انواع کرنش سنج و نحوه عملکرد آن ها

کرنش سنج چیست؟

کرنش سنج (Strain Guage) یا استرین گیج وسیله ای است که جابجایی مکانیکی (کرنش) را به تغییر در مقاومت تبدیل می کند. کرنش سنج یک وسیله ی نازک و ویفر مانند است که فشار اعمال شده را اندازه گیری می کند و ممکن است با یک چسب مناسب مانند سیانواکریلات به مواد مختلف متصل شود. امروزه انواع کرنش سنج ها ساخته شده اند اما رایج ترین نوع کرنش سنج که توسط Edward E. Simmons و Arthur C. Ruge در سال 1938 اختراع شد، از یک صفحه انعطاف پذیر عایق تشکیل شده است که یک شامل یک فویل فلزی با الگوی خاصی است. با تغییر شکل جسم، فویل تغییر شکل داده و باعث تغییر مقاومت الکتریکی آن می شود. این تغییر مقاومت که معمولاً با استفاده از پل وتستون اندازه گیری می شود.

مهندسان اغلب از کرنش سنج ها برای اندازه گیری تأثیر نیروهای خارجی بر یک جسم استفاده می کنند. به کمک انواع کرنش سنج ها، مقدار کرنش مستقیماً اندازه گیری می شود اما می تواند به عنوان معیاری برای میزان تنش، گشتاور، فشار، انحراف و … مورد استفاده قرار گیرد.

در این مقاله با تعریف، کارکرد، مزایا و معایب کرنش سنج ها آشنا خواهید شد. اما پیش از آن به اختصار کرنش و تنش را معرفی می کنیم.

کرنش یک پارامتر قابل اندازه گیری بدون بعد (بدون واحد) است که نسبت طول تغییر یافته یک جسم به طول اولیه آن است. در نتیجه، زمانی که یک ماده کشیده می شود، یک کرنش مثبت اتفاق می افتد، در حالی که وقتی یک ماده فشرده می شود، یک کرنش منفی رخ می دهد. تنش نیز به عنوان نیروی اعمال شده تقسیم بر سطح مقطع اولیه جسم یا توانایی مقاومت داخلی جسم تعریف می شود. تنش و کرنش به یکدیگر وابسته بوده و اندازه گیری کرنش می تواند معیاری از مقدار تنش نیز باشد.

کاربردهای کرنش سنج

در مهندسی عمران از انواع کرنش سنج ها برای مانیتورینگ ژئوتکنیکی برای شناسایی خرابی ها در سازه هایی مانند پل ها و ساختمان ها استفاده می شوند. از آنجایی که هرگونه تغییر شکل قابل توجهی می تواند منجر به آسیب یا خسارات زیادی شود، این سازه ها باید دائماً نظارت شوند. این کرنش سنج ها به دلیل دقت بالا، توانایی عملکرد در فواصل بسیار زیاد از جسم مورد آزمایش و سهولت در راه‌اندازی و نگهداری در دوره‌های زمانی طولانی، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آزمایش در فضای باز اغلب مشابه آزمایش در آزمایشگاه در شرایط ایده آل نیست. یکی از دلایل ارزشمند بودن انواع کرنش سنج ها این است که می توان از آنها در شرایط سخت استفاده کرد و داده های قابل اعتماد و با دقت بالا تولید کرد. در کاربردی دیگر، مهندسان میلیون‌ها کرنش‌سنج را در کاربردهای هوافضا برای بررسی و صحت سنجی یافته‌های شبیه‌سازی‌های CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) و FEA (تحلیل عناصر محدود) استفاده می کنند. این آزمایش‌ها اغلب در شرایط دینامیکی انجام می‌شوند تا تصویری واقعی از چگونگی تأثیر نیروهای مختلف بر هواپیماها ارائه کنند.

موارد زیر کاربردهای عمومی انواع کرنش سنج است:

• اندازه گیری کرنش
• اندازه گیری تنش پسماند
• تجزیه و تحلیل ارتعاش
• اندازه گیری گشتاور
• اندازه گیری خمش و انحراف
• اندازه گیری فشار و کشش

برخی از کاربردهای صنعتی و مهندسی کرنش سنج ها به صورت زیر است:

• استفاده در لودسل ها که در ترازو و باسکول ها برای اندازه گیری وزن به کار می روند
• اندازه گیری تنش در خطوط ریلی و راه آهن
• اندازه گیری تنش پسماند در فرایندهای تولید مانند جوشکاری و ریخته گری
• اندازه گیری انحراف بال هواپیما
• اندازه گیری گشتاور در محورهای دوار در نیروگاه ها، توربین ها، فن ها و…
• اندازه گیری تنش و کرنش در پل ها، برج ها و ساختمان ها
• کاربردهای پزشکی برای اندازه گیری نیرو و فشارهای وارد به اندام ها و مفاصل
• تست و اندازه گیری نیروهای وارد به سیستم تعلیق خودرو

انواع کرنش سنج

کرنش سنج های مقاومتی (Resistive Strain Gauges)

کرنش سنج های مقاومتی رایج ترین نوع کرنش سنج ها هستند. در این کرنش سنج ها، اعمال تنش و کرنش موجب تغییر مقدار مقاومت الکتریکی شده و مقدار آن توسط یک مدار الکتریکی اندازه گیری می شود و با ضریب گیج، مقدار کرنش مشخص می شود. انواع کرنش سنج های مقاومتی خود به 3 دسته اصلی تقسیم می شوند که در زیر به اختصار بیان شده اند:

• کرنش سنج فلزی باند شده (Bonded Metallic Strain Gauges)
• کرنش سنج پیزورزیستیو یا سیلیکونی (Piezoresistive (Silicon) Strain Gauges)
• کرنش سنج نانوتیوب کربنی (Carbon NanotubesStrain Gauges)

انواع کرنش سنج هایی که نسبت به کرنش سنج های مقاومتی گستردگی کمتری دارند، در ادامه به اختصار بیان شده اند.

• کرنش سنج خازنی (Capacitive Strain Gauges)
• کرنش سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Strain Gauges)
• کرنش سنج مغناطیسی (Magnetoelastic Strain Gauges)
• کرنش سنج آکوستیکی (Acoustic Strain Gauges)
• کرنش سنج نوری (optical strain gauges)

دسته بندی استرین گیج های مقاومتی از لحاظ هندسه و شکل

• کرنش سنج های خطی (Linear strain gauges)
• کرنش سنج های خطی دوبل (Double linear strain gauges)
• کرنش سنج برشی (Shear strain gauges)
• کرنش سنج روزت 90 درجه (2 جهت اندازه گیری). (90°-Rosette (2 measuring directions).)
• کرنش سنج های نیم پل (Half bridge strain gauges)
• کرنش سنج تمام پل (Full bridge strain gauges)
• کرنش سنج روزت 45 درجه (3 جهت اندازه گیری) (45°-Rosette (3 measuring directions))
• کرنش سنج غشایی روزت (Membrane Rosette strain gauges)

1) کرنش سنج های خطی: کرنش سنج های خطی دارای یک شبکه اندازه گیری برای کرنش هستند و کرنش را در یک جهت اندازه گیری می کنند.

2) کرنش سنج های خطی دوبل: انواع کرنش سنج های خطی دوگانه دارای دو شبکه اندازه گیری هستند که به موازات یکدیگر قرار می گیرند. کاربردهای عمومی برای این کرنش سنج ها شامل اندازه گیری خمش تیرها، تست و آزمایش بدنه کشتی و اجزای آن، تست وسایل نقلیه، ساخت و ساز، راه آهن و کاربردهایی در هوافضا است.

3) کرنش سنج های برشی (کرنش سنج V شکل): دارای 2 شبکه اندازه گیری هستند که با زاویه 90 درجه از یکدیگر چیده شده اند. کاربردهای معمولی برای این کرنش سنج ها شامل اندازه گیری کرنش روی میله های پیچشی و تعیین تنش های برشی در تیرهای برشی در ناحیه تار خنثی است.

4) کرنش سنج های 90 درجه روزت (T-rosettes): دارای 2 شبکه اندازه گیری هستند که با فاصله 90 درجه از یکدیگر مرتب شده اند. کاربردهای معمول برای این نوع کرنش سنج شامل تجزیه و تحلیل تنش دو محوری با جهت های اصلی شناخته شده و همچنین اندازه گیری بر روی میله های کششی و فشاری است.

5) کرنش سنج های نیم پل: کرنش سنج های نیم پل مخصوصاً برای تولید لودسل های دقیق که از اصل تیر خمشی استفاده می کنند، توسعه یافته اند. این کرنش سنج ها برای کاربردهایی که طول تیر محدود است مناسب هستند.

6) کرنش سنج های تمام پل: کرنش سنج های تمام پل دارای 4 شبکه اندازه گیری هستند که به گونه ای چیده شده اند که هرکدام با زاویه 90 درجه به دیگری افست می شوند. کاربردهای معمولی برای کرنش سنج های تمام پل شامل اندازه گیری کرنش میله های کششی/فشاری و تعیین تنش های برشی در تیرهای برشی است.

7) کرنش سنج های روزت 45 درجه: این کرنش سنج از سه شبکه اندازه گیری تشکیل شده اند که با زاویه 0°/45°/90° یا 0°/60°/120° مرتب شده اند. روزت ها انتخاب مناسبی برای تجزیه و تحلیل وضعیت تنش دو محوری با جهت های اصلی ناشناخته هستند.

8) کرنش سنج روزت غشایی: برای اندازه‌گیری کرنش الاستیک مصالح و سازه‌های تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی و همچنین برای اندازه‌گیری نیرو، فشار و جابجایی استفاده می‌شود.

مزایا و معایب کرنش سنج ها

مزایای انواع کرنش سنج ها

• از آنجا که هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد، هیچ سایش وجود ندارد.
• کرنش سنج ها بسیار دقیق هستند.
• جمع و جور و کم هزینه است.
• محدوده فرکانس وسیعی دارد.

معایب و محدودیت های انواع کرنش سنج ها

• کرنش سنج یک سیستم غیر خطی است.
• به شدت به دما حساس است.
• باید به طور منظم کالیبره شود.
• کرنش سنج ها باید به صورت دستی نصب شوند. قرار دادن آنها در مکان مناسب خود به زمان و هزینه نیاز دارد. این یکی از جدی ترین ایرادات آنهاست.

ویژگی های یک استرین گیج خوب

انواع کرنش سنج ها بسته به نوع کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند اما در حالت کلی می توان گفت یک کرنش سنج خوب باید ویژگی های زیر را داشته باشد:

• کرنش سنج باید از نظر اندازه متوسط و سبک وزن باشد.
• نسبت به کرنش بسیار حساس باشد.
• ضریب گیج یک کرنش سنج باید زیاد باشد.
• چسباندن آن به نمونه باید ساده باشد.
• باید زمان پاسخگویی سریع و تاخیر زمانی کمی داشته باشد.
• باید بتواند تفاوت بین کرنش استاتیک، گذرا و دینامیکی را تشخیص دهد.
• باید بتواند اطلاعات را از راه دور نشان دهد و ثبت کند.
• دما، رطوبت، لرزش و سایر عوامل محیطی نباید بر آن تأثیر بگذارد.
• باید مقرون به صرفه، قابل اعتماد و در اندازه های مختلف در دسترس باشد.