کرنش سنج (Strain Gauge)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
کرنش سنج (Strain Gauge) :
کرنش سنج المانی است که تغییرات بسیار کوچک در طول (کرنش) را به تغییرات مقاومت الکتریکی تبدیل می کند. این المان پایه و اساس بسیاری از سنسورهای نیرو، فشار، گشتاور و جابجایی است. اساس کار بر این اصل استوار است که مقاومت الکتریکی یک رسانا با تغییرات ابعاد آن (طول و سطح مقطع) تغییر می کند. رابطه مقاومت:
\[ R = \rho \frac{L}{A} \]. با اعمال کرنش، طول (
\[ L \]) افزایش و سطح مقطع (
\[ A \]) کاهش می یابد (اثر پواسون) که منجر به افزایش مقاومت می شود. در برخی مواد، مقاومت ویژه (
\[ \rho \]) نیز با کرنش تغییر می کند (اثر پیزومقاومتی).
ضریب کرنش سنجی (Gauge Factor - GF) معیاری از حساسیت کرنش سنج است:
\[ GF = \frac{\Delta R / R}{\epsilon} \]. برای کرنش سنج های فلزی، GF حدود ۲ است (تغییر مقاومت عمدتا ناشی از تغییر ابعاد). برای کرنش سنج های نیمه هادی (پیزومقاومتی)، GF می تواند تا ۲۰۰ یا بیشتر باشد (به دلیل تغییر مقاومت ویژه). کرنش سنج های فلزی رایج تر، ارزان تر و پایدارتر هستند، در حالی که نوع نیمه هادی حساسیت بالاتر اما پایداری دمایی کمتری دارد.
انواع کرنش سنج بر اساس ساختار:
فویلی (Foil strain gauge): رایج ترین نوع. از یک فویل فلزی بسیار نازک (مثل کنستانتان) که به صورت الگوی مارپیچ (برای افزایش طول) روی یک بستر پلیمری (پلی ایمید) لیتوگرافی شده، ساخته می شود. ارزان، با کارایی خوب و ضریب انبساط حرارتی قابل کنترل.
سیمی (Wire strain gauge): نوع قدیمی تر، با سیم بسیار نازک که به صورت مارپیچ پیچیده شده است.
نیمه هادی (Semiconductor strain gauge): از یک نوار نازک سیلیکون دوپ شده ساخته می شود. بسیار حساس اما شکننده تر و با پایداری دمایی پایین.
لایه نازک (Thin-film strain gauge): با روش های رسوب دهی در خلاء (مانند کندوپاش) مستقیما روی سطح دیافراگم یا عضو الاستیک ساخته می شود. پایداری عالی و اندازه کوچک.
\[ \frac{\Delta R}{R} = GF \times \epsilon \]تغییر مقاومت کرنش سنج بسیار کوچک است (کسری از اهم). بنابراین، کرنش سنج ها معمولا در یک پل وتستون (Wheatstone bridge) پیکربندی می شوند تا این تغییرات کوچک به ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل شوند. استفاده از پل، اثرات دمایی را نیز کاهش می دهد. پل های کامل (هر چهار بازوی پل کرنش سنج) حداکثر حساسیت و جبران سازی دمایی را ارائه می دهند.
کاربردها:
لودسل ها: هسته اصلی سنسورهای وزن و نیرو.
سنسورهای فشار (با دیافراگم).
سنسورهای گشتاور: روی شفت ها نصب می شوند.
اندازه گیری کرنش در سازه ها: پل ها، ساختمان ها، هواپیماها (تست های تنش).
کشتی ها و سکوهای دریایی.
نصب صحیح کرنش سنج (با چسب مخصوص و پخت مناسب) برای دقت اندازه گیری حیاتی است. کرنش سنج ها ابزاری ضروری در مهندسی مکانیک و عمران هستند.
