Vplivni dejavniki pri meritvah

Uporovni merilni listiˇci so eden izmed zelo pogostih naˇcinov meritev mehanskih napeto-sti in deformacij. Kljub navidez enostavnemu principu delovanja je bilo skozi desetletja na tem podroˇcju izvedenih mnogo raziskav, ki so prinesle veˇcjo toˇcnost in ponovljivost merjenja ter moˇznost uporabe v zelo razliˇcnih okoljskih razmerah. Nekatere izmed kljuˇcnih reˇsitev in izbir za merilne listiˇce bodo predstavljene z namenom laˇzjega razu-mevanja pojavov, ki se lahko pojavijo pri meritvah s piezouporovnim senzorjem.

2.4.2.1 Upornost merilnih listiˇcev

Merilni listiˇci z nazivno upornostjo 120 Ω so uporabljeni predvsem za analizo mehan-skih napetosti in diagnostiko sistemov. Listiˇci z viˇsjimi elektriˇcnimi upornostmi so pogosteje integrirani v merilnike mehanskih veliˇcin. Obenem so te vrednosti zaradi laˇzjega povezovanja z namensko izdelano merilno opremo tudi dokaj standardne. Ob-stajajo ˇse merilni listiˇci z veˇcjimi upornostmi; prednost uporabe veˇcjih upornosti pri veˇcjih napetostih je izboljˇsanje lezenja izhodiˇsˇcne vrednosti zaradi ojaˇcevalnika, slabost pa je, da so dovzetnejˇsi za interferenˇcne pojave iz okolice [20]. Pri viˇsjih upornostih je pri prenosu signala vpliv razliˇcnih upornosti vodnikov manjˇsi. To se lahko pojavi pri ˇziˇcnem prenosu signala, pa tudi pri brezˇziˇcnem, kot sta drsni prstan ali rotacijski transformator. Zaradi nizke upornosti in zelo majhnega premera ˇzic se na merilnih listiˇcih lahko pojavi tudi Joulovo segrevanje. Posebno pozornost je tako treba name-niti priporoˇcilom proizvajalca, ki specificira maksimalne napajalne napetosti. ˇCe se te prekoraˇcijo, se lahko pri meritvah zaˇcnejo pojavljati uˇcinki, kot so histereza, lezenje,

Teoretiˇcne osnove

nestabilna izhodiˇsˇcna vrednost in slabˇsa temperaturna kompenzacija [20]. Zaradi niz-kih upornosti merilnih listiˇcev so lahko tokovi skozi merilno vezje veˇcji, kar nato vpliva tudi na energijsko porabo.

2.4.2.2 Vpliv temperature

Temperaturno obmoˇcje uporabnosti merilnega listiˇca je izredno pomemben podatek, ki se lahko doloˇci glede na zahteve v aplikaciji. Pri spremembah temperature se namreˇc spreminja kakovost meritve. Pri dvigu temperature se v sistemu pojavi temperaturni raztezek konstrukcije in posameznih elementov na merilnem listiˇcu (podlaga, lepilo, uporovna ˇzica), hkrati pa se spreminjajo tudi lastnosti uporovnega materiala. Glede na zahteve aplikacije je zato mogoˇce doloˇciti temperaturno obmoˇcje, ki ga merilni listiˇc lahko dosega. Temperaturni vpliv je mogoˇce zelo dobro kompenzirati s postavitvijo merilnih listiˇcev v Wheatstonov mostiˇc. Dodatno se lahko na posamezni merilni listiˇc doda tudi folija, ki s svojim razteznostnim koeficientom kompenzira okoliˇske tempera-turne vplive. Naˇceloma so merilni listiˇci manj obˇcutljivi na temperaturne spremembe, saj njihov naˇcin merjenja predvsem temelji na dimenzijskih deformacijah. Kljub temu je merilni listiˇc treba obravnavati skupaj z naˇcinom pritrjevanja, saj je odziv moˇcno odvisen od obeh.

2.4.2.3 Vpliv lezenja

Lezenje je pojav, znaˇcilno prisoten pri merjenju deformacij z merilnimi listiˇci. Defi-niramo ga lahko kot ˇcasovno spreminjanje izhodnega merjenega signala ob konstantni deformaciji konstrukcije. Relaksacija deformacije je prvi izmed pojavov merilnega li-stiˇca, ki se pojavi takoj po vzpostavitvi obremenitve. Plast lepila, kot tudi merilna mreˇza merilnega listiˇca se zaradi reoloˇskih karakteristik po obremenitvni lahko zaˇcneta relaksirati. Opisani pojav prikazuje graf 2.15. Ob obremenitvi se poleg normalnih na-petosti pojavijo ˇse striˇzne, ki se nato s ˇcasom relaksirajo in povzroˇcijo padec deformacije

∆ε [20]. Do enakega pojava pride tudi pri razbremenitvi, nanj pa vplivajo naslednji dejavniki: material podlage merilnega listiˇca, tip lepila za pritrjevanje, debelina lepila, ˇ

cas, temperatura in vlaga. Pri viˇsjih temperaturah je pojav znatno vplivnejˇsi.

a ... deformacija konstrukcije

b ... izmerjena vrednost merilnega lističa

Slika 2.15: Lezenje v primeru relaksacije elementov, ki prenaˇsajo deformacijo na merilni listiˇc [20].

Teoretiˇcne osnove Do dodatnega pojava lezenja pride tudi na sami merjeni konstrukciji, ki se deformira v skladu z Hookeovim zakonom, dokler smo znotraj elastiˇcnega obmoˇcja. Po obre-menitvi se material zaradi relaksacije ˇse dodatno deformira v odvisnosti od ˇcasa. Ob razbremenitvi se uˇcinek ponovi v obratni smeri. Dodatna deformacija pada, dokler se konstrukcija ne postavi nazaj v ravnovesno stanje. Uˇcinek imenujemo zakasneli elastiˇcni efekt [20] in je prikazan na grafu 2.16.

a ... obremenitev konstrukcije b ... deformacija konstrukcije

Slika 2.16: Naknadno elastiˇcno lezenje obremenjene konstrukcije [20].

Oba pojava sta prisotna pri meritvah z merilnimi listiˇci. Njun uˇcinek je ravno naspro-ten, zato je z ustrezno izbiro velikosti lezenja merilnega listiˇca mogoˇce doseˇci, da se zakasneli elastiˇcni efekt izniˇci in v meritvi ni prisoten. Prav z izkoriˇsˇcanjem kombina-cije teh dveh pojavov je mogoˇce dosegati zelo visoke toˇcnosti merilnikov, ki imajo zelo nizek pogreˇsek zaradi pojava lezenja. Pri viˇsjih temperaturah je pojav lezenja znatno bolj izraˇzen, zato je treba doloˇciti obmoˇcje temperatur, znotraj katerih so meritve ˇse sprejemljive.

2.4.2.4 Pritrjevanje merilnih listiˇcev

Merilni listiˇc je treba pritrditi na konstrukcijo — ta pritrditev je kljuˇcna za ustrezno prenaˇsanje deformacije in zato zahteva izbiro ustreznega adheziva in pazljivo izvedbo postopka. Najpogosteje se za to rabijo lepila, a so merilni listiˇci kljub temu lahko pri-trjeni tudi z varjenjem, lotanjem ter drugimi metodami. Kot je bilo opisano v prejˇsnjih poglavjih, je za karakterizacijo merjenja treba obravnavati sistem kot celoto, torej me-rilni listiˇc, lepilo in konstrukcijo. Kljuˇcni lastnosti sta predvsem tip lepila in njegova debelina. Pozornost velja posvetiti tudi ujemanju lepila z materialom konstrukcije in podlago merilnega listiˇca. Na trgu obstaja ˇsirok nabor lepil, ki se lahko uporabijo za specifiˇcne potrebe v aplikacijah. Pri lepljenju se je treba zavedati vpliva, ki ga ima debelina lepila na odziv senzorja. Na sliki 2.17 sta prikazana primera debele in tanke plasti lepila pod merilnim listiˇcem. Na levi strani slike je z ravnimi ˇcrtami prikazano stanje lepila, ko je konstrukcija neobremenjena. Ob obremenitvi, prikazani desno, se na robovih debele plasti elastiˇcnega odziva pojavi distorzija. Njen uˇcinek se proti sre-dini merilnega listiˇca zmanjˇsuje. Deformacija, ki se je pojavila na konstrukciji, se ne prenese v celoti na merilni listiˇc. Elastiˇcna deformacija lepila ta prenos namreˇc delno

Teoretiˇcne osnove

zaduˇsi, s tem pa na merilnem listiˇcu dobimo odziv, ki ne popiˇse resniˇcne deformacije konstrukcije. Ta pojav je pri tanki plasti prisoten le na samem robu in se ne pojavi pod merilnim listiˇcem; v tem primeru je prenos deformacije izveden ustrezno in po-skrbi za meritev, ki odraˇza realno stanje na konstrukciji. Pri samem lepljenju je torej treba zagotavljati ˇcim tanjˇso plast lepila. V literaturi [20] so omenjene debeline lepil po pritrjevanju med 8 in 65µm, odvisne so predvsem od lastnosti uporabljenega lepila.

konstrukcija plast lepila

merilni listi a) debela plast lepila

b) tanka plast lepila

neobremenjeno stanje obremenjeno stanje

Slika 2.17: Prikaz prenosa napetosti na merilni listiˇc v primeru: a) debele plasti lepila in b) tanke plasti lepila [20].

Pomembna je tudi izbira lepila, ki ima visok Youngov modul in lahko pri tanki plasti ustvari trden spoj [20]. Obiˇcajno se zato uporabljajo lepila, ki se suˇsijo pri poviˇsanih temperaturah. Ce celotne konstrukcije ne moremo segreti na viˇsjo temperaturo, jeˇ treba uporabiti lepilo, ki se strdi pri sobni temperaturi. Pred pritrjevanjem je treba zagotoviti ustrezno hrapavost povrˇsine in jo oˇcistiti vseh neˇcistoˇc, ki bi lahko vplivale na kakovost spoja. Pri tem se je treba ravnati po navodilih tako proizvajalca merilnega listiˇca kot tudi lepila.