Gerinim Sensörlerinin İşlevselliği ve Teknolojisi

Gerinme Nedir?

Gerinme, bir bileşen veya yapının gerilim altında uzunluk olarak göreli değişimidir. Bu, bir uzama (gerilme) veya büzülme (basınç) olabilir. Gerinme, bir yapıya uygulanan kuvvetler veya momentlerden (mekanik gerinme) ve sıcaklık değişiklikleri durumunda termal genleşmeden kaynaklanabilir. Gerinme sensörleri aracılığıyla dolaylı kuvvet ölçümü, mekanik gerinmeyi belirler.

Gerinme Nasıl Hesaplanır?

Göreceli uzunluk değişimi, [m/m] biriminde gerinme ε olarak tanımlanır ve mutlak uzunluk değişiminin Δl, toplam uzunluk l0 oranı olarak tanımlanır. Gerinme, boyutsuz bir büyüklüktür. Birimi ɛ’dir. Küçük gerinmeler, [µm/m] (1 µm = 10^-6 m) cinsinden ifade edilir. Avrupa'da genellikle [µm/m], Anglo-Amerikan ülkelerinde ise mikrogerinme veya microepsilon [µɛ] olarak kullanılır. Bir bileşen uzatıldığında pozitif gerinme, sıkıştırıldığında negatif gerinme olarak adlandırılır.

Gerinme Neden Ölçülür?

Çoğu durumda, bir malzemenin mekanik gerilimle ne kadar aşındığını ve bu nedenle ne kadar gerildiğini belirlemek için gerinme ölçülür. Aynı zamanda, gerinme ölçümü gerinmeye neden olan kuvvet hakkında bilgi sağlar. Bu, büyük kuvvetlerin belirlenmesi için akıllı bir alternatiftir. Laboratuvar ortamında, gerinim ölçerler genellikle bir bileşene yapıştırılır. Ancak seri üretimde, dolaylı kuvvet ölçümü için sabit ve yüksek kaliteli koşullar yaratmak amacıyla vidalı gerinme sensörlerinin kullanılması daha kolaydır.

Gerinme Sensörleri ile Kuvvet Ölçümü Nasıl Çalışır?

Büyük kuvvet aralıkları ve sert yapılar için gerinme sensörleri, kuvvet sensörlerine uygun bir alternatiftir. Kuvvet sensörlerinden farklı olarak, gerinme sensörleri doğrudan kuvvet akışına yerleştirilmez, bunun yerine ilgili bileşenin yüzeyine vidalanır. Makine yapısındaki gerilim, deformasyona neden olur. Yüzey gerinmesini ölçerek, gerinme sensörleri etkili kuvveti kolayca belirleyebilir. Dolaylı kuvvet ölçümü, küçük bir gerinme sensörü kullanarak büyük kuvvetleri maliyet etkin bir şekilde belirleyebilir.

Dışarıya vidalanabilen gerinme sensörlerine ek olarak, delik aracılığıyla gerinme belirleyen versiyonlar da mevcuttur. Bu, sistem tasarımına bağlı olarak faydalı olabilir.

Kuvvet Ölçümü – Gerinme Sensörü mü Kuvvet Sensörü mü Kullanılmalı?

Gerinme kuvvete nasıl yol açar?

Bir kuvvete (F) maruz kalan her bileşen belirli bir gerinim (ε) yaşar. Doğrusal elastik bölgede, bu gerinim her zaman malzemenin E-modülüne (E), malzemenin kesit alanına (A) ve kuvvete bağlıdır. Bu üç parametre kullanılarak gerinim şu şekilde hesaplanabilir:

denklemi kullanarak

Bu denklemle, ilgili bileşen gerilimini çıkarmak da kolaydır. Bu hesaplamalar Hooke Yasası'na dayanmaktadır. En basit formuyla Hooke Yasası, bir malzemenin elastikiyet modülü (E) [N/mm2] temelinde, gerinim (ε) [m/m] ve gerilim (σ) [N/mm2] arasındaki doğrudan orantılılığı belirler. Bileşenin mekanik tasarımı ve malzeme seçimi, meydana gelen mekanik gerilime dayanır. Düşük mukavemetli çelik malzemeler için daha düşük bir gerilim ve dolayısıyla gerinim kabul edilebilir. Yüksek mukavemetli çelik malzemeler için daha yüksek gerilim ve gerinim izin verilir. Gerinim sensörleri, beklenen gerinimleri kapsayan farklı ölçüm aralıklarına sahiptir.

E-modülü

Bir bileşenin yaşadığı gerinim, geometri ve kuvvetin yanı sıra her zaman bileşenin malzemesine de bağlıdır. Burada belirleyici parametre E-modülüdür (elastikiyet modülü). Bu, katı bir cismin lineer elastik alanında deformasyonu sırasında gerilim ve gerinim arasındaki orantılı ilişkiyi tanımlar. Bir malzeme ne kadar sertse, E-modülü o kadar yüksek olur. Gerinim sensörleri için yaygın olarak kullanılan temperli çelik için E-modülü E = 210.000 N/mm2'dir. Alüminyumun E-modülü yaklaşık 70.000 N/mm2; sert kauçuğun E-modülü ise 5 N/mm2'dir.

Örnek hesaplama: gerinimden kuvvete

Ölçülen gerinim sensörü üzerindeki gerinim: 240 µm/m
Çelik çubuk genişliği 20 mm x 20 mm -> Kesit alanı A = 20 mm x 20 mm = 400 mm2
F= 400 mm2 x 210,000 N/mm2 x 240 x 10^-6 m/m = 20,160 N

Bir gerinim sensörü nasıl çalışır?

Gerinim ölçer bazlı gerinim sensörlerinde, kuvvetin mekanik parametresi dört adımda elektrik sinyaline dönüştürülür. Başlangıç noktası, kuvvet uygulandığında deforme olan bir bileşendir. Bu deformasyon, sürtünmeli bir bağlantı aracılığıyla gerinim sensörüne aktarılır. Gerinim sensöründe, dış yük nedeniyle malzeme yüzeyinde gerinim oluşturan temperlenmiş çelikten yapılmış bir yay körüğü bulunur. Bu gerinim, yay körüğünün yüzeyine uygulanan gerinim ölçerler tarafından ölçülür. Gerinim ölçerler, mekanik gerinimi elektriksel direnç değişimine dönüştürür ve mekanik-elektriksel dönüştürücüler olarak işlev görür. Bu direnç değişikliği sonucunda, gerinimle orantılı bir voltaj değişikliği üretirler. Bireysel gerinim ölçerlerin Wheatstone köprüsü ile akıllıca bağlantısı sayesinde, en küçük gerinimler bile ölçülebilir.

Bir gerinim ölçer mekanik-elektrik dönüştürücüsü nasıl çalışır?

Gerinim ölçerler, Baumer kuvvet ve gerinim sensörlerinin çekirdeğinde yer alır ve malzeme yüzeylerindeki gerinimi tespit etmek için kullanılır. Genellikle bir destek filmi (polimid), sabitandan yapılmış bir zikzak şekilli ölçüm ağı ve bir kaplama katmanından oluşurlar. Gerinim ölçerler, mekanik gerinimi elektriksel direnç değişimine dönüştürür ve mekanik-elektriksel dönüştürücüler olarak işlev görürler. Gerinim ölçerlerin direnç değişimi orantılı olarak gerçekleşir ve k faktörü olarak tanımlanır.

Tasarım

Metal gerinim ölçerler farklı tasarımlarda mevcuttur. Tipik doğrusal gerinim ölçerlerin yanı sıra, T rozet gerinim ölçerler, rozet gerinim ölçerler ve kayma gerinim ölçerler gibi diğer tipik tasarımlar da bulunmaktadır.

Bir Wheatstone köprü devresi nedir?

Wheatstone köprü devresi, elektriksel direnç değişikliklerini hassas bir şekilde ölçmeye yardımcı olan özel bir elektriksel direnç devresidir. Sensör yapımında kullanılan tam köprü devresinde, dört gerinim ölçer belirli bir düzenle her zaman birbirine bağlanır. Köprü devresi, paralel olarak bağlanmış iki gerilim bölücüsünden oluşur ve ortak bir güç kaynağı olan köprü güç kaynağı UB ile beslenir.

Wheatstone köprü devresi sayesinde en küçük direnç değişiklikleri bile hassas bir şekilde tespit edilebilir. Bireysel dirençlerdeki değişiklikler köprü dengesizliği UA'ya yol açar, bu da kolayca ölçülebilir. Köprünün ölçüm sinyali oranlı olarak davranır ve besleme voltajına orantılıdır. Gerinim ölçer sensörlerinin tipik ölçüm sinyali 0,4 ila 3,0 mV/V aralığındadır.

Gerinim sensörleri yorulmaya dayanıklı mı?

Baumer gerinim sensörleri, mekanik olarak, tüm gerinim aralığında (örneğin +/- 500 µm/m) en az 10 milyon döngü boyunca yorulmaya dayanıklıdır. Bu sayede, yüksek döngü ve yük sayısına sahip süreçler pozitif ve negatif yönde izlenebilir.