2-1-3 آلیاژ کارما

کارمای اصلاح شده با کاربردهای وسیع خود در حوزه های مختلف، عضو مهمی از خانواده آلیاژهای استرین گیج ها است. این آلیاژ عمر خستگی بالا و همچنین از پایداری خروجی بسیار بالایی برخوردار می باشد. برای همین بهترین گزینه برای اندازه گیری کرنش های استاتیکی در طول مدت زمان بالا (ماه ها و سال ها) در دمای اتاق و یا برای مدت های کوتاه تر در دماهای بالا می باشد. این آلیاژ همچنین برای اندازه گیری کرنش های استاتیکی در رنج دمایی 269- تا 269+ درجه سانتی گراد مناسب می باشد.

علاوه بر این موارد، آلیاژ اصلاح شده کارما منحنی خروجی دمایی صاف تری نسبت به آلیاژ کنستانتان دارد در نتیجه این آلیاژ امکان تصحیح دقیق‌تری از خطاهای حرارتی را در دماهای بالاتر در خروجی خود فراهم می کند. این آلیاژ مانند آلیاژ کنستانتان، ویژگی خود-جبران سازی دما را دارد. و می تواند بر روی مواد با ضرایب انبساط متفاوت به راحتی نصب شود. این آلیاژ زمانی انتخاب می شود که شما به گیج خود- جبران ساز دما با ویژگی های محیطی خاص نیاز دارید و این ویژگی ها و عملکردها قابل دستیابی در آلیاژ کنستانتان نیستند.

2-2 مواد حامل یا پشتیبان (Backing materials):

یک استرین گیج فویلی استاندارد، معمولا از روش حکاکی (Photo etched) فویل فلزی با پترن یا الگوی مشخص روی مواد حامل به وجود می آید. ماده حامل چندین وظیفه مهم دارد که به شرح زیر می باشد:

1 – چون الگوی فویل روی ماده حامل پیاده سازی شده است، بنابراین بستری برای الگوی فویل فلزی هنگام نصب فراهم می کند.

2- سطح چسبندگی مناسبی را برای چسباندن گیج روی قطعه کار مورد نظر فراهم می کند.

3- یک عایق الکتریکی قوی بین فویل فلزی و قطعه کار ایجاد می کند.

جنس ماده حامل عموما از پلی‌آمید یا فنول اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه می باشد. البته بعضی از سازندگان گیج ممکن است از مواد دیگری نیز برای این کار استفاده کنند. مانند جنس آلیاژ فویل فلزی (آلیاژ حساس به کرنش)، نمی توان ماده حامل را به عنوان یک پارامتر مستقل به صورت دلخواه انتخاب کرد. بلکه ترکیبی از آنها (ماده حامل و آلیاژ حساس به کرنش) به همراه یک سری از ویژگی های دیگر مانند انتخاب نوع پوشش محافط، پدهای لحیم کاری و ... گیج نهایی را به وجود می‌آورند. سازندگان و تولیدکنندگان استرین گیج معمولا محصولات خود را به صورت سری به بازار ارائه می دهند. و هر سری از ترکیب خاصی از مواد حامل و آلیاژ حساس به کرنش و دیگر موارد ساخته شده است و ویژگی‌های خاص خود را دارد و برای اهدافی خاص بهینه شده است. بنابراین طراح بعد از انتخاب نوع ماده حامل و جنس آلیاژ حساس به کرنش، باید به سری‌های گیج تولید شده توسط کارخانه تولید کننده گیج مراجعه کند و نزدیکترین سری را که ترکیبات مورد نیاز طراح را برآورده می کند، برای کاربرد مورد نظر انتخاب کند. تک تک ویژگی های مواد حامل اینجا به صورت کامل شرح داده خواهد شد تا شما را در انتخاب سری‌های گیج برای کاربرد خودتان کمک کند. البته ذکر این نکته خالی از لطف نیست که ویژگی های مواد حامل از سازنده به سازنده دیگر فرق می کند برای همین موضوع ما اینجا گیج ها و مواد حامل شرکت ویشای (Micro- Measurements) را مورد بررسی قرار می دهیم. ماده حامل یا لایه پشتی پلی‌آمید E شرکت Micro- Measurements یک حامل محکم و بسیار انعطاف پذیر می باشد. و می تواند در جاهایی که گیج باید به صورت خمیده نصب شود (مانند نصب گیج روی یک استوانه)، به راحتی مورد استفاده قرار بگیرد. به خاطر استحکام بالای آنها امکان وارد شدن آسیب های مکانیکی به گیج در حین نصب آن بسیار کم می باشد. نصب آسان آن و همچنین رنج محدوده دمایی وسیع آن (195- تا 175+ درجه سانتی گراد)، یک ماده حامل ایده آل برای تجزیه و تحلیل کرنش های استاتیکی و دینامیکی است. این ماده از استحکام کششی بسیار بالایی برخوردار است به طوری که کرنش های بالای %20 برای مواد پلاستیکی را نیز می توان با آن اندازه گرفت. این ماده حامل در استرین گیج های سری EA ، CEA، EP، EK، S2K، N2A و ED شرکت Micro- Measurements به کار رفته است.

مواد حامل فنول-اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه، عملکرد فوق‌العاده‌ای را در رنج دمایی وسیع (269- تا 290+ درجه سانتی گراد) دارند. این ماده حامل می تواند در این رنج دمایی تنش های استاتیکی و دینامیکی را به راحتی اندازه‌گیری کند. در کاربردهای کوتاه مدت حد دمایی بالا را می توان تا 400+ درجه سانتی گراد نیز بالا برد. این ماده در مقایسه با پلی‌آمید کشش پایینی دارد و میزان کشش آن به %1 تا %2 درصد محدود می شود. این ماده حامل در سری‌های WA ، WK ، SA ، SK ، WD و SD شرکت ویشای به کار رفته است.

2-3 طول گیج :

طول گیج در واقع بخش حساس به کرنش گریدها را شامل می ‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است. حلقه های انهایی و پدهای لحیم کاری جز طول گیج به حساب نمی‌آیند چون آنها به خاطر سطح مقطع نسبتا بزرگ و مقاومت الکتریکی کم، نسبت به کرنش حساس نیستند.

طول استرین گیج‌ها معمولا از 0.2mm تا 100mm برای پوشش دادن اکثر نیازها برای کاربردهای تحلیل تنش و همچنین ساخت ترنسدیوسرها، تولید و به بازار عرضه می شوند. البته این اعداد و ارقام ممکن است برای سازندگان مختلف گیج، متفاوت باشد.

طول گیج اغلب عامل بسیار مهمی در تعیین عملکرد گیج تحت مجموعه ای از شرایط است. برای مثال، اندازه‌گیری کرنش معمولاً در بحرانی‌ترین نقاط یک قطعه یا سازه ماشین انجام می‌شود - یعنی در نقاطی که بیشترین تنش را دارند یعنی جایی که گرادیان کرنش کاملاً تند است و ناحیه حداکثر کرنش به یک منطقه بسیار کوچک محدود می‌شود. استرین گیج تمایل دارد میانگین کرنش را در ناحیه تحت پوشش گریدهای خود اندازه‌گیری کند. از آنجایی که میانگین هر کرنش غیریکنواختی، از ماکزیمم مقدار آن کمتر است، بنابراین گیجی که طول آن از طول ناحیه اندازه گیری خیلی بیشتر باشد، میزان

کرنش اندازه‌گیری شده را خیلی کم نشان خواهد داد. شکل بالا یک توزیع کرنش را که در اثر تنش زیاد که در یک محدوده کوچک به وجود آمده است، نشان می دهد. همانطور که از شکل پیداست به خاطر طول زیاد گیج نسبت به طول ناحیه فشار، کرنش اندازه گیری شده مقدار پایین تری را نسبت به کرنش پیکی که در ناحیه فشار ایجاد شده است، نشان می دهد.

به عنوان یک قاعده کلی، جایی که قرار است کرنش یک نقطه اندازه گیری شود، طول استرین گیج نباید بیشتر از 0.1 برابر شعاع یک دایره، شکاف و یا هر چیزی که باعث ایجاد تنش زیاد در محل اندازه گیری کرنش شده است، باشد. با اعمال این قائده برای ساختارهایی که ابعاد عامل به وجود آورنده استرس زیاد در آنها کمتر از 13 میلی متر است، منجر به استفاده از گیج هایی با طول های بسیار کوتاه می شود. از آنجایی که استفاده از گیج هایی با طول کوتاه مشکلات دیگری را به وجود می آورد، بنابراین در انتخاب گیج باید یک مصالحه صورت گیرد.

در کل استفاده از گیج هایی با اندازه و طول بزرگتر مزیت های بیشتری نسبت به گیج های مینیاتوری دارد. در اینجا به برخی از این مزیت ها اشاره می کنیم. نصب و سیم کشی گیج های بزرگتر نسبت به اندازه های کوچکتر به مراتب آسان تر و ساده تر است. علاوه بر این گیج های بزرگتر به دلیل سطح مقطع بزرگتر آنها، برای یک مقاومت اهمی مشخص، توان تلفاتی حرارتی کمتری دارند و همچنین بهتر می توانند حرارت ایجاده شده در فویل های فلزی را دفع کنند. این امر در جاهایی که گیج روی موادی با انتقال حرارتی ضعیف مانند پلاستیک نصب شده است، اهمیت بسزایی خواهد داشت. توان تلفاتی یا اتلاف و دفع حرارتی نامساعد، باعث ایجاد دماهای بالا در آلیاژ حساس به کرنش، مواد حامل، چسب و قطعه کاری که گیج روی آن نصب شده است، می شود. و این حرارت بالا عملکرد گیج و دقت اندازه گیری را به طور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر خود قرار می دهد.

یکی دیگر از کاربردهای گیج های با طول بزرگتر، استفاده آنها در مواد ناهمگن می باشد. به عنوان مثال یک سازه بتنی را در نظر بگیرید که از ترکیب شن و ماسه و سیمان به وجود آمده است. برای اندازه گیری کرنش چنین موادی معمولا از استرین گیجی استفاده می شود که طول آن حداقل چندین دانه از ماسه و شن را پوشش دهد. زیرا در این گونه موارد معولا کرنش متوسط بیشتر حائز اهمیت می باشد نه کرنش های نوسانی شدید که بین دانه های شن و سیمان به وجود آمده است. به طور کلی، هنگام اندازه‌گیری کرنش‌ها بر روی سازه‌های ساخته شده از مواد کامپوزیتی از هر نوعی، طول گیج باید با توجه به ابعاد ناهمگونی‌های موجود در ماده، به حد کافی بزرگ باشد.

به عنوان یک قائده کلی، با توجه به ملاحظات بالا، در اغلب موارد برای اکثر کاربردها گیج هایی با طول 3 الی 6 میلی متر ترجیح داده می شود. دست طراح و مهندس در این محدوده طولی باز است و گیج های زیاد و متنوعی را می توان از طرف سازندگان آنها در این محدوده طولی در بازار یافت. علاوه براین هزینه تولید گیج های با اندازه بسیار بزرگ یا کوچک، بالا می باشد. و گیج هایی با اندازه طولی بسیار زیاد، معمولا آنچنان تاثیر زیادی روی عمر خستگی ویا پایداری ندارند در حالی که گیج های کوتاه در این مشخصه ها ضعیف هستند.

2-4 الگو یا پترن گیج :

پترن یا الگو به شکل گریدهای فلزی، تعداد گریدها و همچنین جهت آنها در گیج های چند گریدی، نحوه قرارگیری پدهای لحیم کاری به همراه تعدادی از ویژگی‌ها و خواص ساختاری استاندارد دیگر، اطلاق می شود. در یک استرین گیج تک شبکه‌ای، مناسب بودن پترن آن برای یک کاربردی، به عوامل زیر بستگی دارد:

پدهای لحیم کاری: پد های لحیم کاری باید از نظر اندازه و جهت با فضای موجود در محل نصب گیج سازگار باشند. همچنین مهم است که ترتیب پدها به گونه ای باشد که در ایجاد اتصالات مناسب حین نصب و لحیم کاری، مشکلات چندانی به وجود نیاورد.

پهنای گریدها: زمانی که کرنش شدیدی عمود بر محور نصب استرین گیج روی سطح قطعه کار مورد نظر باشد، وجود گریدهای نازک خطای میانگین گیری را به حداقل می رسانند. از طرفی گریدهای ضخیم، به خاطر سطح مقطع بزرگ آنها، توان تلفاتی حرارتی را به حداقل می رسانند و پایداری خروجی گیج را بهبود می بخشند. این مزیت زمانی که گیج روی موادی با ضریب انتقال حرارتی پایین نصب شده است، اهمیت بیشتری پیدا می کند.

مقاومت اهمی گیج: در موارد خاص، تنها تفاوت بین دو استرین گیج با پترن مشابه در یک سری، مقاومت الکتریکی آنهاست. معمولا 120 اهم در برابر 350 اهم. اگر انتخابی بین این دو وجود داشته باشد، گیج با مقاومت بالاتر ترجیح داده می شود. زیرا تلفات حرارتی آن به اندازه 3 برابر کمتر از گیج با اهم پایین می باشد ( به ازای ولتاژ اعمالی یکسان روی گیج ها). همچنین گیج با مقاومت بالاتر ، حساسیت کمتری را نسبت به تغییرات و نوسانات اهمی پایه های اتصال که ممکن است در اثر تغییرات دمایی به وجود آمده باشند، از خود نشان می دهد. گیج با مقاومت بالا نسبت سیگنال به نویز را در مدارات اندازه گیری بهبود می بخشد.

در تجزیه و تحلیل مسائل تنش، استرین گیج های تک شبکه ای زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که تنش اندازه گیری شده در محل نصب گیج به صورت تک محوری بوده و همچنین جهت آن نیز با دقت قابل قبولی (±5°) مشخص باشد. این یکی از محدودیت های بزرگ گیج های تک شبکه ای در تجزیه و تحلیل مسائل تنش می باشد. اگر تنش اندازه گیری شده توسط استرین گیج تک شبکه ای در راستای دو محور یا بیشتر باشد، مقدار تنش اندازه گیری شده در این حالت با خطای بزرگی همراه خواهد بود.

برای اندازه گیری تنش و کرنش های دو محوره معمولا از گیج هایی با دو یا سه شبکه گرید (Rosette) استفاده می کنند. اگر جهت محورهای اصلی کرنش از قبل معلوم باشد معمولا از گیج دو شبکه ای که نسبت به هم زاویه 90 درجه ای دارند، استفاده می شود. در این حالت گیج به گونه ای نصب می شود که شبکه های آن در راستای محورهای اصلی باشند. جهت محورهای اصلی معمولا توسط نوع و جهت نیروی اعمالی به قطعه کار و همچنین از هندسه قطعه کار به خوبی تشخیص داده می شود.

در حالت کلی تحلیل تنش های سطحی، اگر جهت محورهای اصلی تنش مشخص نباشد معمولا از Rosette های سه عنصری استفاده می کنند. روزت را می توان در هر جهت دلخواه نصب کرد، اما معمولاً به گونه ای نصب می شود که یکی از شبکه ها با برخی از محورهای قابل توجه جسم آزمایشی یا همان قطعه کار هم راستا باشد. روزت های سه عنصری معمولا در هر دو حالت مستطیلی 45 درجه و دلتا 60 درجه موجود هستند. انتخاب معمولی روزت مستطیلی است زیرا عملیات ساده سازی داده ها تا حدودی برای این پیکربندی ساده‌تر است.

در بعضی از Rosetteها گریدها یا شبکه های حساس به کرنش استرین گیج در روی همدیگر قرار دارند. هنگامی که قرار است در جایی از Rosetteها استفاده شود همیشه باید به تفاوت های این دو سری از Rosetteها یعنی Rosetteهای تک صفحه ای و انباشه توجه ویژه ای کرد. برای هر طول گیج معین، Rosette تک صفحه ای از نظر انتقال حرارت به قطعه کار تحت تست نسبت به Rosette انباشته برتری دارد، به طور کلی پایداری و دقت بهتری را برای اندازه گیری کرنش استاتیکی فراهم می کند. علاوه بر این، هنگامی که یک گرادیان کرنش قابل توجهی عمود بر سطح آزمایش وجود دارد (مانند خمش)، Rosette تک صفحه ای داده های کرنش دقیق تری تولید می کند زیرا همه شبکه ها تا حد امکان به سطح آزمایش نزدیک هستند. همچنین میزان انعطاف پذیری Rosetteهای انباشته نسبت به تک صفحه ای کمتر می باشد. بنابراین نصب Rosetteهای انباشته در جاهایی که سطح جسم آزمایش دارای خمیدگی های زیادی باشد، سخت تر است.

از طرفی اگر گرادیان کرنش شدیدی روی سطح جسم تحت تست در یک فضای محدود وجود داشته باشد، استفاده از Rosetteهای انباشته نتایج دقیق تری را ارائه خواهد داد. زیرا Rosetteهای تک صفحه ای در این حالت از نقاط مختلف نمونه برداری می کنند. همچنین در مواقعی که فضای نصب استرین گیج کوچک و محدود باشد استفاده از Rosetteهای انباشته ترجیح داده می شود زیرا آنها فضای نصب کمتری را اشغال می کنند.

2-5 آپشن های اختیاری :

سازندگان استرین گیج معمولا طیف گسترده ای از ویژگی های اختیاری را برای استرین سنج های همه منظوره و سنسورهای خاص خود ارائه می دهند. افزودن این گزینه ها استرین گیج پایه معمولاً هزینه را افزایش می دهد، اما این افزایش هزینه با مزایای آن جبران می شود. برای نمونه افزودن این ویژگیها باعث :

• کاهش قابل توجه زمان و هزینه های نصب می شود.
• سطح مهارت لازم برای ایجاد تاسیسات و نصب قابل اعتماد را کاهش می دهد.
• نصب حسگرها را در مکان های دشوار یا روی تجهیزات پیچیده ساده می کند.
• حفاظت گیج ها را هم در حین نصب و هم در برابر شرایط محیطی افزایش می دهد.
• دستیابی به ویژگی های عملکردی خاص.

در دسترس بودن هر گزینه با سری و الگوی گیج متفاوت است. معمولا گزینه های استاندارد برای هر سنسور در لیست محصول مربوطه ذکر می شود.