Tenzometry (Strain gauge)¶

Teoretický základ problematiky tenzometrů¶

Tenzometry se využívají pro univerzální i přesná měření deformací, sil, tlaků i momentů působící na pevná tělesa. První tenzometr (anglicky Strain gage), lze říct převodník deformace (prodloužení, prohnutí) na změnu odporu, byl prakticky sestrojen v roce 1938 a od té doby se používá v mnoha oblastech průmyslu. Například je využívají stavbaři, architekti, projektanti, automobilový a strojírenský průmysl a také je najdete měření tlaků a sil v pneumatických zařízeních apod. Na první pohled neviditelné se pak objevují v oblasti topení, vzduchotechniky, kde jsou schovány miniaturní integrované křemíkové tenzometry v senzorech a snímačích tlaku a síly. Všude tam, kde je nutné přímo elektricky měřit nebo
monitorovat deformaci nějakého objektu pevného skupenství. Samostatnou kapitolou jsou pak tenzometrické váhové snímače (strain gauge cells), které najdete ve většině běžných vážících zařízeních. [1]

Typy tenzometrů¶

První tenzometry byly kovové drátkové. V roce 1952 pak vznikl tenzometr fóliový. Ten se ve velkém množství využívá i dnes, kdy mu konkurují polovodičové (křemíkové) tenzometry. Ty se sice vyznačují až 60x větší citlivostí, tj. změna odporu na změně délky, ale naopak linearitou a přesností je převyšují právě fóliové. To znamená, všude kde je nutné měřit se zvýšenou přesností, se využívají fóliové tenzometry. [1]

Obr. 1. Stručný přehled rozdělení tenzometrů.

V případě odporových tenzometrů se využívá změny odporu mechanicky namáhaného vodiče délky l, průřezu S a rezistivitou ρ. Změny odporu jsou zde nejčastěji dány změnou parametru délky vodiče o Δl. Tenzometr je proto nejcitlivější na deformaci (natažení, prohnutí apod.) právě ve směru delší strany. Kovové tenzometry se dělí na drátové a fóliové. [1]

Obr. 2. Rozložení kovového tenzometru [2]

Drátové tenzometry jsou zhotoveny z tenkého odporového drátu průměru 0,01 až 0,03 mm nejčastěji z konstantanu (60% Cu, 40% Ni), který vykazuje dobrou linearitu mezi odporovou změnou a poměrným prodloužením až do 6,5% a který má poměrně malý
součinitel tepelné roztažnosti. Další charakteristiky používaných materiálů viz obr.3 .

Obr. 3. Závislost odporu na relativním prodloužení u vybraných materiálů [2]

Fóliové tenzometry jsou zhotoveny fotochemickým způsobem podobně jako plošné spoje z konstantanové anebo chromniklové fólie tloušťky 5 – 15 μm. Jejich výhodou oproti drátovým tenzometrům je snadnější výroba tvarově složitějších snímačů, lepší odvod tepla, což umožňuje zvýšené proudové zatížení tenzometrů a tím i zvýšení jejich citlivosti a menší
příčnou citlivost. [3]

Polovodičové tenzometry

Polovodičové tenzometry jsou založeny na piezorezistentním jevu – změně elektrického odporu v závislosti na deformaci monokrystalu křemíku nebo germania. Z monokrystalu se provede orientovaný výřez ve tvaru tenkého proužku, který se na koncích opatří vývody. Velkou výhodou polovodičových tenzometrů je jejich velká citlivost, umožňující měření i
velmi malých deformací, nevýhodou je však nelineární závislost poměrné změny odporu na deformaci a výrazný vliv teploty na velikost výstupního signálu. [3]

Doporučená a použitá literatura¶

1. VOJÁČEK, Antonín. Odporové tenzometry - princip, provedení, použití, historie [online]. 19.03.2017 [cit. 2018-12-27]. Dostupné z: https://automatizace.hw.cz/foliove-odporove-tenzometry-princip-provedeni-pouziti-historie.html
2. HBM měřící technika. Snímače síly [online]. [cit. 2018-12-26]. Dostupné z: https://www.hbm.cz/produkty/snimace-sily/
3. MACURA, P., FOJTÍK, F. EXPERIMENTÁLNÍ METODY V MECHANICE: 5. Přednáška – Tenzometrie [online] Ostrava: Vysoká škola báňská, 2013 [cit. 2018-12-27]. ISBN 978-80-248-3018-6. Dostupné z: http://projekty.fs.vsb.cz/463/edubase/VY_01_007/Experimentalni%20metody%20v%20mechanice/02%20Text%20pro%20e-learning/Experimentalni%20metody%20v
   %20mechanice%205%20.pdf
4. KUBÍN J., VŠETULA Š. Zesilovač pro tenzometry ČVUT, FBMI 2019. 23 str.