Tensometry – do czego służą

Pamiętam z czasów studenckich przedmiot „Miernictwo wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi”, popularnie nazywane przez studentów na mojej uczelni niemiernictwem. Obecnie to bardzo szeroka dziedzina wiedzy o charakterze interdyscyplinarnym.

Wydawać by się mogło, że w obszarach zainteresowań elektronika znajduje się jedynie pomiar wielkości elektrycznych, takich jak napięcie elektryczne czy natężenie prądu elektrycznego. Okazuje się, że rzeczywistość jest znacznie bardziej złożona a wiele dziedzin wiedzy, pozornie odległych od siebie, wzajemnie się przenika. Wiele zjawisk fizycznych daje się „przekładać” na sygnał elektryczny, który dalej można przetwarzać metodami elektrycznymi. Takim przykładem jest pomiar siły, gdzie wykorzystane są czujniki naprężeń, popularnie nazywane tensometrami.

Tensometr

Z punktu widzenia elektrycznego, tensometr jest rezystorem (występują również tensometry półprzewodnikowe, ale te nas nie interesują). Z wyglądu jest to coś w rodzaju folii ze ścieżkami, które łatwo dostrzec patrząc na niego „pod światło” – rysunek 1, fotografia 2. Te widoczne „ścieżki” to nic innego jak tylko przewodnik. Ten trochę „dziwaczny” przebieg wynika z konieczności uzyskania „odpowiednio długiego przewodu”. Sama „geometria” ułożenia ścieżek w znacznym stopniu wpływa na możliwości tensometru. Typ pokazany na rysunku 1 jest najczęściej występującym, ma „największą” czułość wzdłuż „długich” odcinków przewodów (w kierunku prostopadłym jego czułość będzie mizerna). Można zaproponować inne ułożenie „przewodów”, przykładowo spiralnie, co pozwoli na uzyskanie innych cech użytkowych.

Występuje pogląd, że za pomocą tensometrów można mierzyć nieelektryczne wielkości fizyczne, jak siła czy ciśnienie. W rzeczywistości tensometr jest przeznaczony do pomiaru odkształcenia, co poprzez prawo Hooke’a daje się przeliczyć na wspomniane wielkości fizyczne. Jednak aby tensometr „dokonał pomiaru”, musi być trwale związany z elementem podlegającym naprężeniu. Ten związek uzyskuje się poprzez klejenie, a klej raczej musi należeć do „mocnych” (rysunek 3, fotografia 4 oraz 5), gdyż materiał sprężysty pod wpływem siły ulega odkształceniu a tensometr musi „podążać” za tym odkształceniem. Wspomniane prawo Hooke’a określa zależność odkształcenia od naprężenia materiału i mówi, że odkształcenie ciała pod wpływem siły jest proporcjonalne do tej siły, a czynnik proporcjonalności jest określany jako współczynnik sprężystości. Tu należy jeszcze pamiętać, że prawo Hooke’a odnosi się do niezbyt dużych odkształceń sprężystych. Jest to dosyć istotna kwestia, gdyż po ustąpieniu działania siły ciało musi wrócić do stanu pierwotnego (nienaprężonego).

Układ pomiarowy

Przed zbudowaniem układu pomiarowego należy go przykleić do jakiegoś materiału sprężystego. Oczywiście jego parametry będą znacząco odbijały się w przeprowadzanych doświadczeniach. Użyłem niewielkiego kawałka blaszki stalowej o nieokreślonym współczynniku sprężystości. Celem było poznanie idei działania tych elementów, chociaż jest możliwe uzyskanie z tego rozwiązania przyrządu pomiarowego, jednak wcześniej należy go wyskalować: przyłożyć znane obciążenia i zmierzyć wynikającą wartość napięć. W praktycznych układach pomiarowych stosuje się przyklejenie tensometru po obu jego stronach (rysunek 3). Pozwala to zwiększyć „uzysk pomiarowy”, gdyż pod wpływem odkształcenia jeden z tensometrów jest „rozciągany”, natomiast drugi jest „ściskany” – zmiany rezystancji są w przeciwnych kierunkach (rysunek 6).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.