Strain Gauge, bir malzemenin mekanik deformasyonunu ölçmek için kullanılan bir sensördür. Malzeme üzerine yapıştırılan küçük bir elektrik direnci telinden oluşur. Bu tel, malzemenin üzerine belli bir şekilde yapıştırılır ve malzeme üzerinde gerilme veya basınç uygulandığında telin uzunluğu değişir.
Strain Gauge, bu uzama veya kısalmanın neden olduğu elektrik direncindeki değişikliği ölçerek mekanik deformasyonu hesaplar. Bu ölçümler, elektronik bir devre aracılığıyla toplanır ve işlenir.
İçerik Listesi
Gerinim (Strain) Nedir?
 |
| Şekil 1. Gerinim, bir malzemenin uzunluğundaki değişimin orjinal, etkilenmemiş uzunluğuna oranıdır. |
Mekanik test ve ölçümler, bir nesnenin çeşitli kuvvetlere nasıl tepki verdiğini anlamak için önemli araçlardır. Bir malzemenin uygulanan bir kuvvete maruz kalarak yaşadığı şekil değiştirme miktarı, gerinim (strain) olarak adlandırılır. Gerinim, malzemenin değişen uzunluğunun, etkilenmemiş orijinal uzunluğa oranıdır. Gerinim pozitif (germe) veya negatif (basınç) olabilir. Bir malzeme bir yönde sıkıştırıldığında, diğer iki yönde genişleme eğilimi Poisson etkisi olarak adlandırılır. Poisson oranı (v), bu etkinin ölçüsüdür ve çapraz yönde gerilmeye eksenel yöndeki gerilmenin negatif oranıdır. Gerinim boyutsuz olmasına rağmen bazen inç/inç veya mm/mm gibi birimlerde de ifade edilebilir. Gerinim, ölçülen büyüklüğü çok küçük olduğundan, genellikle mikro-gerinim (µε), yani ε x 10-6 olarak ifade edilir.
 |
| Şekil 2. Eksenel gerilme, bir malzemenin uzunlamasına gerilme veya çekilme durumunu ölçer. Bükülme gerilmesi ise, bir malzemenin bir tarafında gerilme, diğer tarafında ise sıkışma durumunu ölçer. |
Malzemelerin farklı gerinim türleri vardır ve bunlar eksenel, eğilme, kayma ve burulma olarak sınıflandırılır. En yaygın kullanılan gerinim türleri ise eksenel ve eğilme gerinimleridir. Eksenel gerinim, bir malzemenin yatay yönde lineer bir kuvvet nedeniyle gerildiği veya sıkıştığı şekilde ölçülürken, eğilme gerinimi dikey yönde uygulanan lineer kuvvet sonucu bir tarafında gerilme ve diğer tarafında sıkışma durumu ölçülür. Ayrıca, kayma gerinimi hem yatay hem de dikey bileşenleri olan lineer bir kuvvetin neden olduğu şekil değiştirme miktarını ölçerken, burulma gerinimi hem dikey hem de yatay bileşenleri olan dairesel bir kuvvet nedeniyle ölçülür.
Strain Gauge İle Gerinim Ölçme
Gerinim ölçmek için kullanılan yöntemler arasında en yaygın olanı strain gauge yani gerinim puludur. Gerinim pulu, malzemenin gerilmesine bağlı olarak elektrik direncinde değişiklik gösterir. En yaygın olarak bağlanmış metalik gerinim pulu kullanılır. Metalik gerinim pulu, ince bir tel veya metal folyodan oluşur ve üzerinde ızgara deseni oluşturulur. Bu desen, paralel yönde gerilime maruz kalan metal tel veya folyo miktarını en üst düzeye çıkarır. Test örneği ile doğrudan bağlantılı olan ince bir destek üzerine yerleştirilen ızgara, test örneği tarafından hissedilen gerinimi doğrudan gerinim puluna aktarır. Böylece, gerinim pulu doğrusal bir değişimle tepki verir ve elektrik direncinde değişiklik gösterir. Gerinim pulu, metalin gerinimini hassas bir şekilde ölçebildiği için, endüstriyel ve bilimsel alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
 |
| Şekil 3. Strain Gauge |
Gerinim pulunun temel özelliklerinden biri, gerinime olan hassasiyetidir ve ölçüm faktörü (GF) ile nicel olarak ifade edilir. GF, elektriksel direncindeki değişimin uzunluktaki değişime oranıdır.
Metal gerinim pulunun GF değeri yaklaşık 2 olarak kabul edilir, ancak belirli bir gerinim pulunun gerçek GF değeri, sensörün yapıldığı malzemeye, geometriye ve üretim sürecine bağlı olarak değişebilir.
Gerinim ölçümleri genellikle birkaç miliepsilon (e x 10-3) kadar büyük nicelikler içermez. Bu nedenle, gerinimi ölçmek için çok küçük direnç değişikliklerini doğru bir şekilde ölçmeniz gerekir. Örneğin, bir test örneği 500 me bir gerinime maruz kalırsa, GF'si 2 olan bir gerilme ölçer sadece 2 (500 x 10-6) = 0,1% bir elektriksel direnç değişikliği gösterir. 350 Ω'luk bir gerinim pulu için, bu sadece 0.35 Ω'lik bir değişikliktir.
Hassas sonuçlar gerektirdiğinden küçük değişimlerin bile doğru bir şekilde ölçülmesi gerekir. Bu nedenle, gerinim ölçümü için Wheatstone köprüsü yapısı kullanılır. Wheatstone köprüsü, VEX adı verilen bir uyarı gerilimi ile dört dirençli koldan oluşur.
 |
| Şekil 4. Wheatsone Köprüsü |
Wheatstone köprüsü, iki paralel gerilim bölücü devresinin elektriksel karşılığıdır. R1 ve R2 bir gerilim bölücüsü meydana getirirken, R3 ve R4 ise ikinci bir gerilim bölücü devresi oluşturur. Wheatstone köprüsünden elde edilen çıkış sinyali Vo, iki gerilim bölücüsünün ortak noktaları arasındaki farktan ölçülür ve mV cinsinden bir büyüklüktür.
Bu denklem sayesinde, R1/R2=R4/R3 eşitliği sağlandığında, çıkış voltajı Vo sıfırdır ve köprü denge durumunda olur. Ancak herhangi bir koldaki direnç değişikliği, sıfır olmayan bir çıkış voltajına sebep olur. Bu nedenle, Şekil 4'teki R4 direncini aktif bir gerinim pulu ile değiştirirseniz, gerinim pulunun direncindeki değişiklikler köprüyü dengesizleştirir ve sıfır olmayan bir çıkış voltajı üretir, bu da gerinimin bir fonksiyonudur.
Doğru Gerinim Pulunu Seçme
Strain Gauge Tipleri
Gerinim ölçümü yapmak için hangi strain gauge uygulamasının kullanılacağı, ölçüm yapılan sistemin özelliklerine bağlıdır. Wheatstone köprüsünde etkin elemanların sayısı, gerinim pulunun yönelimi ve ölçülen gerinim türü, çeyrek köprü, yarım köprü veya tam köprü uygulamasını belirleyebilir.
Çeyrek Köprü Strain Gauge
Uygulama Tipi 1
 |
| Şekil 5. Çeyrek köprü strain gauge devresi |
- Eksenel ya da eğilme gerinimini ölçer
- Pasif bir çeyrek köprü tamamlama direnci olan sahte (Dummy) direnç gerektirir
- Wheatstone köprüsünü tamamlamak için yarım köprü tamamlama dirençleri gerektirir
- R4, çekme gerinimini (+ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
Uygulama Tipi 2
 |
Şekil 6. Dummy gerinim ölçerler, sıcaklık değişikliğinin etkisini ortadan kaldırır.
|
İdeal olarak, gerinim pulunun direnci sadece uygulanan gerilmeye yanıt olarak değişmelidir. Ancak, gerinim pulunun malzemesi ve uygulanan numune malzemesi de sıcaklık (temperature response) değişikliklerine yanıt verir. Çeyrek köprü gerinim pulu uygulama tipi 2, iki gerinim ölçeri Wheatstone köprüsünde kullanarak sıcaklık etkisini daha da azaltmaya yardımcı olur. Şekil 6'da gösterildiği gibi, tipik olarak bir gerinim pulu (R4) etkilidir ve ikinci bir gerinim pulu (R3), numuneye yapıştırılmamakla birlikte yakın termal temas halinde ve gerinme eksenine dik olarak yerleştirilir. Bu nedenle, gerinim bu sahte ölçer üzerinde az etkiye sahiptir, ancak herhangi bir sıcaklık değişikliği her iki ölçeri de aynı şekilde etkiler. Sıcaklık değişiklikleri iki gerilme ölçerinde de aynı olduğundan, dirençlerinin oranı değişmez, çıkış gerilimi (Vo) değişmez ve sıcaklık etkileri en aza indirgenir.
Yarım Köprü Strain Gauge
Yarım köprü uygulamasında her iki gerinim pulunu da etkin hale getirerek köprünün gerinmeye karşı hassasiyetini ikiye katlayabilirsiniz.
 |
| Şekil 8. Yarım köprü strain gauge eksenel ve eğilme gerinim uygulaması |
Uygulama Tipi 1
- Eksenel veya eğilme gerinimini ölçer.
- Wheatstone köprüsünü tamamlamak için yarım köprü tamamlama dirençleri gerektirir.
- R4, çekme gerinimini (+ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
- R3, Poisson etkisini kompanzasyon eden (-νε) etkin bir gerinim puludur.
Bu uygulama, çeyrek köprü tip 2 uygulamasıyla sık sık karıştırılır, ancak tip 1, gerilim numunesine yapıştırılmış etkin bir R3 elemanına sahiptir.
Uygulama Tipi 2
- Sadece eğilme gerinimini ölçer.
- Wheatstone köprüsünü tamamlamak için yarım köprü tamamlama dirençleri gerektirir.
- R4, çekme gerinimi (+ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
- R3, sıkıştırma gerinimi (-ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
Tam Köprü Strain Gauge
Tam köprü strain gauge, dört etkin gerinim pulu içeren strain gaugedir.
 |
| Şekil 9. Tam köprü devresi. |
Uygulama Tipi 1 - Eğilme (Bending) Gerinim
- Sadece eğilme gerinimine karşı yüksek hassasiyete sahiptir
- R1 ve R3, sıkıştırma gerinimini (-e) ölçen etkin gerinim puludur.
- R2 ve R4, çekme gerinimini (+e) ölçen etkin gerinim puludur.
Uygulama Tipi 2 - Eğilme (Bending) Gerinim
- Sadece eğilme gerinimini ölçer
- Wheatstone köprüsünü tamamlamak için yarım köprü tamamlama dirençleri gerektirir
- R4, çekme gerinimini (+ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
- R3, sıkıştırma gerinimini (-ε) ölçen etkin bir gerinim puludur.
- R4, çekme gerinimini (+e) ölçen etkin bir gerinim puludur.
Uygulama Tipi 3 - Sadece Eksenel Gerinim
- Eksenel gerinimi ölçer
- R1 ve R3, sıkıştırma Poisson (–Ve) etkisini ölçen etkin gerinim puludur.
- R2 ve R4, çekme gerinimini (+e) ölçen etkin gerinim puludur..
Strain Gauge Seçim Kriterleri
Gerinim ölçümü yaparken, kullanılan ölçerin hassasiyeti, yapılandırması ve maliyeti gibi faktörler önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle, tam köprü tip 1 yapılandırması diğer yapılandırmalardan daha hassas olmasına rağmen, daha pahalıdır ve daha fazla sayıda gerinim puluna ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, yarı köprü ve çeyrek köprü yapılandırmaları daha ekonomiktir ancak daha az hassastır. Eksenel veya bükme gerinimini ölçmek için kullanılacak gerinim pulunun seçimi, ölçüm yapılacak uygulamanın gereksinimlerine ve bütçeye bağlı olarak dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Bu sayede, doğru ölçümler yapılarak, güvenli ve verimli bir çalışma ortamı sağlanabilir.
Izgara Genişliği
Gerinim pulunun doğru bir şekilde çalışması için, uygun bir ızgara boyutu seçmek önemlidir. Izgara boyutu, test edilen örneğin boyutu ve şekline bağlıdır. Eğer kurulum yerinde herhangi bir sınırlama yoksa, daha geniş bir ızgara kullanmak daha iyi bir ısı dağılımı sağlar ve gerinim pulunun istikrarını arttırır. Ancak, test örneğinde ciddi gerilim gradyanları varsa, dar bir ızgara kullanmak daha doğru olabilir. Bu, kayma gerinimi ve Poisson geriliminin etkisinden kaynaklanan hata miktarını azaltacaktır.
Nominal Gösterge Direnci
Nominal ölçüm direnci, bir gerinim puluna gerinim uygulanmadığı durumdaki direnç değeridir. Bu değer, sensörün satıcısından veya belgelerinden öğrenilebilir. Ticari gerinim pullarının en yaygın nominal direnç değerleri 120 Ω, 350 Ω ve 1000 Ω'dir. Eğer uyarı geriliminden kaynaklanan ısı miktarını azaltmak istiyorsanız, daha yüksek bir nominal direnç kullanmayı düşünebilirsiniz. Bu şekilde, sıcaklık değişimleri nedeniyle kurşun teli direncinde meydana gelen değişimlerden kaynaklanan sinyal değişimlerini azaltabilirsiniz.
Sıcaklık Dengesi
İdeal olarak, gerinim pulunun direnci sadece gerilmeye tepki vermeli ve sıcaklıkla birlikte değişmemelidir. Ancak, gerinim pulunun direnç özelliği ve hassasiyeti, sıcaklıkla birlikte değişerek ölçüm hatalarına neden olabilir. Gerinim pulu üreticileri, pulun kullanılacağı malzemenin termal genleşmesini kompanzasyon etmek için ölçüm malzemesini işleyerek sıcaklığa karşı hassasiyeti en aza indirmeye çalışırlar. Sıcaklık-dengeli köprü uygulamaları, sıcaklık etkilerine daha az hassasiyet gösterir. Ayrıca, sıcaklık dalgalanmalarının etkilerini azaltmaya yardımcı olan bir uygulama tipi kullanılabilir.
Montaj
Gerinim pulunun kurulumu oldukça zaman ve kaynak gerektirebilir ve kurulumun zorluğu köprü uygulamasına bağlı olarak değişebilir. Yapıştırılmış gerinim pulu sayısı, tel sayısı ve montaj yeri, kurulumun zorluğunu etkileyebilir. Bazı köprü uygulamaları, yapının zıt taraflarına ölçer kurulumunu gerektirir, bu da kurulumu zorlaştırır. Bu nedenle, ölçüm yapılacak yapıya ve köprü uygulamasına uygun bir ölçer seçmek önemlidir. Örneğin, çeyrek köprü tipi 1 yapılandırması, sadece bir gerinim pulu kurulumu ve iki veya üç tel gerektirdiği için en basit olanıdır.
Strain Gauge Yapıştırma Kılavuzu
Gerinim ölçümü için kullanılan yapışkanın türüne, gerinim pulu tipine ve çalışma ortamına bağlı olarak gerinim pulunu yapıştırma yöntemi değişir. Burada, oda sıcaklığındaki normal koşullarda bir çelik plaka numunesine gerinim pulunu yapıştırmak için yapılması gerekenler sıralanmıştır.
1.Strain Gauge Seçin |
| Şekil 10. Strain Gauge |
Ölçüm nesnesine uygun gerinim pulu, örneğin doğrusal uzama, kayma, burulma katsayıları gibi ölçüm ihtiyaçlarına göre seçilir.
2.Uygulama Yüzeyi Temizleyin
Gerinim pulu yapıştırma yüzeyini, gerinim pulu boyutundan daha geniş bir alanda (400 ila 600) zımparalayın. Eğer varsa, boyadan, pas ve kaplamalardan kurtulmak için parlatmadan önce bir taşlama aleti ile yüzeydeki boya ve pası temizleyin. Yüzey parlaklığı derin çizgiler kalmayacak şekilde olmalıdır.
3.Yapıştırılacak Pozisyona Karar Verin
Kurşun kalem veya bir işaretleme pimi kullanarak, gerilme yönünde ölçüm yapılacak yeri işaretleyin. İşaretleme pimi kullanırken, gerinim pulu bağlama yüzeyini derinlemesine çizmemeye özen gösterin.
4.Yapıştırma Yüzeyindeki Yağı Çıkarın ve Temizleyin
 |
| Şekil 11. Yordam Test Asidik Temizleme Solüsyonu |
Yordam Test asidik temizleme solüsyonu ile toz ve tortu oluşturmayan spanç (sargı bezi) gibi malzemelerle tek yönlü olarak bastırarak temizleme yapılmalıdır. Temizleme işlemi kullanılan temizleme bezi silme sonrasında kirlenmeyene kadar devam ettirilmelidir. Sonrasında Yordam Test nötrleştirici sıvı ile temizlik yapılan yüzeyin silinerek asidik etkiden arındırılması gerekir. Uygulama solüsyonları iki farklı üründen oluşmaktadır. 5.Yapıştırıcıyı Uygulayın
 |
Şekil 12. Yordam Test Strain Gauge Yapıştırıcısı |
Gerinim pulu üzerine şeffaf bant yapıştırın ve bant yardımı ile gerinim pulunun yapıştırılacağı ekseni hizalayın. Strain gauge ve uygulanacak yüzeye Yordam Test strain gauge yapıştırıcısını damlatınız. Elinizin yapışmamasına dikkat ederek en az 3 dakika baskı uygulayın. Daha sonra şeffaf bantı hafifçe üzerinden kaldırınız.
6.Kablo Bağlantısını Tamamlayın
Strain gauge ve veri toplama (Data Logger) cihazı arasında düşük dirençli kablo kullanılarak bağlantı sağlanır. Kablonun test işlemi esnasında kopmaması için gerekli gerilme paylarının verilmesi ve kablonun malzemeye sabitlenmesi gerekmektedir.
7.Gerinim Pulunu Koruma
Toz, nem ve darbeden korumak için strain gauge üzerine çift karışımlı epoksi ile kaplamak gerekmektedir.
Bir yüzeyde gerilme olduğunda, yüzeyin gerilmesine doğrusal olarak bağımlı bir şekilde direnç değişimi gösteren elektromekanik sistemlerdir. Yalnızca doğrusal gerilmeler ölçülmektedir.
Kayma gerilmelerinin ölçülmesinde kullanılır. Yatay bir yüzeydeki kayma gerilimine bağlı olarak direnç değişimine neden olan yapıya sahiptir.
Gerilim altındaki malzemenin Poisson Oranını ölçer. Malzemenin gerilim altında ne kadar genişlediğini ya da daraldığını ölçmek için kullanılır.
Ürünü satın almak için
tıklayınız 120Ω - 350Ω strain gauge.
ROZET STRAİN GAUGE
Aynı anda üç farklı yöndeki gerilmeleri ölçmek için kullanılır. Birkaç doğrusal strain gaugelerin farklı yönlere yerleştirilmesi ile olur.
Çok hassas ve doğru gerilim ölçümleri gerektiren uygulamalarda kullanılır. 4 strain gaugenin bir köprü devresinde bağlanması ile oluşturulur.
Yorumlar
Yorum Gönder