این سنسورها میزان کرنش یا تغییر شکل یک جسم را اندازه گیری میکنند و معمولاً در نظارت بر سازه‌های، آزمایش مواد و لودسل استفاده میشوند.
کرنش چیست؟
کرنش اصطلاحی است که برای توصیف دگر دیسی یا تغییر شکل تجربه شده توسط یک جسم در اثر نیروهای خارجی مانند کشش، فشار یا برش استفاده میشود. این پارامتر معیاری است که نشان می‌دهد طول، شکل یا حجم یک جسم نسبت به ابعاد اصلی آن چقدر تغییر میکند.
کرنش معمولاً به صورت نسبت یا درصدی از تغییر طول یا ابعاد به طول یا ابعاد اصلی آن اندازه‌گیری میشود. این نسبت کرنش نامیده میشود و با حرف یونانی epsilon (ε) (اپسیلن) نشان داده میشود. کرنش را میتوان با رابطه زیر بیان کرد:
ε = ΔL / L
که در آن:
ε کرنش،
ΔL میزان تغییر ایجاد شده در طول یا بعد،
L طول یا بعد اصلی است
کرنش را میتوان بر اساس نوع نیروی اعمال شده به انواع مختلفی دسته بندی کرد. انواع رایج کرنش عبارتند از:
کرنش کششی: این نوع کرنش زمانی اتفاق می‌افتد که یک جسم کشیده یا از هم جدا شود. باعث افزایش طول و ایجاد کرنش مثبت میشود.
کرنش فشاری: متراکم سازی یا کرنش فشاری زمانی اتفاق می‌افتد که یک جسم به هم فشرده یا منقبض شود. متراکم سازی منجر به کاهش طول و در نتیجه ایجاد کرنش منفی میشود.
کرنش برشی: کرنش برشی زمانی اتفاق می‌افتد که نیروهای مخالف به موازات یکدیگر اعمال میشوند و باعث تغییر شکل جسم با چرخش یا لغزش میشوند.
کرنش یک مفهوم مهم در مهندسی و علم مواد است زیرا به تعیین پاسخ یک جسم به نیروهای خارجی از جمله استحکام، کشش و یکپارچگی ساختار کلی کمک میکند. اندازه گیری کرنش اغلب در زمینه‌هایی مانند مهندسی مکانیک، مهندسی عمران و آزمایش مواد برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان سازه‌ها و مواد استفاده میشود.
سنسور استرین یا کرنش چیست؟
سنسورهای کرنش سنسورهایی هستند که تغییر شکل یا دگر دیسی یک جسم را تحت تنش یا کرنش اعمال شده تشخیص و اندازه گیری میکنند. این سنسورها برای نظارت و اندازه گیری کمیت‌های فیزیکی مختلف مانند نیرو، فشار، وزن، گشتاور و یکپارچگی سازه استفاده میشوند.
انواع سنسورهای کرنش و نحوه کار آنها
اصل کار سنسورهای کرنش به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. با این حال، اصل اساسی مشترک بین همه آنها این است که سنسورهای کرنش تغییر شکل یا کرنش مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند که می‌تواند اندازه‌گیری و تحلیل شود.
کرنش سنج های مقاومتی
این سنسورها از یک عنصر مقاومتی مانند یک فویل فلزی یا یک نیمه رسانا استفاده میکنند که مقاومت الکتریکی خود را در اثر فشار تغییر می‌دهد. تغییر مقاومت متناسب با کرنش اعمال شده است و اندازه‌گیری آن امکان اندازه‌گیری کرنش را فراهم میکند.
همانطور که گفته شد، این سنسورها از تغییر مقاومت الکتریکی یک ماده‌ی تحت فشار، استفاده میکنند و در این سنسورها عنصر رسانای نازکی که پیشتر درباره‌ی آن صحبت شد، به سطح جسم مورد اندازه گیری متصل میشود. همانطور که جسم تغییر شکل میابد، کرنش سنج دچار تغییر در طول میشود که باعث تغییری متناسب با میزان کرنش، در مقاومت الکتریکی آن میشود. این تغییر مقاومت را میتوان با استفاده از مدار پل وتستون اندازه گیری کرد و کرنش اعمال شده را میتوان بر اساس تغییر مقاومت ایجاد شده محاسبه کرد.
کرنش‌سنج‌های مقاومتی به طور گسترده در مهندسی سازه، آزمایش بار و کاربردهای آزمایش مواد استفاده میشود.
کرنش‌سنج‌های خازنی
کرنش‌سنج‌های خازنی با استفاده از تغییر در ظرفیتی که هنگام تحت کرنش قرار گرفتن یک ماده ایجاد میشود، عمل میکنند. این سنسورها از دو صفحه موازی تشکیل شده اند که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند. به طور معمول، یکی از این صفحات ثابت و دیگری به جسم مورد اندازه گیری متصل میشود.
سنسورهای کرنش نوری
این سنسورها بر اساس تداخل نور یا فناوری فیبر نوری برای اندازه گیری کرنش استفاده میکنند. یک فیبر نوری با طراحی خاص به جسم مورد اندازه گیری متصل یا تعبیه میشود. با اعمال کرنش، فیبر تغییرات طولی را تجربه میکند که منجر به تغییر در شدت نور یا طول موج میشود. این تغییرات با استفاده از تکنیک‌های مناسب، شناسایی و به مقادیر کرنش تبدیل میشوند. سنسورهای کرنش نوری دارای مزایایی همچون دقت بالا، ایمنی در برابر تداخل الکترومغناطیسی دارند و می‌توانند در محیط‌های سخت استفاده شوند.
سنسورهای کرنش پیزوالکتریک
مواد پیزوالکتریک هنگامی که تحت فشار یا کرنش قرار می‌گیرند، بار الکتریکی تولید میکنند. در سنسورهای کرنش پیزوالکتریک، یک ماده پیزوالکتریک به سطح جسم مورد اندازه گیری متصل میشود. هنگامی که جسم تحت فشار قرار میگیرد، ماده پیزوالکتریک، متناسب با میزان کرنش یک بار الکتریکی تولید میکند. این بار اندازه گیری شده و به مقادیر کرنش تبدیل میشود. سنسورهای کرنش پیزوالکتریک در اندازه‌گیری‌های دینامیکی، آزمایش ضربه و تحلیل ارتعاش استفاده میشوند.
سنسورهای کرنش مغناطیسی
سنسورهای مغناطیسی از خواص موادی خاص به منظور تغییر خواص مغناطیسی آنها تحت فشار، استفاده میکنند. در این سنسورها از مواد مغناطیسی مانند نیکل یا آهن استفاده شده است. هنگامی که کرنش اعمال میشود، تغییراتی در میدان مغناطیسی ماده ایجاد میشود که با استفاده از تکنیک‌های مناسب برای تعیین مقدار کرنش اعمال شده قابل اندازه گیری است. حسگرهای کرنش مغناطیسی در مواردی مانند نظارت بر سلامت سازه و آزمایش‌های بدون آسیب استفاده میشوند.
لودسل های کرنش سنج
لودسل‌های استرین گیج یکی از رایج‌ترین سنسورهای نیرو هستند. آنها بر اساس اصل کرنش سنج‌ها کار میکنند، که المان‌هایی هستند که هنگام قرار گرفتن در معرض کرنش یا تغییر شکل، مقاومت را تغییر می‌دهند.
لودسل‌های کرنش سنج معمولاً از یک بدنه یا ساختار فلزی تشکیل شده اند که با اعمال نیرو دچار تغییر شکل میشود.
در داخل لودسل، یک یا چند کرنش سنج به سطحی که در معرض کرنش قرار میگیرد متصل میشود.
هنگامی که نیرویی به لودسل وارد میشود، بدنه فلزی را کمی تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل منجر به تغییر در مقاومت الکتریکی کرنش سنج(ها) میشود.
کرنش سنج‌ها به یک ساختار پل وتستون، که مدار الکتریکی است که تغییرات کوچک مقاومت را اندازه گیری میکند، متصل میشوند. نیروی اعمال شده باعث تغییر مقاومت و در نتیجه باعث ایجاد عدم تعادل در مدار پل وتستون میشود.
عدم تعادل در مدار پل یک سیگنال الکتریکی کوچک متناسب با نیروی اعمال شده ایجاد میکند. سپس این سیگنال توسط لودسل تقویت شده و به شکل قابل استفاده مانند ولتاژ یا جریان تبدیل میشود.
قبل از استفاده از یک لودسل کرنش سنج، باید با اعمال نیروهای شناخته شده و اندازه گیری سیگنال‌های خروجی مربوطه کالیبره شود. این فرآیند کالیبراسیون، درستی و قابل اعتماد بودن اندازه گیری‌های سنسور را تضمین میکند.
سنسورهای کرنش دارای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی از جمله نظارت بر ساختار، اندازه‌گیری بار، رباتیک، هوافضا، خودرو و مهندسی عمران هستند.
در همه موارد، خروجی از سنسور کرنش یک سیگنال الکتریکی است که می‌تواند برای نظارت و اندازه‌گیری کرنش یا تغییر شکل جسم مورد اندازه‌گیری، پردازش، تقویت و تجزیه و تحلیل شود.