Strain Gauge

Jika strip logam konduktif diregangkan, itu akan menjadi lebih kurus dan lebih panjang, kedua perubahan tersebut menghasilkan peningkatan hambatan listrik ujung ke ujung. Sebaliknya, jika strip logam konduktif ditempatkan di bawah gaya tekan (tanpa tekuk), itu akan melebar dan memendek. Jika tegangan ini dijaga dalam batas elastis strip logam (sehingga strip tidak berubah bentuk secara permanen), strip dapat digunakan sebagai elemen pengukur untuk gaya fisik, jumlah gaya yang diterapkan disimpulkan dari pengukuran resistansi.

Apa itu Strain Gauge?

Alat seperti itu disebut regangan pengukur . Pengukur regangan sering digunakan dalam penelitian dan pengembangan teknik mesin untuk mengukur tegangan yang dihasilkan oleh mesin. Pengujian komponen pesawat adalah salah satu area aplikasi, strip pengukur regangan kecil yang direkatkan ke anggota struktural, penghubung, dan komponen penting lainnya dari badan pesawat untuk mengukur tegangan. Kebanyakan pengukur regangan lebih kecil dari perangko, dan terlihat seperti ini:

Konduktor pengukur regangan sangat tipis:jika terbuat dari kawat bundar, berdiameter sekitar 1/1000 inci. Sebagai alternatif, konduktor pengukur regangan dapat berupa strip tipis film logam yang diendapkan pada bahan substrat nonkonduktor yang disebut pembawa . Bentuk terakhir dari pengukur regangan diwakili dalam ilustrasi sebelumnya. Nama “bonded gauge” diberikan kepada pengukur regangan yang direkatkan ke struktur yang lebih besar di bawah tekanan (disebut benda uji ). Tugas mengikat pengukur regangan untuk menguji spesimen mungkin tampak sangat sederhana, tetapi sebenarnya tidak. "Mengukur" adalah keahliannya sendiri, sangat penting untuk mendapatkan pengukuran regangan yang akurat dan stabil. Dimungkinkan juga untuk menggunakan kawat pengukur yang tidak dipasang yang direntangkan di antara dua titik mekanis untuk mengukur tegangan, tetapi teknik ini memiliki keterbatasan.

Resistensi Pengukur Regangan

Resistensi pengukur regangan tipikal berkisar dari 30 hingga 3 kΩ (tanpa tekanan). Tahanan ini dapat berubah hanya sepersekian persen untuk rentang gaya penuh pengukur, mengingat batasan yang dikenakan oleh batas elastis bahan pengukur dan benda uji. Gaya yang cukup besar untuk menginduksi perubahan resistansi yang lebih besar akan secara permanen merusak benda uji dan/atau konduktor pengukur itu sendiri, sehingga merusak pengukur sebagai perangkat pengukuran. Jadi, untuk menggunakan pengukur regangan sebagai instrumen praktis, kita harus mengukur perubahan resistansi yang sangat kecil dengan akurasi tinggi.

Sirkuit Pengukuran Jembatan

Ketepatan yang menuntut seperti itu membutuhkan sirkuit pengukuran jembatan. Tidak seperti jembatan Wheatstone yang ditunjukkan pada bab terakhir menggunakan detektor keseimbangan nol dan operator manusia untuk mempertahankan keadaan keseimbangan, rangkaian jembatan pengukur regangan menunjukkan regangan terukur dengan tingkat ketidakseimbangan , dan menggunakan voltmeter presisi di tengah jembatan untuk memberikan pengukuran akurat dari ketidakseimbangan tersebut:

Biasanya, lengan rheostat jembatan (R₂ dalam diagram) diatur pada nilai yang sama dengan resistansi pengukur regangan tanpa gaya yang diterapkan. Kedua lengan rasio jembatan (R₁ dan R₃ ) ditetapkan sama satu sama lain. Jadi, tanpa gaya yang diterapkan pada pengukur regangan, jembatan akan seimbang secara simetris dan voltmeter akan menunjukkan nol volt, mewakili gaya nol pada pengukur regangan. Saat pengukur regangan dikompresi atau ditegangkan, resistansinya akan berkurang atau bertambah, masing-masing, sehingga tidak seimbang jembatan dan menghasilkan indikasi pada voltmeter. Susunan ini, dengan satu elemen jembatan mengubah resistansi sebagai respons terhadap variabel terukur (gaya mekanik), dikenal sebagai seperempat-jembatan sirkuit.

Karena jarak antara pengukur regangan dan tiga hambatan lain dalam rangkaian jembatan mungkin cukup besar, hambatan kawat memiliki dampak yang signifikan pada pengoperasian rangkaian. Untuk mengilustrasikan efek resistansi kawat, saya akan menunjukkan diagram skematik yang sama, tetapi menambahkan dua simbol resistor secara seri dengan pengukur regangan untuk mewakili kabel:

Resistensi Kawat

Resistansi pengukur regangan (R_pengukur ) bukan satu-satunya hambatan yang diukur:hambatan kawat R_kawat1 dan R_wire2 , dirangkai dengan R_pengukur , juga berkontribusi pada resistansi bagian bawah lengan rheostat jembatan, dan akibatnya berkontribusi pada indikasi voltmeter. Ini, tentu saja, akan disalahartikan oleh pengukur sebagai tekanan fisik pada pengukur.

Meskipun efek ini tidak dapat sepenuhnya dihilangkan dalam konfigurasi ini, namun dapat diminimalkan dengan penambahan kabel ketiga, menghubungkan sisi kanan voltmeter langsung ke kabel atas pengukur regangan:

Karena kabel ketiga praktis tidak membawa arus (karena resistansi internal voltmeter yang sangat tinggi), resistansinya tidak akan menjatuhkan voltase dalam jumlah besar. Perhatikan bagaimana resistansi kabel atas (R_kawat1 ) telah "dilewati" sekarang karena voltmeter terhubung langsung ke terminal atas pengukur regangan, hanya menyisakan resistansi kabel bawah (R_kawat2 ) untuk memberikan kontribusi hambatan nyasar secara seri dengan pengukur. Bukan solusi yang sempurna, tentu saja, tetapi dua kali lebih baik dari sirkuit terakhir!

Namun, ada cara untuk mengurangi kesalahan resistansi kawat jauh melampaui metode yang baru saja dijelaskan, dan juga membantu mengurangi jenis kesalahan pengukuran lainnya karena suhu.

Perubahan Tahanan Suhu

Karakteristik yang tidak menguntungkan dari pengukur regangan adalah bahwa resistensi berubah dengan perubahan suhu. Ini adalah properti umum untuk semua konduktor, beberapa lebih dari yang lain. Jadi, sirkuit seperempat jembatan kami seperti yang ditunjukkan (baik dengan dua atau dengan tiga kabel yang menghubungkan pengukur ke jembatan) berfungsi sebagai termometer dan juga indikator regangan. Jika semua yang ingin kita lakukan adalah mengukur regangan, ini tidak baik. Namun, kita dapat mengatasi masalah ini dengan menggunakan pengukur regangan “dummy” sebagai pengganti R₂ , sehingga keduanya elemen lengan rheostat akan mengubah resistansi dalam proporsi yang sama ketika suhu berubah, sehingga membatalkan efek perubahan suhu:

Resistor R₁ dan R₃ memiliki nilai resistansi yang sama, dan pengukur regangan identik satu sama lain. Tanpa gaya yang diterapkan, jembatan harus dalam kondisi seimbang sempurna dan voltmeter harus mencatat 0 volt. Kedua pengukur direkatkan pada benda uji yang sama, tetapi hanya satu yang ditempatkan pada posisi dan orientasi sehingga dapat terkena regangan fisik (aktif mengukur). Pengukur lainnya diisolasi dari semua tekanan mekanis dan bertindak hanya sebagai perangkat kompensasi suhu (“boneka” mengukur). Jika suhu berubah, kedua resistansi pengukur akan berubah dengan persentase yang sama, dan status keseimbangan jembatan akan tetap tidak terpengaruh. Hanya resistansi diferensial (perbedaan resistansi antara dua pengukur regangan) yang dihasilkan oleh gaya fisik pada benda uji yang dapat mengubah keseimbangan jembatan.

Resistansi kawat tidak mempengaruhi keakuratan rangkaian seperti sebelumnya, karena kabel yang menghubungkan kedua pengukur regangan ke jembatan memiliki panjang yang kira-kira sama. Oleh karena itu, bagian atas dan bawah dari lengan rheostat jembatan mengandung kira-kira jumlah resistensi nyasar yang sama, dan efeknya cenderung membatalkan:

Sirkuit Jembatan Seperempat dan Setengah Jembatan

Meskipun sekarang ada dua pengukur regangan di sirkuit jembatan, hanya satu yang responsif terhadap regangan mekanis, dan dengan demikian kita masih akan merujuk pengaturan ini sebagai seperempat-jembatan . Namun, jika kita mengambil pengukur regangan atas dan memposisikannya sehingga terkena gaya yang berlawanan dengan pengukur bawah (yaitu ketika pengukur atas dikompresi, pengukur bawah akan diregangkan, dan sebaliknya), kita akan memiliki keduanya pengukur menanggapi regangan, dan jembatan akan lebih responsif terhadap gaya yang diterapkan. Pemanfaatan ini dikenal sebagai setengah jembatan . Karena kedua pengukur regangan akan meningkatkan atau menurunkan resistansi dengan proporsi yang sama sebagai respons terhadap perubahan suhu, efek perubahan suhu tetap dibatalkan dan sirkuit akan mengalami kesalahan pengukuran yang diinduksi suhu minimal:

Contoh bagaimana sepasang pengukur regangan dapat direkatkan ke benda uji untuk menghasilkan efek ini diilustrasikan di sini:

Tanpa gaya yang diterapkan pada benda uji, kedua pengukur regangan memiliki hambatan yang sama dan rangkaian jembatan seimbang. Namun, ketika gaya ke bawah diterapkan ke ujung bebas spesimen, itu akan menekuk ke bawah, pengukur peregangan #1 dan pengukur tekanan #2 pada saat yang sama:

Sirkuit Jembatan Penuh

Dalam aplikasi di mana pasangan pengukur regangan komplementer tersebut dapat direkatkan ke benda uji, mungkin menguntungkan untuk membuat keempat elemen jembatan "aktif" untuk sensitivitas yang lebih besar. Ini disebut jembatan penuh sirkuit:

Konfigurasi setengah jembatan dan jembatan penuh memberikan sensitivitas yang lebih besar pada sirkuit seperempat jembatan, tetapi seringkali tidak mungkin untuk mengikat pasangan pengukur regangan komplementer ke benda uji. Dengan demikian, sirkuit seperempat jembatan sering digunakan dalam sistem pengukuran regangan.

Jika memungkinkan, konfigurasi full-bridge adalah yang terbaik untuk digunakan. Ini benar bukan hanya karena lebih sensitif daripada yang lain, tetapi karena linier sedangkan yang lainnya tidak. Sirkuit seperempat-jembatan dan setengah-jembatan memberikan sinyal keluaran (ketidakseimbangan) yang hanya kurang lebih sebanding dengan gaya pengukur regangan yang diterapkan. Linearitas, atau proporsionalitas, dari rangkaian jembatan ini, paling baik ketika jumlah perubahan resistansi karena gaya yang diterapkan sangat kecil dibandingkan dengan resistansi nominal pengukur. Namun, dengan jembatan penuh, tegangan keluaran berbanding lurus dengan gaya yang diberikan, tanpa perkiraan (asalkan perubahan resistansi yang disebabkan oleh gaya yang diterapkan sama untuk keempat pengukur regangan!).

Tidak seperti jembatan Wheatstone dan Kelvin, yang memberikan pengukuran pada kondisi keseimbangan sempurna dan karena itu berfungsi terlepas dari tegangan sumber, jumlah tegangan sumber (atau "eksitasi") penting dalam jembatan yang tidak seimbang seperti ini. Oleh karena itu, jembatan pengukur regangan dinilai dalam milivolt ketidakseimbangan yang dihasilkan per volt eksitasi, per satuan ukuran kekuatan. Contoh tipikal pengukur regangan dari jenis yang digunakan untuk mengukur gaya di lingkungan industri adalah 15 mV/V pada 1000 pon. Artinya, pada gaya yang diterapkan tepat 1000 pon (baik tekan atau tarik), jembatan akan menjadi tidak seimbang sebesar 15 milivolt untuk setiap volt tegangan eksitasi. Sekali lagi, angka tersebut tepat jika rangkaian jembatan aktif penuh (empat pengukur regangan aktif, satu di setiap lengan jembatan), tetapi hanya perkiraan untuk pengaturan setengah jembatan dan seperempat jembatan.

Pengukur regangan dapat dibeli sebagai unit lengkap, dengan elemen pengukur regangan dan resistor jembatan dalam satu wadah, disegel dan dikemas untuk perlindungan dari elemen, dan dilengkapi dengan titik pengikat mekanis untuk dipasang ke mesin atau struktur. Paket seperti ini biasanya disebut load cell .

Seperti banyak topik lain yang dibahas dalam bab ini, sistem pengukur regangan dapat menjadi sangat kompleks, dan disertasi lengkap tentang pengukur regangan akan berada di luar cakupan buku ini.

TINJAUAN:

• Strain gauge adalah strip tipis dari logam yang dirancang untuk mengukur beban mekanis dengan mengubah tahanan saat ditekan (diregangkan atau dikompresi dalam batas elastisnya).
• Perubahan resistansi pengukur regangan biasanya diukur dalam rangkaian jembatan, untuk memungkinkan pengukuran yang tepat dari perubahan resistansi kecil, dan untuk memberikan kompensasi untuk variasi resistansi karena suhu.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit Jembatan DC