Strain Gauge Sensorer: Konstruktion, funktion og almindelige anvendelser
2026-01-05 4549

Strain gauges er meget udbredte sensorer, der registrerer små ændringer i materialeformen forårsaget af påførte kræfter.Disse sensorer konverterer fysisk deformation til elektriske signaler, hvilket muliggør nøjagtig måling af belastning, der ikke kan observeres direkte.Denne artikel undersøger, hvordan strain gauges fungerer, hvordan de er konstrueret, hvordan deres signaler måles, og hvor de almindeligvis bruges på tværs af tekniske og industrielle applikationer.

Katalog

Strain Gauge Basics

A strain gauge er en sensor, der bruges til at måle stamme, som er deformation af et materiale når en ydre kraft anvendes.Denne kraft kan skyldes spænding, kompression, bøjning, tryk eller drejningsmoment.Når en belastning virker på et materiale, det skaber indre modstand kaldet stress og forårsager en lille ændring i formen.

En strain gauge er bundet direkte til materialets overflade, så den deformeres sammen med strukturen.Som materialet strækker sig eller komprimerer, ændres målerens elektriske modstand i forhold til deformationen.Denne forudsigelige og gentagelige adfærd gør det muligt at måle ekstremt små stammer, som ikke kan ses med øjet.

Belastning vs. Stress

Figur 2. Belastning og stressadfærd i materialer

Stamme	Stress
Strain er den relative deformation af et materiale på grund af påført spænding.	Stress er den indre kraft pr enhedsareal inden for et materiale forårsaget af en ekstern belastning.
Beregnet som ændring i længde divideret med den oprindelige længde (ε = ΔL / L).	Beregnet som kraft divideret med tværsnitsareal (σ = F / A).
Angiver hvor meget materialet deformerer.	Angiver, hvor stærkt internt kræfter virker i et materiale.
Dimensionsløs mængde, ofte udtrykt i mikrostamme (με).	Målt i pascal (Pa).
Brugt til at studere materiel adfærd og beregne stress indirekte.	Bruges til at vurdere materiale styrke og sikkerhedsgrænser.
Måles indirekte ved brug af belastning målere.	Kan ikke måles direkte.

Strain Gauge komponenter

Figur 3. Mærket diagram af en strain gauge bundet til en testprøve

Transportør: Bæreren er det tynde bagsidemateriale, der understøtter strain gauge.Det holder følergitteret på plads og gør det muligt for måleren at binde sikkert til overfladen af ​​testprøven.

Metallisk gittermønster: Dette er strain-målerens føleelement.Den er lavet af en tynd metallisk folie arrangeret i et serpentinmønster for at øge følsomheden.Når prøven deformeres, strækkes eller komprimeres dette gitter, hvilket forårsager en ændring i den elektriske modstand.

Leder: Ledningerne forbinder strain gauge til eksternt måleudstyr.De overfører modstandsændringen fra følernettet til et brokredsløb eller signalbehandlingsanlæg.

Prøveeksemplar: Dette er materialet eller strukturen, der måles.Strain gauge er bundet direkte til dens overflade, så den deformeres med samme hastighed som prøven under belastning.

Strain Gauge Konstruktion

Figur 4. Kernestrukturelementer i en strain gauge

Beskyttende laminatlag- Beskytter måleren mod fugt, støv og mekaniske skader, mens den giver elektrisk isolering.

Metallisk føleelement- En tynd metallisk folie arrangeret i et gittermønster for at øge følsomheden.Almindelige materialer omfatter konstantan og karma-legeringer på grund af deres stabile elektriske egenskaber.

Bund- eller bærelag- Normalt fremstillet af polyimid eller lignende polymerer, understøtter dette lag føleelementet og sikrer ensartet belastningsoverførsel fra testoverfladen.

Strain Gauge arbejdsprincip

Figur 5. Strain Gauge-arbejdsprincip

Strain gauges fungerer ved at konvertere mekanisk deformation til en forandring i elektrisk modstand.Når den bundne overflade udsættes for stress, deformeres måleren med samme hastighed.Udstrækning øger modstanden, mens kompression mindsker den.

For metallisk folie strain gauges, er denne modstandsændring domineret af geometriske effekter, specifikt ændringer i længden og tværsnitsarealet af føleelementet.Materialets iboende piezoresistive effekt bidrager kun med en lille del af den samlede modstandsændring.Denne skelnen er vigtig, når man sammenligner metalliske målere med halvleder-belastningssensorer.

Strain Gauge-ligning og gauge-faktor

Forholdet mellem belastning og modstandsændring er givet ved:

Figur 6. Basal Strain Gauge-ligning

hvor ΔR er ændringen i modstand, R er den oprindelig modstand, K er måleren faktor, og ε er stamme.

For de fleste metalfolie strain gauges varierer gauge-faktoren typisk fra 2,0 til 2,2, tilbyder en balance mellem følsomhed og langsigtet stabilitet.

Signalmåling ved hjælp af en Wheatstone-bro

Figur 7. Strain Gauge Målinger

Modstandsændringerne produceret af strain gauges er ekstremt små, hvilket gør direkte måling upraktisk.A Wheatstone bridge kredsløb bruges til at konvertere disse ændringer til en målbar spændingssignal.

En Wheatstone-bro består af fire modstandselementer arrangeret i en diamantkonfiguration.Når alle modstande er ens, er broen afbalanceret, og udgangsspændingen er nul.Enhver modstandsændring forårsaget af belastning ubalancer broen, hvilket producerer en spænding proportional med den påførte belastning.

Almindelige brokonfigurationer

• Kvartalsbro: En aktiv strain gauge med tre faste modstande.Anvendes til enkle, enkeltrettede målinger.

• Halvbro: To aktive målere, typisk arrangeret, så den ene er i spænding og den anden i kompression.Forbedrer temperaturkompensation og signaludgang.

• Fuld bro: Fire aktive strain gauges.Giver maksimal følsomhed, fremragende temperaturstabilitet og stærk støjafvisning.Anvendes almindeligvis i vejeceller.

Signalkonditionering

Broudgangssignaler kræver forstærkning og filtrering.Signalbehandlingselektronik forstærker signalet, reducerer støj, kompensere for temperaturpåvirkninger, og konvertere det analoge signal til digitale data til overvågning eller optagelse.

Almindelige strain gauge typer

Klassifikation	Stamme Måler type	Arbejder Princip	Funktioner	Ansøgninger
Baseret på arbejdsprincippet	Mekanisk strain gauge	Måler fysisk bevægelse vha en skala og peger	Ingen elektriske komponenter, enkelt visuel indikation	Revneovervågning i bygninger og broer
	Elektrisk belastningsmåler	Modstanden ændrer sig, når den strækkes eller komprimeret	Nøjagtig, pålidelig, meget brugt	Belastningsmåling, stress analyse, test
	Piezoelektrisk belastningsmåler	Genererer spænding, når belastningen er anvendt	Meget høj følsomhed, dynamisk svar	Vibration, stød, stød målinger
Baseret på monteringsmetode	Bonded Strain Gauge	Måler limet direkte til overfladen med klæbemiddel	Direkte belastningsoverførsel, høj nøjagtighed	Strukturel test, vejeceller
	Ubundet Strain Gauge	Tråd spændt mellem fast og bevægelige rammer	Ikke fastgjort til overfladen, stabil opsætning	Vejeceller, tryktransducere
Baseret på konstruktion	Folie Strækmåler	Metalfoliegitter bundet til isolerende bagside	Holdbar, stabil, omkostningseffektiv	Industri og laboratorium målinger
	Semiconductor Strain Gauge	Bruger piezoresistiv effekt af silicium eller germanium	Meget høj følsomhed, temperaturfølsomme	Lille belastningsmåling, sensorer
	Fotoelektrisk strain gauge	Bruger lysstråle og optisk riste	Ekstremt høj opløsning, delikat	Præcisionslaboratorium og forskning arbejde

Strain Gauge arrangementer

• Lineær belastning målere måler belastning langs en enkelt akse, når belastningsretningen er kendt

• Diafragma belastning målere måler deformation i tynde overflader og er almindelige i tryksensorer

• Rosette stamme målere måler belastning i flere retninger, når hovedbelastningsorienteringen er ukendt

• Vridning og forskydning målere registrerer drejningsmoment på roterende aksler

• Dobbelt parallel belastning målere forbedrer bøjningsmålinger ved at sammenligne spænding og kompression

• Tee roset stamme målere måler biaksial belastning, når hovedretningerne er kendt

Brug af strain gauges

- Konstruktions- og maskinteknik til belastningsfordeling og udmattelsesanalyse

- Belastnings- og kraftmåling i vejeceller og momentsensorer

- Tryk- og flowmåling ved hjælp af membraner og rør

- Forskning og eksperimentel stressanalyse

- Luftfarts-, bil- og energiindustrien til overvågning af holdbarhed og sikkerhed

- Industriel tilstandsovervågning til forudsigelig vedligeholdelse

Udfordringer ved installation af strain Gauge

Figur 8. Strain Gauge Installation Udfordringer

Temperatureffekter

Strain gauges er følsomme over for temperaturændringer.Efterhånden som temperaturen varierer, kan den elektriske modstand af målematerialet ændre sig, hvilket skaber måledrift, der ikke er relateret til den faktiske belastning.Uden korrekt temperaturkompensation eller kontrol kan denne effekt reducere nøjagtigheden.Valg af det rigtige målemateriale og brug af kompensationsteknikker hjælper med at minimere termisk påvirkning.

Miljøeksponering

Miljøforhold kan interferere med strain gauge ydeevne.Fugt og fugt kan svække klæbebindinger, mens vibrationer og elektromagnetisk interferens kan introducere signalstøj.Beskyttende belægninger, korrekt afskærmning og kontrollerede installationsmiljøer hjælper med at reducere disse risici, især i industrielle eller udendørs applikationer.

Bindingskvalitet

Sikker binding er vigtig for nøjagtig belastningsmåling.Trækmåleren skal være solidt fastgjort, så den deformeres nøjagtigt med den overflade, der måles.Dårlig overfladeforberedelse, ujævne materialer eller forkert klæbemiddelvalg kan forårsage ustabilitet i signalet eller unøjagtige aflæsninger.Omhyggelig rengøring, overfladeforberedelse og korrekte bindingsprocedurer sikrer pålidelig belastningsoverførsel.

Opnå pålidelige målinger

At løse disse udfordringer kræver korrekt installationsteknikker, kalibrering og miljøkontrol.Når strain gauges er installeret korrekt, leverer de nøjagtige og pålidelige data, der understøtter strukturelle analyser, ydeevnetest og langsigtede overvågningsapplikationer.

Fordele og ulemper ved strain gauges

Fordele

Høj nøjagtighed og følsomhed

Pålidelig belastningsmåling ved brug i vejeceller

Nem integration med elektroniske systemer

Velegnet til realtids- og langtidsovervågning

Ulemper

Følsom over for temperatur v ariat ioner

Installation kræver præcision og erfaring

Ydeevne påvirket af barske miljøer

Meget små signaler kræver forstærkning

Begrænset genanvendelighed på grund af permanent binding og kalibreringsbegrænsninger

Konklusion

Strain gauges giver præcise og pålidelige målinger af belastning til belastning, stress og strukturel overvågning.Deres nøjagtighed afhænger af korrekt valg, installation og signalbehandling.Når de anvendes korrekt, forbliver strain gauges vigtige værktøjer i teknik, forskning og industrielle målesystemer.