I många tillämpningar som kräver mätning av kraft, belastning, tryck eller vridmoment kan man inte alltid installera en standardsensor, kanske av utrymmesskäl eller på grund av kostsamma modifieringar av den befintliga strukturen.
Det här vitboken ger en översikt över det mest effektiva sättet att använda en töjningsmätare för att omvandla en befintlig lastbärande del eller ett befintligt stöd till en sensor.
TYPER AV TÖJNINGSMÄTARE
Det finns olika kategorier av töjningsmätare för många olika tillämpningar. En enkel, linjär töjningsmätare är vad vi kallar en kvartsbrygga som kan användas på flera olika sätt. T-rosett-typen har två mätgaller eller vad vi kallar en halvbrygga där varje galler är placerat i en 90° förskjutning från varandra, vilket möjliggör mätning av axial belastning och Poisson-effekten på samma bärare av töjningsmätaren.
Denna teknik kan användas vid böjning/skjuvning av balkar, pelartyper eller för att mäta vridmoment.
Figur 1. Exempel på tillämpningar av töjningsmätare.
En fullständig konfiguration med bryggor kan användas i alla typer av tillämpningar och är en av de vanligaste mätarna som används i dessa typer av situationer där man vill omvandla en befintlig del till en sensor. Den största fördelen med en komplett bryggtöjningsmätare är att alla mätgaller samlas på en och samma bärare, vilket hjälper till att säkerställa din injustering och att hjälpa till att eliminera fel i injusteringen. Ett exempel på en komplett brygga är en membranrosett. Den här konfigurationen minskar också antalet interna ledningar eftersom bryggan är ansluten via grafiken för töjningsmätaren och du bidrar till att förenkla installationen.
ANVÄNDNING
Töjningsmätare har många användningsområden. Olika mönster för töjningsmätare kan användas beroende på vilka mätningar som ska göras.
Några exempel på tillämpningar visas i figur 1. I medicinska tillämpningar används töjningsmätare för att känna av ocklusion i infusionspumpar som tryck, vridmoment i medicinska robotar och kraft i alla typer av medicinsk utrustning som kan kräva att mätarna eller sensorerna överlever hundratals autoklavcykler.
I takt med att jordbruksutrustningen har blivit ”smartare” används töjningsgivare i alla typer av tillämpningar, t.ex. sensorer för tyngdkraftsbelastning för såmaskiner och vridmoment för autonoma traktorer. När det gäller kranar och terrängfordon finns det många säkerhetsaspekter som måste beaktas när det gäller skydd mot omkullkastning eller överlyftning. Dagens industrirobotar rör sig inom alla tillverkningsområden och kräver sensorer för exakta kraftåterkopplingsslingor. Det handlar om olika sensorer som kan mäta de mekaniska förändringarna och hur man anpassar en sensor för att få den mest exakta mätningen.
Figur 2 Mätning av mätgallerlängden på en töjningsmätare – Figur 3 Konfiguration av bryggledningar.
PRINCIPER
Kraft, massa, vridmoment och tryck är de fyra grundläggande principerna för mekanisk mätning. Hos en stödpelare, till exempel, tillämpas en kraft via drag eller kompression. Vad som i slutändan händer är att balken expanderar när man drar i balken och drar ihop sig när en tryckkraft trycker ner och balken blir bredare.
I det här exemplet är den axiella töjningen positiv när man drar i balken; den kompressiva töjningen på en 90º Poisson-mätare är negativ vid kompression eftersom balken blir tunnare. Hos en cell av pelartyp händer det motsatsen när man applicerar tryck på balken.
Den grundläggande töjningsekvationen är över ursprunglig och det är den som gäller för alla dessa typer av mätningar.
När du placerar en töjningsmätare på dessa stöd sker dina mätningar inte på en enskild aktiv punkt. Det finns ett aritmetiskt medelvärde över den aktiva mätgallerlängden, som ligger mellan vändpunkterna för de faktiska töjningsmätningsgallren. Med den punkt som beskrivs i figur 2 får du ett medelvärde av alla töjningar över hela mätgallrets längd. Det är det som ger det genomsnittliga resultatet för detta exempel.
När du funderar på var du ska placera töjningsmätaren på ett stöd måste du ta hänsyn till stödets maximala styrka så att belastningen inte överskrider mätarens töjningsgränser. Dessutom ska du ha ett så platt genomsnittligt töjningsområde som möjligt för att bibehålla noggrannhetsnivån.
Figur 4_ Uppställningen av pressproblemet i överliggande kammaren.
KONFIGURATIONER
När en komponent omvandlas till en aktiv sensor finns det grundläggande konfigurationer. I en konfiguration med böjande balkar finns det en strukturell balk som utsätts för en kraft – det kan vara så enkelt som en fribärande balk.
En fribärande balk har positiva töjningar på den övre ytan och negativa på den nedre. Detta är den grundläggande principen för en fribärande balk. I det här exemplet finns det två aktiva töjningsmätare på den övre ytan och två aktiva kompressionsmätare på den nedre. Dessa är kopplade till en Wheatstone-bryggkonfiguration, som ger resultatet av en applicerad kraft. Du måste ta hänsyn till momentinflytande, med andra ord huruvida en kraft rör sig in eller ut, eller om det inte finns någon punktbelastning, kan det bli en varierande påverkan eftersom ingenting görs i detta exempel för att upphäva momentbelastningsinflytande.
Ett annat exempel är en kolonnkonfiguration. Detta används när man har att göra med antingen kraft eller töjning på en pelare eller balk. Detta mätmönster är utformat för att mäta axial- och Poisson-effekten undertill. Då skulle en annan uppsättning av dessa mätare vara kopplade till varandra på motsatt sida för att bilda en fullständig Wheatstone-brygga. I denna ekvation är spänningen likvärdig med kraften över den tvärsnittsarea där mätarna är placerade. För att mäta vridmomentet i en del, en stång eller en annan typ av pelare har man två motsatta moment och vridning sker i balken. Denna vridning kan mätas längs den centrala axeln med en uppsättning skjuvmätare som mäter de 45-graders töjningar som skapas av vridmomentet. Detta kan kopplas ihop för att skapa en komplett Wheatstone-brygga och ger den grundläggande metoden för att mäta vridmoment.
Den sista principen är en skjuvbalkskonfiguration som liknar vår tidigare balk av fribärartyp; i det här fallet ligger fördelen med att använda en skjuvprincip jämfört med en böjningsbalkskonfiguration. Genom att använda skjuvprincipen för att mäta töjningen med den pålagda kraften, placeras mätarna längs balkens neutrala axel, vilket gör denna konfiguration okänslig för moment. Kraften kan flyttas in och ut utan negativa effekter av denna förändring av belastningen på resultatet.
När man kopplar upp en Wheatstone-brygga kan den grundläggande konfigurationen illustreras med hjälp av en baseballdiamant (figur 3). Den första aktiva mätaren placeras mellan startpunkten och den första basen. De två polariteterna är alltid konfigurerade så att de är motsatta – antingen två töjningar motsatta varandra eller två kompressioner motsatta varandra. Det är detta som kommer att skapa obalans i bryggan när belastningen appliceras – det är den signalen som faktiskt kommer att mätas. I figur 3 visas spännviddstemperaturkompensering, vilket innebär att man försöker kompensera Wheatstone-bryggan för temperatureffekten av basmaterialets Young-modul. Materialvalet kan vara mycket viktigt. En strukturell del av en ram kan vara tillverkad av smidesjärn eller ett annat material som inte är avsett att vara en sensor eftersom det inte har fjäderliknande egenskaper – legerat stål, rostfritt stål eller aluminium skulle vara sensorklassade material. Du kan sedan ställa in kompensation mot effekterna av Youngs modulär.
När en spänning appliceras, då Youngs modulär förändras på materialet (vilket kommer att förändra töjningen), kommer dessa delar att göra motsatsen och faktiskt shunta spänningen eller låta mer spänning komma in i bryggan för att maskera effekten av temperatur från basmaterialet.
Den andra aspekten är nolltemperaturkompensationen internt i bryggan. Här handlar det om den faktiska temperaturpåverkan i den faktiska bryggkretsen som kan innehålla ett annat material som kompenserar för denna förändring. Nettoeffekten är att signalen inte förändras när temperaturen förändras.
På den motsatta armen finns ett nätverk för utjämning av nollsignal. Nätverket är tillverkat av samma material som töjningsmätarna, dvs. en konstantanlegering. Nätverkets nollvärdeskorrigering används eftersom det kan uppstå rå noll obalans när mätarna väl är installerade och de interna ledningarna är anslutna. Dessa nätverk tar inte upp extra signal från förstärkarkretsen, men ger en metod för att justera nollsignalen i bryggkretsen. Nollställning av bryggan bidrar till att möjliggöra maximal upplösning från den förstärkare som används.
Figur 5. Färgerna anger att de negativa och positiva stammarna är interna i det genomgående hålet.
OMVANDLA EN DEL AV EN STRUKTUR TILL EN SENSOR
Ett specifikt problem behandlar det ultimata ämnet: hur man kan omvandla en del av en struktur till en sensor (figur 4).
I det här exemplet har en kund en motor som ska driva en kulskruv genom en press för att utföra arbete i kammaren enligt ovan. Det som behövs är att bestämma det faktiska kraftvärdet eftersom kunden kräver att det ska finnas ett intervall i en styrkrets för att driva den här motorn. Produkten laddas in i det övre området och efter att ha granskat detta bestämdes det att göra denna press del till en aktiv sensor eftersom det inte skulle orsaka några förändringar i systemstrukturen.
Kunden vill ha en så exakt lastmätning som möjligt med temperaturkompensation för att undvika problem med varierande temperaturer på mätsignalen. Det går inte att styra hur belastningen ska appliceras.
– Om den alltid kommer att vara i linje, måste den därför vara okänslig för moment. I det här fallet finns det ingen plats för en standardsensor på grund av utrymmesbegränsningarna.
Det som inte visas är vad som händer ovanför i den övre kammaren. Det finns ett mycket litet utrymme som sticker igenom kammaren; det finns ingen plats för att lägga till en kraftgivare av standardtyp i denna tillämpning. Den blå delen identifierades som en möjlig lösning. Vi började med de kända belastningar som kunden hade tillhandahållit när det gäller vad som kommer att appliceras på balken. Sedan bestämde vi hur vi strategiskt skulle kunna försvaga detta så att vi främjar deformationer – töjning som vi kan mäta.
Figur 6. Den färdiga delen var tillverkad av aluminium med en anodiserad lösning som skydd.
Vi försvagade delen genom att införa ett genomgående hål som gjorde att vi med den påförda belastningen kunde utveckla de nödvändiga böjningarna. I figur 5 visar färgerna att de negativa och positiva töjningarna är interna i hålet så att man med linjära töjningsmätare kan skapa en fullständig konfiguration i Wheatstone-bryggkrets i detta hål.
Den konfigurationen fungerar bäst här och gör det möjligt för oss att uppfylla kundens krav på noggrannhet. Det finns också gott om utrymme i detta hål för temperaturkompensationskretsen.
Den befintliga delen är tillverkad av ett mycket grundläggande strukturellt material. Den var inte utformad för att vara av sensorkvalitet eller vad som normalt skulle användas som en sensor. Materialet ändrades för att ge de fjäderliknande egenskaper som behövdes. När det gäller den finita elementanalysen (FEA) kördes flera iterationer för att fastställa de bästa hålstorlekarna för att göra detta till en fungerande aktiv sensor.
Figur 6 visar den färdiga delen som består av aluminiummaterial som slutligen användes med en anodiserad lösning för skydd. En millivolt/volt sensor med full brygga utformades för att passa in i utrymmet, och hela sensorn är okänslig för moment och hade en naturlig annullering inbyggd. Delen kan bära 150 % av den ursprungliga kapaciteten utan att ha nollförskjutning eller nollrörelse. Delen kördes sedan genom en prototypprocess för att simulera de faktiska belastningsförhållandena och utföra 100 % testning och kalibrering.
SAMMANFATTNING
När den här kunden kom till oss hoppades han hitta en standardprodukt som enkelt skulle kunna placeras i den här delen med mycket små eller inga ändringar. Detta var inte möjligt, men genom vårt arbete kunde vi använda en befintlig strukturell del av kundens system och omvandla den till den aktiva sensorn. Sensorn gav sedan den önskade elektriska signalen för den belastning som behövdes och inga ändringar i kundens system krävdes.
About HBK – Hottinger Brüel & Kjær
HBK – Hottinger, Brüel & Kjaer is the world’s leading provider of technologies and services that integrate the entire test and measurement chain. Our solutions help product developers to align the test and simulation process, driving greater innovation and insight from cleaner data and more accurate analysis. We also enable OEMs to enhance product quality through sophisticated in-product measurement and monitoring sensors. For customers, this means development cycles are shorter, products are optimized, and better decisions are made. Learn more at www.hbkworld.com
HBK Sverige
Sjöängsvägen 15
192 72 Sollentuna
Phone: +46 87 562 333
Email: info@se.hbm.com
