Strain Gage Nedir? Gerinim Ölçer Temelleri

Strain gauges (gerinim ölçer)

Deformasyonu elektriksel sinyallere dönüştüren hassas sensörlerdir. Bu deformasyon, gerilme, basınç, burulma, kayma veya bükme durumlarından kaynaklanabilir. Çoğu gerilim ölçerinin elektrik direnci, mekanik gerilme, termal gerilme veya artık gerilmeler nedeniyle değişmektedir. Bir malzemeye bir gerilim ölçer uygulayarak, malzemedeki gerilimi ölçebilir, şekildeki değişiklikleri tespit edebilir veya gerilim oluştuğunda bunu belirleyebiliriz.

Strain gauges, malzemenin yüzeyine yapıştırılır ve deformasyon olduğunda dirençleri değişir, bu da ölçüm yapılmasını sağlar.

Farklı tiplerde strain gauge’ler bulunmaktadır. En yaygın olanlarından biri “direnç strain gauge”lerdir. Bunlar, bir metal telin gerilmesiyle direncindeki değişiklikleri ölçer. Bir diğer tür, yarı iletken tabanlı strain gauge’lerdir. Bu tip strain gauge’ler, yarı iletken malzemelerin elektriksel özelliklerindeki değişiklikleri kullanarak deformasyonu ölçer. Ayrıca, kapasitif ve optik strain gauge’ler gibi farklı çalışma prensiplerine sahip diğer tipler de bulunmaktadır.

Her bir strain gauge tipi, belirli uygulama gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmıştır. Örneğin, direnç strain gauge’ler, yüksek hassasiyet ve güvenilirlik sağlamak için yaygın olarak kullanılırken, yarı iletken tabanlı strain gauge’ler, yüksek sıcaklık ve ortam koşullarında daha iyi performans gösterebilir.

Hangi türde gerilim ölçerler mevcuttur?

Farklı türdeki gerilim ölçerlerini, geometriye dayalı olarak tanımlıyoruz. Izgara geometrisi, gerilim ölçerinin türünü belirler.

– Izgara Malzemesi; Constantan folyo, Karma folyo veya özel amaçlı folyo.
– Destek malzemesi türü; Modifiye fenolik, Poliimid, Fenolik-Asetal, Özel PEEK filmi, vb.
– Nominal direnç; 60 Ohm ile 4000 Ohm arasında değişir.
– Hassaslık ızgarasının uzunluğu mm cinsinden
– Kendi sıcaklık veya kendi elastik modül telafi kodu.

Bazı özelliklerin açıklaması:

Izgara ve destek malzemesi (Grid & Backing)
Bir gerilim ölçer her zaman bir destek folyosu ve alaşımdan yapılmış bir ızgaradan oluşur. Destek folyo, gerilimin ölçülmesi gereken bir yapı veya elemana bağlanır/yapıştırılır.

Izgara deseni, iletken olmayan bir destek folyosuna fotoğraf işleme (photo etching) ile kazınır.

Constantan, bakır ve nikelden oluşan bir alaşımdır. Constantan, en çok kullanılan alaşım ızgara olarak kullanılır. Bu, alaşım özelliklerinin en iyi kombinasyonunu sunması nedeniyledir.

Karma, krom ve nikel içeren bir alaşımdır. Bu malzemenin başlıca faydası yüksek yorulma faktörüdür. Karma alaşımı ayrıca yüksek sıcaklık ortamlarında da kullanılabilir.

Destek tabakaları polimid, fenolik, fenolik reçine, cam elyafı ile epoksi reçine, cam elyafı ile polimid ve poliüretan olarak sunulmaktadır.

Strain Gage Seçim Kriterleri yazımızı okuyabilirsiniz.

Nominal direnç
Nominal direnç, 60 Ohm ile 4000 Ohm arasında değişir. Gerilim ölçerlerde en yaygın kullanılan değerler genellikle 120, 350 ve 1000 Ohm’dur.

Bir gerilim ölçer nasıl bağlanır?

– Açık lehim bağlantıları ile. (exposed tab) Bu, telleri kendiniz lehimlemenizi sağlar.
– Lehim kalay noktaları ile. (thin dot)
– Önceden monte edilmiş tellerle.

Köprü devreleri: çeyrek, yarım ve tam köprü

Gerinim ölçerin direncindeki değişim çok küçüktür; bu değişimi ölçülebilir bir gerilime çevirmek için Wheatstone köprüsü kullanılır. Köprünün kaç kolunun aktif gerinim ölçer olduğu, hem duyarlılığı hem de istenmeyen etkilere karşı bağışıklığı belirler.

Çeyrek köprüde tek aktif eleman bulunur; kurulumu en basit olanıdır ancak sıcaklık etkilerine en açık olanıdır. Yarım köprüde iki aktif eleman kullanılır ve uygun yerleşimle sıcaklık kaynaklı ortak etkiler büyük ölçüde birbirini götürür. Tam köprüde dört aktif eleman bulunur; en yüksek duyarlılığı verir ve eğilme ile eksenel yükün ayrıştırılmasına imkân tanır.

Sıcaklık etkisi ve kompanzasyon

Gerinim ölçer yalnızca mekanik gerinimi değil, sıcaklık değişimini de görür. Ölçüm elemanı ile yapıştırıldığı malzemenin ısıl genleşme katsayıları farklıysa, hiç yük yokken bile bir çıkış oluşur. Buna görünür gerinim denir.

Uygulamada üç yaygın önlem vardır: malzemeye uygun ısıl genleşme katsayısına göre üretilmiş gerinim ölçer seçmek, köprü yapısını kompanzasyon sağlayacak biçimde kurmak ve ölçüm sırasında sıcaklığı ayrıca kaydederek düzeltme uygulamak.

Uygulama kalitesi sonucu belirler

Gerinim ölçer ölçümünde hata kaynaklarının önemli bölümü sensörün kendisinden değil, uygulamasından gelir. Yüzey hazırlığı, yapıştırıcı seçimi, kürlenme süresi ve kablo lehimleme kalitesi doğrudan sonuca yansır.

Yapıştırma sonrası yalıtım direncinin ölçülmesi, uygulamanın sağlıklı olup olmadığını gösteren pratik bir kontroldür. Nemli veya kimyasal ortamlarda ayrıca koruyucu kaplama uygulanır; aksi halde ölçüm zamanla kayar.

Nerelerde karşımıza çıkar?

Gerinim ölçer yalnızca laboratuvarda kullanılan bir araştırma elemanı değildir; günlük hayatta kullandığımız pek çok ölçüm cihazının içinde yer alır. Yük hücreleri, tork sensörleri, basınç transdüserleri ve endüstriyel teraziler temelde gerinim ölçer esaslı çalışır.

Bu nedenle gerinim ölçerin davranışını anlamak, yalnız gerinim ölçmek isteyenler için değil, bu sensörleri kullanan herkes için pratik değer taşır.