Kuvvet nasıl ölçülür?

Kuvvet sensörleri ile kuvvet ölçmek için, kuvvet sensörü tüm kuvvetin sensörden geçtiği ve sensörün doğrudan kuvvet akışında olduğu şekilde konumlandırılmalıdır. Kuvvetin merkezden uygulanması ve yeterince rijit bir temas yüzeyine sahip olmak burada önemlidir.

Kuvvet sensörü nasıl çalışır?

Strain gauge (gerilim ölçer) tabanlı kuvvet sensörlerinde, mekanik değişkenin elektrik sinyaline işlenmesi üç adımda gerçekleşir. Strain gauge'li her kuvvet sensörünün başlangıç noktası, üzerine dış yüklerin malzemenin yüzeyinde gerilme oluşturduğu desenli metal folyodur.

Bu gerilme, desenli metal folyonun yüzeyine uygulanan strain gauge'ler ile ölçülür. Strain gauge'ler, mekanik gerilmeyi elektrik direncindeki bir değişime dönüştürür ve mekanik-elektrik dönüştürücüler olarak işlev görür. Bu direnç değişimi, kuvvetle orantılı bir voltaj değişimi oluşturur. Bireysel strain gauge'lerin Wheatstone köprüsü şeklinde akıllı bir şekilde bağlanmasıyla, en küçük gerilmeler bile ölçülebilir.

Strain gauge tabanlı kuvvet sensörlerinin önemli avantajları şunlardır:

  • Kuvvet sensörleri için kanıtlanmış ve maliyet etkin bir teknoloji olarak strain gauge'ler
  • Yüksek doğruluk seviyesi ve mükemmel lineerlik ve histerezis davranışı
  • Wheatstone köprüsü devresine bağlanarak çok iyi sıcaklık dengelemesi
  • Statik ve dinamik yüklerin ölçülmesi mümkün
  • Sensör gövdesi için uygun malzemelerin seçimi ile yüksek yorulma dayanımı ve strain gauge'lerin yüksek titreşim direnci
  • Uzun vadeli stabilite

Desenli metal folyo - Mekanik dönüştürücü

Herhangi bir kuvvet sensörünün başlangıç noktası, kuvvet uygulanmasıyla şekil değiştiren desenli metal folyodur. Buradaki avantaj, deformasyonun tamamen elastik olmasıdır. Deformasyon, elastikiyet sınırları içinde gerçekleşir, bu nedenle yük uygulandıktan sonra desenli metal folyo sıfır yük altında orijinal şekline geri döner.

Kuvvet sensörü malzemesi

Baumer kuvvet sensörleri genellikle yüksek mukavemetli paslanmaz çelikten (1.4542) yapılır. Özel uygulamalar için, temperli çelik, alüminyum veya diğer metal alaşımlarından yapılmış kuvvet sensörleri de mevcuttur.

Tasarım ve yorulma dayanımı

Desenli metal folyonun tasarım ve yerleşimindeki zorluk, iyi ölçüm performansı için mümkün olan en yumuşak yapının ve malzeme sınırının sınırlanması arasındaki çatışmada yatar. Karmaşık bilgisayar destekli FEM simülasyonları yardımıyla, desenli metal folyo elastikiyet sınırları içinde mümkün olan en yüksek gerilme için tasarlanır. Amaç, gerinim ölçerinin uygulanabileceği mümkün olduğunca homojen bir bölge yaratmaktır. Tanınmış FKM yönergesine göre yapılan sonraki mukavemet değerlendirmesi ile kuvvet sensörlerinin yorulma dayanımı garanti edilir. Bu, Baumer kuvvet sensörlerinin nominal kuvvetlerine kadar dinamik olarak yüklenebileceği ve sürekli çalışmada 1 milyondan fazla yük döngüsü ile kullanılabileceği anlamına gelir.

Yapım türleri

Baumer kuvvet sensörleri genellikle diyafram metal folyo ile tasarlanır. Bu tasarımın önemli bir avantajı, çok küçük boyutlara sahip olmaları ve maliyet açısından etkili üretilebilmeleridir. Ayrıca, diyafram kuvvet sensörleri genellikle hermetik olarak çok iyi sızdırmazlık sağlayabilir ve bu nedenle zorlu ortamlarda da kullanılabilir. Diğer olası tasarımlar arasında S-şekilli metal folyolar, silindirik metal folyolar veya bükme kirişleri bulunur.

Gerilme ölçerler - Mekanoelektrik dönüştürücü

Gerilme ölçerler, Baumer kuvvet ve gerilme sensörlerinin çekirdek elemanıdır ve malzeme yüzeyindeki gerilmeleri ölçmek için kullanılır. Genellikle bir taşıyıcı film (poliamid), konstantan malzemeden yapılmış zikzak şekilli bir ölçüm ızgarası ve bir üst tabakadan oluşurlar. Gerilme ölçerler, mekanik gerilimi elektrik direncindeki bir değişikliğe dönüştürerek mekanik-elektrik dönüştürücüler olarak işlev görürler. Gerilme ölçerlerin direnç değişikliği orantılıdır ve K faktörü olarak adlandırılır.

Tasarım çeşitleri

Sensör yapımı için metalik gerilme ölçerler farklı tasarımlarda mevcuttur. Tipik doğrusal gerilme ölçerlerin yanı sıra, T-rozet gerilme ölçerler, rozet gerilme ölçerler ve kesme gerilme ölçerler diğer tipik tasarımlar arasındadır.

Wheatstone köprü devresi

Wheatstone köprü devresi, elektrik dirençlerindeki değişikliklerin hassas ölçümüne olanak tanıyan özel bir devre düzenlemesidir. Sensör yapımında kullanılan tam köprü devresinde, dört gerilme ölçer belirli bir düzenle birbirine bağlanır. Köprü devresi, paralel bağlı iki voltaj bölücüsünden oluşur ve ortak bir voltaj kaynağından köprü gücü UB ile beslenir.

En küçük direnç değişiklikleri, Wheatstone köprü devresi yardımıyla hassas bir şekilde tespit edilebilir. Bireysel direnç değerlerindeki değişiklikler, kolayca ölçülebilen bir köprü ofseti UA'ya neden olur. Köprünün ölçüm sinyali orantılıdır ve besleme voltajına orantılıdır. Gerinim ölçer kuvvet sensörlerinin tipik ölçüm sinyali 0.4 ila 3.0 mV/V arasındadır.

Sıcaklık özellikleri

Ölçüm sırasında sıcaklık değişiklikleri, gerinim ölçer tabanlı kuvvet sensörleri için bir zorluktur. 10 °C'lik bir sıcaklık değişimi, 100 milimetre çelikte zaten 0.012 mm'lik mutlak bir uzunluk değişimi oluşturur. Sıcaklık değişiklikleriyle indüklenen genişleme, uygun malzeme genişleme katsayısına sahip uygun bir gerinim ölçer seçilerek ve Wheatstone köprü devresi sonrasında gerinim ölçerlerin akıllıca bağlanmasıyla tamamen telafi edilebilir.

Köprü Amplifikatörü - Elektriksel Dönüştürücü

Köprü amplifikatörü, Wheatstone köprüsünü kararlı bir besleme voltajı ile besler. Köprünün çıkan sinyali amplifikatör tarafından yükseltilir ve analog olarak (voltaj çıkışı/akım çıkışı) veya dijital arayüz (CAN/IO-Link) üzerinden gösterilir. Baumer köprü amplifikatörleri, şu anda ± 10 V DC voltaj çıkışı ve 4...20 mA akım çıkışı ile mevcuttur.

Köprü amplifikatörlerinin yardımıyla, gerinim ölçer tabanlı kuvvet sensörleri uygulama sırasında kolayca sıfırlanabilir, böylece montaj sırasında sıfır ofsetleri ortadan kaldırılabilir. Köprü amplifikatörleri ile yapılan ölçümlerin bir diğer avantajı ise, yüksek dinamik uygulamalarda bile çok iyi gürültü davranışıdır.

Kuvvet ölçümünün fiziksel temelleri

Kuvvet nedir ve nasıl hesaplanır?

Newton [N] birimindeki kuvvet F, bir cismin kg cinsinden kütlesi m ile yerçekimi ivmesi g'nin m/s² cinsinden çarpımıdır.

Bu, 100 kg'lık bir kütle için 1.000 N'luk bir kuvvetle sonuçlanır. Pratikte yerçekimi ivmesi için basit bir yaklaşımla g = 10 m/s² kullanılır.

Genleşme nedir ve nasıl hesaplanır?

Bir cisme kuvvet uygulandığında, basınç kuvveti durumunda sıkışma, çekme kuvveti durumunda ise uzama meydana gelir. Bu uzunluktaki göreceli değişim, [µm/m] biriminde genleşme ε olarak tanımlanır ve mutlak uzunluk değişiminin Δl, toplam uzunluğa l0 oranı olarak tanımlanır.

Elastiklik Modülü (MOE)

Bir bileşenin gerçek uzaması, sadece geometrisi ve kuvvetle değil, aynı zamanda bileşenin malzemesiyle de ilgilidir. Belirleyici karakteristik değer, elastiklik modülüdür. Bu, katı bir cismin lineer elastik aralıkta deformasyonu sırasında gerilim ve genişleme arasındaki orantılı ilişkiyi tanımlar. Şu ilke geçerlidir: Bir malzeme ne kadar sertse, elastiklik modülü o kadar yüksektir. Dönüştürücü yapımında kullanılan standart paslanmaz çelik için elastiklik modülü E = 200'000 N/mm² ve alüminyum için 70'000 N/mm²'dir.

Kuvvetten genleşmeye

Bir F kuvvetine maruz kalan her bileşen aynı zamanda belirli bir genleşme ε yaşar. Bu genleşme her zaman malzemenin elastiklik modülüne E, malzemenin kesitine A ve kuvvete bağlıdır. Bu üç parametre kullanılarak genleşme şu şekilde hesaplanabilir:

İlgili bileşen gerilimi σ şu şekilde hesaplanır:

K faktörü

Gerilim ölçerinin K faktörü, gerilim ölçerinin hassasiyetini tanımlar. Bu, bir malzemenin uzaması ile dirençteki nispi değişim arasındaki doğrusal ilişkiyi ifade eder.

Tipik bir gerilim ölçer için K faktörü, konstantan ızgaralar için 2.05'tir.

Wheatstone köprü denklemi

Uzama ve K faktörünün yardımıyla, Wheatstone köprü denklemi kullanılarak beklenen ölçüm sinyali nihayet hesaplanabilir. Tipik bir eğilme kirişinde ölçüm sinyali şu şekilde hesaplanır:

Belirtilmelidir ki, iki gerilim ölçer çekmeye ve iki gerilim ölçer sıkışmaya tepki verir. İdeal olarak, tüm ölçüm noktalarındaki genleşme miktarı aynı olmalıdır.

Ağırlık ölçümünden ayrım

Tekrar tekrar, proje yöneticileri veya geliştirme mühendisleri, inşaat makineleri veya benzeri üzerinde ağırlık ölçümleri yapma görevi alırlar. Fiziksel olarak, kuvvet sensörleri ve yük hücreleri arasında belirli farklar yoktur. Aralarındaki tek fark, sensörlerin kalibrasyonudur. Yük hücrelerinin aksine, kuvvet sensörleri her zaman kg cinsinden tanımlı bir ağırlık yerine N cinsinden tanımlı nominal bir kuvvete kalibre edilir. Baumer sensörleri kuvvet sensörleri olarak kalibre edilir ve kuvvet ölçümü için kullanılır.

Standart kuvvet sensörleri

Kuvvet sensörlerinin karakteristik değerleri VDI 2638 yönergesinde tanımlanmıştır. Bu yönergede yapılan tanımlamalar, teknik verilerin karşılaştırılmasına olanak tanıyan kuvvet sensörleri için ortak bir dil temeli oluşturmayı mümkün kılar. Bireysel karakteristik değerler hakkında daha fazla bilgi, kuvvet ölçüm terimler sözlüğümüzde de bulunabilir.