruled with lines and a scale, directly over the crack.Sometimes known as a crack monitor, you’ll find it’s actually made up of two separate plastic layers. The bottom layer has a ruled scale on it and the top layer has a red arrow or pointer. You glue one layer to one side of the crack and one layer to the other so, as the crack opens, the layers slide very slowly past one another and you can see the pointer moving over the scale. Depending on how quickly the crack is moving, you know how long you have to take action and resolve your problem! 90003 90002 Some mechanical strain gauges are even more crude than this.You simply glue the piece of plastic or glass across your crack and wait for it to shatter when the building moves. 90003 90038 Hydraulic 90039 90002 One of the problems with strain gauges is detecting very small strains. You can imagine, for example, a situation where your house is slowly subsiding but the amount of movement is so small that it will not show up-perhaps until the damage is done. With a simple crack detector such as the ones described above, it takes 1mm of building movement to produce 1mm of movement on the surface of the crack detector.But what if we want to detect movements smaller than this that do not show up on a scale? In this case, what we really need is a strain gauge with 90051 leverage 90052 that amplifies the strain, so even a tiny movement of the detecting element produces a very large and easily measurable movement of a pointer over a scale. 90003 90002 Hydraulic detectors offer a solution and work much like simple syringes. Syringes are essentially hydraulic pistons where a small movement of fluid in a large piston (the part you press with your finger) produces a much larger movement of fluid in a small piston attached to it (the needle where the fluid comes out).It’s easy to see how this can be used in a strain gauge: you simply connect your large piston to whatever it is that’s producing the strain and use a smaller piston in a smaller tube, marked with a scale, to indicate how much movement has occurred . The relative size of the pistons determines how much the movement you’re trying to detect is scaled up. Typically, hydraulic strain gauges like this multiply movement by a factor of 10 or so and are commonly used in geology and Earth science. 90003 90002 90003 90002 Artwork: A simple example of a hydraulic strain gauge.The strain you want to measure presses down on the green button (top left). That forces a large, wide piston (yellow, 55) into a hydraulic cylinder (red, 56), squashing trapped fluid (blue) down through a narrow pipe. This is the hydraulic principle in action: tiny movements of the green button and yellow piston are magnified into much larger movements by the narrowness of the tube. The fluid flows into a coiled-up Bourdon tube (orange, 83), which uncurls according to the pressure inside it, pulling on a lever linkage (dark blue, 84, 85), altering the overlap between a couple of induction coils so they send more or less electric current to a circuit.In this way, a force pressing on the green button is translated into a measureable electric signal. From US Patent 2,600,453: Method and apparatus for controlling heat in hot machining processes by Richard Weingart. June 17, 1952, courtesy of US Patent and Trademark Office. 90003 90038 Electrical resistance 90039 90002 If you’re designing something like an airplane wing, typically you need to make far more sophisticated measurements (and many more of them) than a simple mechanical strain gauge will allow.You might want to measure the strain during takeoff, for example, when the engines are producing maximum thrust. You can not go sticking little plastic strain gauges onto the wing and walk out to measure them during a flight! But you can use electrical strain gauges to do much the same thing from a flight recorder in the cockpit. 90003 90002 90003 90002 Photo: A closeup of two electrical strain gauges. You can clearly see the maze-like wiring patterns on the foil backing. These change shape, causing the wires to change resistance when the foil is bent by stresses and strains.Photo by courtesy of NASA Glenn Research Center (NASA-GRC). 90003 90002 The most common electrical strain gauges are thin, rectangular-shaped strips of foil with maze-like wiring patterns on them leading to a couple of electrical cables. You stick the foil onto the material you want to measure and wire the cables up to your computer or monitoring circuit. When the material you’re studying is strained, the foil strip is very slightly bent out of shape and the maze-like wires are either pulled apart (so their wires are stretched slightly thinner) or pushed together (so the wires are pushed together and become slightly thicker).Changing the width of a metal wire changes its electrical resistance, because it’s harder for electrons to carry electric currents down narrower wires. So all you have to do is measure the resistance (typically using a Wheatstone bridge) and, with a bit of appropriate conversion, you can calculate the strain. If the forces involved are small, the deformation is elastic and the strain gauge eventually returns to its original shape-so you can keep making measurements over a period of time, such as during the test flight of a prototype plane.90003 90002 Resistance-type strain gauges like this were invented in 1938 by MIT professor Arthur Ruge (1905-2000) to help with earthquake detection. 90003 90002 90003 90002 Artwork: Right: An illustration of Arthur Ruge’s original electrical resistance strain gauge from a US patent he filed in September 1939. It consists of a conducting metal filament (yellow) stretched back and forth between a pair of comb-like supports (blue) and connected to contacts (red) that can be wired into a circuit.As the strain changes, the filament is distorted and its resistance rises or falls; measuring the resistance is a way of indirectly measuring the strain. The gauge includes a second, similar filament (orange) that can be used to compensate for any changes in resistance caused purely by changes in temperature. The idea is to choose different materials for the two filaments so that their temperature changes cancel one another out. Ruge made his filaments from strain-sensitive alloys such as Advance (copper-nickel) and Nichrome (nickel-chrome).From US Patent 2,350,972: Strain gauge by Arthur C. Ruge, June 6, тисяча дев’ятсот сорок чотири, courtesy of US Patent and Trademark Office. 90003 90038 Optical 90039 90002 Some materials change their optical properties (how they transmit or reflect light) when they’re stressed and strained-glass and plastics are good examples. Although glass is an amazingly useful and versatile material, it’s fragile and brittle, and potentially very dangerous: if it’s under too great a strain, it can suddenly crack or shatter without warning.That could be a real problem in something like a plate-glass storefront window or a car windshield. One way to detect strain in glass is to shine polarized light onto it at an angle. Some of the light will be reflected and some will be transmitted; the relative amounts of transmitted and reflected light will change according to how much strain the glass is under. By measuring the amount of reflected light, we can precisely measure the strain on the glass. 90003 90002 90003 90002 Artwork: An optical strain gauge seen from the side (top) and from above (bottom), works in a similar way to a device called a polariscope (or polarimeter).It’s made from two hollow tubes (gray 1,2) arranged at an angle to a piece of glass (green). A powerful light (blue, 6) shines a focused beam (yellow) down onto the glass through a polarizing filter (red, 8). According to whether the glass is strained, and by how much, some light reflects back up off the glass surface through a second filter (orange, 9) and onto a photoelectric cell (purple, 14). This converts the light into an electrical signal, making a needle rise or fall in an ammeter (dark blue, 15).The greater the strain on the glass, the more light is reflected and the higher the reading on the ammeter. From US Patent 2,119,577: Strain gauge for and method of measuring strains in glass by Samuel McK. Gray, June 7, 1938, courtesy of US Patent and Trademark Office. 90003 90038 Piezoelectric 90039 90002 Some types of materials, including quartz crystals and various types of ceramics, are effectively «natural» strain gauges. If you push and pull them, they generate tiny electrical voltages between their opposite faces.This phenomenon is called piezoelectricity (pronounced pee-ayyyy-zo electricity) and it’s probably best known as a way of generating the timekeeping signal in quartz watches. Measure the voltage from a piezoelectric sensor and you can calculate the strain very simply. Piezoelectric strain gauges are among the most sensitive (about 1000 times more so than simpler types) and reliable and can withstand years of repeated use. (You’ll sometimes see them called piezoelectric transducers, because they convert mechanical energy into electrical energy.) 90003 90002 90003 90002 Photo: How a piezoelectric strain gauge works. Fasten it to the object you’re testing, which might be a simple steel bar (gray, 1). The sensor is a flat crystal (blue, 3), with two parallel faces that have electrodes fixed to them (colored red and orange, 4 and 5) attached to contacts (yellow, 6 and 7) that run out to an external circuit and some kind of meter. The lower face of the crystal (red) is bonded with cement (8) very firmly to the test sample. As the sample deforms, the crystal deforms too, generating a small voltage between its top and bottom faces as its shape changes.The bigger the strain, the bigger the voltage, so measuring the voltage is a very accurate way of measuring the strain. From US Patent 2,558,563: Piezoelectric strain gauge by William Janssen, General Electric, June 26, 1951, courtesy of US Patent and Trademark Office. 90003 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *