Czujniki siły, a właściwie czujniki tensometryczne lub po prostu tensometry to jeden z najbardziej podstawowych, fundamentalnych elementów każdej wagi elektronicznej i urządzeń służących do pomiaru sił ściskających, rozciągających czy naprężeń. Czujniki siły stosowane są wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność dokonywania pomiarów wagowych, a więc we wszelkiego rodzaju magazynach, platformach najazdowych czy różnorodnych zastosowaniach laboratoryjnych. W jaki sposób działają i na czym polega ich rola w pomiarach siły?
Zasada działania tensometru
Działanie czujników siły opiera się na prostej właściwości fizycznej drutu metalowego, którego rezystancja elektryczna zmienia się wraz ze zmianą długości drutu. Przymocowany do urządzenia pomiarowego kawałek drutu lub folii oporowej, pod naporem działającej na niego siły lub momentów ulega odkształceniu, zmieniając tym swoim swoją rezystancję elektryczną i dając odczyt, który można przeliczyć na wartość działającej siły.
Dokładność pomiaru wykonywanego za pomocą czujników siły oraz ich stabilność są oczywiście zależna od wielu czynników, takich jak choćby technologia klejenia czy użyte do produkcji czujnika materiały. Elementem wyróżniającym jest też kształt i ułożenie elementów oporowych, pod kątem których czujniki siły można podzielić na tensometry wężykowe, kratowe oraz oporowe tensometry foliowe, uznawane obecnie za cechujące się największym zakresem zalet.
Pomiar rezystancji zastosowanego czujnika siły następuje w wyniku jej odkształcenia zgodnie ze wzorem: ΔR/R = k ⋅ ε, gdzie: ε oznacza odkształcenie względne, k – współczynnik odkształcania tensometru (stała tensometru), a R – rezystancję elementu oporowego. Odkształcenie względne jest więc zgodnie ze wzorem wprost proporcjonalne do względnego przyrostu oporu ΔR/R. Wartość stałej k, będąca jednym z dwóch najistotniejszych parametrów opisujących czujnik siły jest zależna od materiału z jakiego wykonany jest drut oporowy oraz sposobu jego ułożenia, rodzaju kleju czy materiału podkładki, do której został doklejony.
Jak zmierzyć wartość siły za pomocą tensometru?
Czujniki tensometryczne pozwalają na odczytanie zmiany oporności drutu w momencie odkształcenia go przez nacisk, ciężar czy siłę rozciągania. Czujniki te stosowane są jednak w różnorodnych urządzeniach wagowych, gdzie oczekiwany wynik pomiaru ma być wyrażony w gramach, kilogramach lub tonach. Wynik ten musi być więc odpowiednio przeliczony zgodnie z doskonale znanym wzorem F = m ⋅ g, gdzie F oznacza siłę odczytaną z czujnika, g – wartość przyśpieszenia ziemskiego, a m – masę obciążającą czujnik, wywierającą na niego siłę F.
Zastosowanie przetworników siły
Czujniki tensometryczne pozwalają jednocześnie na monitorowanie sił naprężających i rozciągających, a więc służą nie tylko w tradycyjnym pomiarze wagi. Z tego też powodu muszą być urządzeniami niezwykle czułymi i plastycznymi, umożliwiającymi zarówno pomiary na ogromną skalę, jak i takie na niewielkich przestrzeniach.
Czułość i precyzja działania czujników siły, podobnie jak odporność na drgania i wstrząsy są zależne od rodzaju zastosowanego drutu, jakości wykonanego mostka pomiarowego czy wreszcie potrzeb dla danego pomiaru. Co ciekawe, ze względu na plastyczność i rodzaje dostępnych czujników siły, możliwe jest dziś umieszczanie ich na powierzchniach krzywych, w trudnych warunkach pracy czy nietypowych naprężeniach, z którymi nie każdy czujnik może sobie poradzić.
Czujniki siły stosowane są oczywiście przede wszystkim w wagach i urządzeniach do pomiaru ciężaru, ale też we wszelkiego rodzaju automatyce wymagającej pomiaru siły. Z tego też powodu stosują je dziś wszelkie branże przemysłowe wymagające pomiaru wagi i masy przedmiotów. Zależnie od wybranego zastosowania, możliwe jest dziś wykorzystanie mniej lub bardziej czułych czujników zdolnych poradzić sobie z określonymi wartościami pomiaru, zadanymi naprężeniami i rozciągnięciami czy wreszcie warunkami pracy. Jednocześnie jednak czujniki siły mogą służyć do pomiaru napięcia połączeń śrubowych, napięcia lin i cięgieł, sił w urządzeniach dźwigowych, pomiaru sił w maszynach wytrzymałościowych do prób statycznych i dynamicznych, czy wreszcie w ogranicznikach obciążenia dźwignic.
Czujniki siły – na czym polega ich zadanie?
Wiedząc już jak działają i gdzie stosowane są czujniki siły nie trudno wywnioskować, że do najważniejszych zadań powierzanych tego typu przyrządom jest oczywiście pomiar masy i ciężaru danych przedmiotów. Czujniki mogą być stosowane zarówno w ramach diagnostyki, jak i w formie zabezpieczeń przed przeciążeniem konkretnych elementów konstrukcyjnych. Czujniki są więc niezastąpione właściwie w każdej gałęzi przemysłu, a ich wykorzystanie jest zależne wyłącznie od ograniczeń konkretnego czujnika.