Hur fungerar en trådtöjningsgivare?
Uppbyggnad
Det finns många olika varianter av trådtöjningsgivare. Men vanligast är ändå den typ som har ett gallerformat detekteringselement av tunn metallisk resistiv tråd (3 – 6µm i tjocklek) fastsatt på en tunn plastfilm (15 -16µm i tjocklek) och som sedan lamineras med en tunn täckfolie.
Täckfolien eller med ett annat namn laminatet är ett elektriskt isolerande material. Ett vanligt laminat är polyester som är en polymer och det vi i dagligt tal kallar plast. Polyesterlaminat används för applikationer där temperaturen är < 80°C. För högre temperaturer används ett laminat av polyimid då polyimid är en icke-smältande polymer.
Varje trådtöjningsgivare har även en standardresistans. De olika resistanser som brukar finns tillgängliga är 120, 350, 600 och 1000 Ω. Resistansvärdet ingår oftast i typbeteckningen för givaren.
Användning
Trådtöjningsgivaren fästs, oftast med lim, på ett mätobjekt så att den metalliska resistiva tråden kan förlängas eller förkortas beroende på den töjning som mätobjektet utsätts för. I de flesta metaller sker en förändring i elektriskt motstånd när de utsätts för en yttre kraft som antingen trycker ihop eller drar isär metallen. Givaren applicerar denna princip till töjningsmätning genom förändringen av det elektriska motståndet. Metalltråden i givaren är oftast gjord av en koppar-nickellegering. Legeringen har en motståndsförändring som är proportionell till töjningen.
Mätmetoder för töjning
Det finns olika typer av mätmetoder för töjning och de kan grovt klassificeras i mekaniska, optiska och elektriska metoder.
Eftersom töjningen på ett ämne geometrisk kan ses som en längdförändring mellan två punkter, så handlar alla metoder om att sätt att mäta längd- eller distansförändringen. Om elasticitetsmodulen för objektets material är känt, så möjliggör töjningsmätningen en beräkning av normalspänningen. Sålunda utförs ofta töjningsmätning för att bestämma normalspänningen som uppstår i ett objekt beroende en yttre kraft, snarare än att få veta storleken på töjningen.
Elektrisk resistans proportionell till töjning
Tillbaka till principen om att en trådtöjningsgivare har en metallegering som får en elektrisk motståndsförändring som är proportionell till töjningen. Låt oss uttrycka principen enligt följande:
där:
R: Ursprungligt motstånd för trådtöjningselementet, Ω (ohm).
ΔR: Motståndsförändring, Ω (ohm), initierad av en förlängning- eller förkortning av givaren.
K: Proportionell konstant kallad givarfaktor.
ε: Töjning
Givarfaktorn, K, är olika för olika metallmaterial. Koppar-nickellegeringen har en givarfaktor på omkring 2. Då töjning är ett oerhört litet fenomen, är också resistansförändringen som orsakas av töjningen extremt liten.
Som ett exempel, låt oss beräkna resistansförändringen på ett trådtöjningselement som har en töjning på 1000 • 10-6. Vi använder en trådtöjningsgivare med resistansen 120Ω och således fastställs följande ekvation:
Storleken på resistansförändringen är då:
I verkligheten är det extremt svårt att noggrant mäta en sådan liten resistansförändring som inte går att mäta med en konventionell ohmmeter. Följaktligen mäts små motståndsändringar med en dedikerad töjningsförstärkare som använder en elektrisk krets som kallas wheatstonebrygga.