SENZORI ZA MJERENJE SILE
SENZORS FOR FORCE MEASUREMENT
Amir Hajdarević
Mašinski fakultet
Ključne riječi:
sila,
mjerenje, dinamometar
SAŽETAK:
Mjerenje je određivanje vrijednosti fizikalne veličine skupom eksperimentalnih operacija uz pomoć
odgovarajućih tehničkih sredstava mjerenja. Moderna mjerenja baziraju se uglavnom na pretvaranju fizikalnih
veličina u električni signal. Tako za mjerenje sile ti uređaji se nazivaju dinamometri. Kroz ovaj seminarski rad
date su metode i principi određivanja sile, kao i uređaji za mjerenje sile. Urađen je i eksperiment kalibracije
uređaja za mjerenje sile, tj. dinamometra.
Keywords:
force,
measurement, dinamometar
ABSTRACT:
Measurement is defining value of psyhical quantity of experimental operation with help of technical
measurement elements. Modern measurement are based on transforming psychical quantity in to electric signal.
Then devices for measurement a force is name dinamometar's . In this seminar work we put metod's for
measurement a force, and device's for measurement force. And the experiment of calibration devices for force
measurement, dinamometar's is done to.
1. UVOD
Nauka o mjerenju je specializirani dio pojedinih prirodnih i tehničkih nauka koja se bavi metodama
mjerenja fizikalnih veličina, razvojem i izradom mjernih uređaja, reprodukcijom i pohranjivanjem
mjernih jedinica, te svim ostalim aktivnostima koje omogućavaju mjerenje i usavršavanje mjernih
postupaka. Mjerenje predstavlja skup aktivnosti čiji je cilj dobivanje vrijednosti mjerene veličine.
Eksperimentalna ispitivanja su bitna za uspješan i brz razvoj nauke, a u svakom eksperimentu
mjerenja imaju značajnu ulogu. Sila je vektorska veličina, u mehanici i tehnici jedna od osnovnih
veličina. Mjerenje sile može biti kontinualno ( potrebno je odrediti tačnu vrijednost sile ) i diskretno (
detektuje se da li je vrijednost sile veća od zadane vrijednosti ). U skladu sa drugim Njutnovim
zakonom, sila F se definiše kao proizvod mase m i ubrzanja a :
F
= m ∙ a
[ ]
(1)
Sila zemljine teže jeste sila koja nastaje djelovanjem ubrzanja Zemljine teže g :
G
= m ∙ g
[ ]
(2)
Sila gravitacije sa aspekta mjerenja je važna jer je osnova za mjerenje sile i vaganje. Ubrzanje
Zemljine teže iznosi približno g = 9,81 m/s
2
, i metode mjerenja sile primjenom tog ubrzanja nazivaju
se metode balansa, jer se nepoznata sila direktno ili indirektno poredi sa poznatom silom gravitacije.
Sila u opruzi ili elastičnom štapu data je izrazom :
F
= c ∙ x (3)
Amir Hajdarević – Senzori za mjerenje sile
Mašinski fakultet Mostar, maj 2013
1
gdje c predstavlja krutost tijela, a x vektor deformacije tijela. Ako je poznat koeficijent krutosti, tada je
silu moguće odrediti mjerenjem deformacije i najveći broj senzora radi na ovom principu. Takav
načinodređivanja sile je indirektni. Mjerenje sile mjerenjem deformacije vrši se na jedan od sljedećih
načina:
-
Mjeri se površinska deformacija tijela ili deformacija elastičnog elementa u senzoru
-
Mjere se parametri ili svojstva elastičnog elementa u senzoru koji se mijenjaju pod dejstvom
određene sile
-
Mjere se svojstva tijela koja se mijenjaju djelovanjem sile ( npr. provođenje toplote, brzina
prostiranja zvuka i drugi )
Vrijednost sile možemo dobiti direktnim mjerenjem pomoću uređaja koji se zovu dinamometri.
Opterećenje silom predstavlja način provjere i ispitivanja objekata prije njihovog puštanja u rad.
Posebnu ulogu u mjerenju zauzimaju mjerenje mase i gravimetrija. [1,4]
2. METODE I PRINCIPI ODREĐIVANJA MASE I SILE
Masa se može odrediti direktno ili indirektno. Direktno određivanje mase vrši se u klasičnoj mehanici
i u teoriji relativiteta. Indirektno određivanje mase se vrši u mehanici, termodinamici i atomskoj fizici.
Detaljnije podjele date su na slici 1.
Slika 1: Metode i principi određivanja mase
[1]
2.1. Principi izrade senzora sile
Izrada senzora sile određena je fizikalnim principom konverzije sile u izlazni signal, te tehnološkim i
ekonomskim mogućnostima. U okviru ovih ograničenja moguće je napraviti veliki broj različitih
senzora.
Amir Hajdarević – Senzori za mjerenje sile
Mašinski fakultet Mostar, maj 2013
3
Princip simetrije podrazumijeva da su stanja senzora asimetrična kada je u pitanju djelovanje mjerene
sile, a simetrična kada su u pitanju sva druga djelovanja. Poželjno je da karakterstika senzora bude
maksimalno nesimetrična na promjene mjerene sile, tako da otklon senzora od neopterećenog stanja
bude mjera djelujuće sile. Očuvanje simetričnosti u odnosu na sve druge veličine najbolji je način
izdvajanja mjerene od ostalih veličina. Za svaku konkretnu šemu konstrukcije postoje donja i gornja
granica nominalnih vrijednosti sile. Nije poželjno prelaziti definisani opseg, zato što greške mjerenja
postaju tako veće, a može doći i do trajnog oštećenja senzora. Ukoliko je potreban senzor za veću ili
manju nominalnu silu, obično se mijenja njegova konstrukcija, a ukoliko zadatak nije moguće
realizovati datim tipom senzora, tada se gradi senzor sa drugim principom pretvaranja. [2]
2.2. Instrumenti i uređaji za mjerenje sile
Sila se mjeri u širokom opsegu 0-10
9
N pri dinamičkim promjenama 0-100 kHz i u temperaturnom
intervalu od -270 do 1200
*
C u različitim sredinama i pod djelovanjem različitih smetnji. Direktno
mjerenej sile ostvaruje se specijalnim uređajima koji se zovu dinamometri. Rad dinamometra može
biti zasnovan na različitim principima.
Dinamometri mogu biti :
Mehanički dinamometri,
Električni dinamometri,
Hidraulički dinamometri i
Pneumatski dinamometri.
Osnovni zahtjevi koje svaka konstrukcija dinamometara mora da zadovolji su :
Visoka osjetljivost u cijelom opsegu mjerenja,
Mala inercija,
Praktičnost i ekonomičnost u radu
Prema funkciji dinamometri mogu biti potezni i pritisni. Za mjerenje sile također se mogu koristiti
različite vrste pretvarača, a najčešće:
Tenzometarske mjerne trake
Induktivni pretvarači
Kapacitivni pretvarači i
Piezoelektrični pretvarači
Od navedenih dinamometara u praksi se najviše koriste električni dinamometri jer imaju manju
inerciju, veću tačnost i otpornost u odnosu na mehaničke i hidrauličke.
Slika 4: Senzor sile opšte namjene
[2]
Amir Hajdarević – Senzori za mjerenje sile
Mašinski fakultet Mostar, maj 2013
4
2.1.1. Mehanički dinamometri
Postoje dva osnovna pristupa mjerenja sile, odnosno vaganja, i to direktno poređenje i indirektno
poređenje pomoću kalibriranih pretvarača. Direktno poređe je tehnika balansa odnosno nulta metoda.
Balans se kod mehaničkih vaga uspostavlja putem jednakosti momenta. Najstarije vage su napravljene
da rade na ovom principu. Metod jednakosti momenata zove se i metod simetrije. Sila i njeno
djelovanje na kraku se izjednačuje sa nekom drugom silom koja djeluje na drugom kraku. Na ovaj
način se vrši vaganje odnosno direktno određivanje sile na drugom poznatom kraku. Na slici 5
prikazane su vage koje rade na principu simetrije i višestepene vage. Pomoću ove vage mjeri se teret
W, za što se koristi manji tereti Wp i Ws, uzima se da je Wp nula kada se vrši graduiranje skale. Tereti
W1 i W2 mogu se zamijeniti teretom W. Sa slike se vidi da postoji proporcija dužina h/e = f/d, pa je:
T x c
= h ( W1 + W2 ) = h·W (4)
Kod vaganja postoji relacija poluge:
T x b
= Ws x a i T x c = W1 f· e / d + W2 h (5)
gdje je
: R
= ac/bh - faktor množenja skale.
Dinamički odgovor ovakvih skala zavisi od prirodne frekvencije i prigušenja.Prirodna frekvencija
zavisi od kretanja mase, faktora R i sila.
Slika 5: Višestepeni sistem vaganja
[4]
