plik

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

1.Wprowadzenie

Cel

wiczenia:

wiczenie zakłada dwa zasadnicze cele dydaktyczne:

1. Zapoznanie studentów z istot

pomiarów tensometrycznych

2. Nauczenie podstawowych zasad wykorzystywania w metrologii

komputerowych systemów pomiarowym na przykładzie systemu Spider8.

1.1. Geneza elektrycznej tensometrii oporowej

Bezpo

redni pomiar napr

ę ż

mechanicznych w elementach maszyn i

urz

dze

jest bardzo trudny, cz

sto wr

cz niemo

liwy, dlatego powszechnie

stosowana jest metoda po

rednia, polegaj

ca na pomiarze odkształce

materiału konstrukcji i obliczaniu na ich podstawie poszukiwanych napr

ę ż

Zwi

zek

dzy

napr

ę ż

eniem

odkształceniem

został

ustalony

wiadczalnie i nosi nazw

prawa Hooke’a. Stanowi ono,

e w okre

lonych

granicach napr

ę ż

iloraz napr

ę ż

enia

i odkształcenia

jest warto

stał

dla danego materiału i nosi nazw

modułu Younga E (wzór 1).













⋅

const

(1)

gdz ie :













⋅

(2)













⋅

∆

(3)

Podstawiaj

c do zale

ci (1) równo

ci (2), (3), otrzymamy zale

ś ć

(4).













⋅

∆

⋅

(4)

Wielko

ci wyst

puj

ce w zale

ciach (1), (2), (3), oznaczaj

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

- poszukiwane napr

ę ż

enie jednostkowe materiału (siła działaj

ca na

jednostk

pola powierzchni)

- wydłu

enie jednostkowe materiału (przyrost długo

ci materiału

odniesiony do długo

ci pocz

tkowej)

E – moduł spr

ę ż

ysto

ci, nazywany tak

e modułem Younga

F – siła powoduj

ca napr

ę ż

enie i towarzysz

ce jej wydłu

enie

materiału

S – pole powierzchni materiału (w szczególno

ci próbki materiału

poddawanej rozci

ganiu)

l – pierwotna długo

ś ć

próbki (długo

ś ć

przed poddaniem jej działaniu

siły)

∆

–

przyrost długo

ci próbki

Odkształcenia materiału w zakresie napr

ę ż

spr

ę ż

ystych, to znaczy w

zakresie stosowalno

ci prawa Hooke’a s

niewielkie i ich pomiar nastr

cza

istotnych trudno

ci. Z pomoc

przychodzi tu metoda elektryczna pomiaru zwana

tensometri

oporow

Tensometria oporowa zasadza si

na znanym zjawisku fizycznym,

polegaj

cym na zmianie rezystancji drutu metalowego podlegaj

cego

wydłu

eniu pod działaniem sił mechanicznych. Zjawisko to zostało odkryte

przez wybitnego fizyka i konstruktora angielskiego Williama Thomsona
(pó

niejszego lorda Kelvina) w roku 1856, wykorzystane za

do celów

tensometrii oporowej po raz pierwszy przez E.E. Simmonsa z California
Institute of Technology dopiero w roku 1937. Idea tensometru rozwini

została dalej przez A.C. Ruge’a z Massachusetts Institute of Technology.
Nakleił on drut na podkładk

papierow

, któr

z kolei przykleił do powierzchni

badanego elementu, co stanowiło ju

wła

ciwie prototyp współczesnego

tensometru. W roku 1939 firma Baldwin Southwork Company uruchomiła ich
normaln

produkcj

Siły F działaj

ce na drut metalowy rozci

gaj

go (rys.1), powoduj

wzrost jego długo

ś ć

zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego S,

wzrost rezystywno

co prowadzi do wzrostu rezystancji R, okre

lonej znan

zale

(5):

[ ]

Ω

⋅

(5)

gdzie:

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

- rezystywno

ść

materiału drutu

l – długo

ść

drutu

S – pole przekroju poprzecznego drutu

Wzrost rezystywno

ci wynika ze wzrostu odległo

ci mi

dzy atomami

metalu przy rozci

ganiu go i zmniejszeniem ruchliwo

ci swobodnych

elektronów. Zmiana rezystywno

ci ma najwi

kszy wpływ na zmian

rezystancji

tensometrów półprzewodnikowych.
Zmiana rezystywno

ci wynika tam z naruszenia struktury krystalicznej

materiału półprzewodnikowego.

Rys.1. Deformacja drutu pod wpływem sił rozci

gaj

cych

Przy

ciskaniu drutu maj

miejsce zjawiska odwrotne do opisanych wy

ej,

to znaczy:

zmniejszanie si

długo

ci drutu l,

zwi

kszanie si

pola powierzchni przekroju poprzecznego S,

zmniejszanie si

rezystywno

co prowadzi, jak to wynika ze wzoru (5) do zmnieszania si

rezystancji R drutu.

1.2. Tensometr

Tensometr

jest

rezystancyjny

przetwornik

pomiarowy

przetwarzaj

cy odkształcenie liniowe (wydłu

enie lub skrócenie) obiektu

badanego na zmian

(zmniejszenie lub zwi

kszenie) swojej rezystancji.

W zakresie odkształce

spr

ę ż

ystych materiału, z którego wykonany jest

przetwornik, mi

dzy wspomnianym odkształceniem i zmian

rezystancji

zachodzi liniowa zale

ść

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

∆

(6)

gdz ie :

–

rez ys ta ncja pocz

tkowa te nso me tru

–

długo

ść

pocz

tkowa drutu te nsome tru

∆

– z mia na rez ysta ncji te nso metru

∆

– z mia na długo

c i drutu te nso metru

K – ws półc zynnik te ns oc zuło

c i

Warto

ść

współczynnika tensoczuło

ci dla wi

kszo

ci stosowanych w

praktyce materiałów wynosi ok. 2. Współczynnik ten jest najwa

niejszym

parametrem tensometru.

1.3. Budowa tensometru

Spotykane s

nast

puj

ce rodzaje tensometrów:

drutowe
foliowe
półprzewodnikowe

Tensometry drutowe mog

zygzakowe (w

ę ż

ykowe) i kratowe

– patrz

rysunek 2.

Tensometr w

ęż

ykowy

Tensometr kratowy

Tensometr foliowy

6 mm

Tensometr

półprzewodnikowy

Rys.2. Rodzaje tensometrów metalowych

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

Tensometr drutowy kratowy zawiera szereg równolegle uło

onych

drucików oporowych (konstantanowych, za

przy wy

szych temperaturach –

nichromowych ) o

rednicy ok. 25

m (25

m = 0,025 mm). Druty nakleja si

na cienki papier lub foli

i przykrywa od góry takim samym paskiem papieru.

Poszczególne druty ł

czy si

w szeregowy obwód elektryczny o ko

cówkach

wyprowadzonych na zewn

trz. Utworzony w ten sposób rezystor ma rezystancj

równ

ok. 120

Ω

W tensometrze foliowym kształt rezystora wyci

ty jest z cienkiej folii

konstantanowej.

W tensometrze w

ę ż

ykowym (zygzakowym) druty oporowe uło

one s

pod pewnym k

tem wzgl

dem siebie.

Tensometry półprzewodnikowe, w których w wyniku odkształce

dokonuje si

przede wszystkim zmiana rezystywno

ci, wykazuj

istotne zalety

w porównaniu z tensometrami metalowymi. Maj

od nich o wiele mniejsze

wymiary, wi

ks zy od 20 do 100 razy ws półc zynnik te ns oc zuło

c i

K, poza tym współcz ynnik te n mo

e by

doda tni lub uje mny.

1.4. Materiały u

ywane do budowy

tensometrów

Materiałami u

ywanymi do budowy tensometrów s

stopy oporowe, z

których najcz

ę ś

ciej wykorzystywany jest konstantan (60% Cu, 40% Ni). Ma on

liniow

charakterystyk

przetwarzania, to znaczy zale

ś ć

zmian rezystancji

od odkształcenia liniowego, mały współczynnik temperaturowy rezystancji,
mo

liwo

ś ć

kształtowania w formie bardzo cienkich drucików. Jego współ-

czynnik tensoczuło

ci K ma warto

ś ć

Przy wy

szych temperaturach pracy stosowane s

tensometry wykonane z

nichromu (80% Ni, 20% Cr). Współczynnik tensoczuło

ci tego stopu ma

warto

ś ć

, podobnie jak konstantan: 2,1 – 2,3.

Coraz cz

ę ś

ciej do budowy tensometrów stosowane s

półprzewodniki,

głównie krzem (patrz wy

ej: tensometry półprzewodnikowe).

1.5. Przyklejanie tensometrów

Odkształcenie obiektu badanego jest odbierane przez tensometr za

rednictwem kleju, który powinien charakteryzowa

dobr

przyczepno

do podło

a. Musi on te

mie

podobne wła

ciwo

ci mechaniczne jak materiał,

na którym tensometr jest naklejony. Klej musi by

niewra

liwy na działanie

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

czynników zewn

trznych takich jak temperatura, wilgotno

ś ć

, działanie

chemikalii.

Poszczególne firmy zalecaj

do swoich tensometrów specjalne kleje ze

le podan

technologi

naklejania. Przygotowanie powierzchni materiału

badanego oraz klejenie powinno by

wykonane bardzo starannie, gdy

pomiary

tensometryczne maj

sens tylko wtedy, gdy tensometr stanowi jedn

cało

ś ć

mierzonym obiektem.

Przy temperaturze pracy do 100

C u

ywane s

kleje acetonowo-

celuloidowe, a przy temperaturze do 200

C – kleje polimeryzuj

ce na bazie

smołowej, np. kleje bakelitowo-fenolowe lub poliwinylobenzenowe. Przy
bardzo wysokich temperaturach pracy stosowane s

specjalne emalie

ceramiczne wypalane w piecu

1.6. Układy pomiarowe

Wielko

ść

mechaniczna jak

jest zmiana długo

ci obiektu badanego jest

przetwarzana na wielko

ść

elektryczn

– zmian

rezystancji tensometru. Zmiana

rezystancji jest zazwyczaj bardzo mała (

∆

R/R=10

-5

–10

-2

) Przyjmuj

c wi

rezystancja tensometru ma warto

ś ć

pocz

tkow

np. 120

Ω

, jej przyrost podczas

pomiaru mo

e wynie

ś ć

od 1,2·10

-3

Ω

do 1,2

Ω

. Tak małe zmiany rezystancji

musz

mierzone specjalnymi metodami. Odpowiednie do tego celu s

metody mostkowe pomiaru rezystancji. Klasyczny mostek Wheatstone’a
okazuje si

tu niestety za mało czuły. Stosowane s

c zwykle

zmodyfikowane mostki Wheatstone’a, na wyj

ciu których umieszczany jest

wzmacniacz.

ile

mostkach

niezrównowa

onych

wystarczy

stosowanie

odpowiednio czułego wzmacniacza, to w mostkach zrównowa

onych trzeba

zapewni

precyzyjn

, wi

c kilkustopniow

regulacj

rezystancji. Dodatkow

komplikacj

jest te

konieczno

ś ć

wst

pnego równowa

enia amplitudowego i

fazowego (nierówno

ś ć

rezystancji). Wszystkie te

zagadnienia s

istotne nie

tylko przy pomiarach tensometrycznych, ale wsz

dzie tam gdzie wielko

wyj

ciow

jest mała zmiana rezystancji.

Mostki mog

zasilane zarówno napi

ciem stałym jak i przemiennym.

Obecnie najcz

ę ś

ciej s

ywane mostki pr

du przemiennego ze wzgl

du na

szy koszt wzmacniacza i mo

liwo

ś ć

wyeliminowania wpływu sił

termoelektrycznych.

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

2. Komputerowy system pomiarowy

Spider 8

W niniejsz ym

wicze niu stosowa ny jest s ys te m po mia rowy o

naz wie Spider 8.

Spider8 jest uniwersalnym komputerowym systemem pomiarowym firmy

Hottinger Baldwin Messtechnik, przeznaczonym do laboratoryjnych pomiarów
głównie wielko

ci mechanicznych, takich jak: ci

nienie, siła, przy

pieszenie,

odkształcenie mechaniczne, przemieszczenie. Umo

liwia tak

e pomiar

temperatury przy zastosowaniu termoelementów typu J, K, T, S oraz
termorezystorów platynowych typu PT100, PT500, PT100, a tak

e pomiar

napi

ę ć

i pr

dów stałych, rezystancji, cz

stotliwo

ci, pracowa

e te

jako

licznik impulsów.

Spider8 pracuje pod zarz

dem programu komputerowego o nazwie

Spider8 Control opartego na systemie MC Windows.

System nie posiada

adnych mechanicznych elementów steruj

cych,

takich jak przeł

czniki (z wyj

tkiem wł

cznika zasilania), potencjometry, itp.

ytkownik komunikuje si

z systemem poprzez komputer klasy PC przy

pomocy myszy i klawiatury.

1 S P I D E R 8

2 S P I D E R 8

1 S P I D E R 8

3 S P I D E R 8

8 S P I D E R 8

Rys.3. Pełny zestaw systemu komputerowego Spider8

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

Spider8 ma budow

modułow

i mo

e zawiera

do 8 modułów (rys. 3), z

których ka

dy posiada osiem kanałów pomiarowych. Daje to mo

liwo

ś ć

rozbudowania systemu do 64 kanałów pomiarowych. Wa

cech

systemu jest

to, i

poszczególne kanały odizolowane s

od siebie galwanicznie i

zabezpieczone przed zakłóceniami elektromagnetycznymi specjalnym systemem
ekranowania obejmuj

cym tak

e przył

czane do systemu przetworniki

pomiarowe. Na uwag

zasługuje tak

e fakt, i

praca wszystkich kanałów jest

zsynchronizowana, to znaczy pomiary w poszczególnych kanałach dokonywane
s

jednocze

nie. Jest to istotne w przypadkach, gdy zachodzi potrzeba

dokonywania porówna

ró

nych wielko

ci zmiennych w czasie.

A/D

CPU

SR01

SR55

4,8 kHz

KOM

TER

RS-232C

lub

IEEE1284

Rys.4. Dwa typy kanałów pomiarowych Spider’a8

Spider8 mo

e zawiera

dwa charakterystyczne moduły: SR01 oraz SR55.

(rys.4). Pierwszy z nich zawiera wzmacniacz pr

du stałego (DC), a dalej

przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D – od ang. analog to digital). Moduł SR01,
słu

y do pomiaru napi

ę ć

i pr

dów stałych, rezystancji, sił elektromotorycznych

powstaj

cych w termoelementach.

Moduł SR55 słu

y do przył

czania układów tensometrycznych (układów

pełnego mostka, półmostka), przetworników indukcyjnych ró

nego typu oraz do

pomiaru cz

stotliwo

ci. Moduł ten generuje tzw. cz

stotliwo

ś ć

(carrier-

frequecy), to znaczy napi

cie sinusoidalne o cz

stotliwo

ci 4,8 kHz, które słu

do zasilania tensometrycznych układów mostkowych oraz przetworników
indukcyjnych. Za tym modułem tak

e znajduje si

przetwornik analogowo-

cyfrowy (A/D). Przetworzone na posta

cyfrow

sygnały pomiarowe

doprowadzane s

do procesora (CPU), gdzie poddawane s

ró

norodnym

procesom przetwarzania. Nadrz

dnym elementem składowym systemu

pomiarowego jest komputer PC, nazwany w cyfrowych systemach pomiaro-

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

wych – kontrolerem. To za jego po

rednictwem u

ytkownik systemu programu-

je i kieruje prac

Spider’a, posługuj

c si

klawiatur

i myszk

Spider8 ł

czy

na z komputerem PC przy pomocy interfejsu

szeregowego RS-232C lub równoległego IEEE1284. Ten ostatni słu

y tak

e do

przył

czenia bezpo

rednio do Spider’a8 drukarki, a tak

e do ł

czenia w kaskad

kolejnych o

miu zestawów systemu (rys. 3).

3. Omówienie

wiczenia

wiczenie polega pomiarze metod

tensometryczn

odkształce

powsta-

cych w stalowej belce zamocowanej sztywno jednym ko

cem i obci

ą ż

anej na

drugim ko

cu znan

co do warto

ci sił

P, a nast

pnie obliczeniu napr

ę ż

mechanicznych powstaj

cych w ró

nych jej miejscach (rys. 6).

Nie mniej wa

nym zadaniem dla studentów jest opanowanie podstaw

obsługi nowoczesnego sprz

tu pomiarowego w postaci systemu Spider8.

3.1. Opis układu pomiarowego

Schemat ideowy układu pomiarowego przedstawia rysunek 6. Nie

pokazano na nim monitora stanowi

cego oczywi

cie nieodł

czn

ę ś ć

komputera PC. W układzie, którego schemat przedstawiony jest na rysunku 6,
wyst

puje stalowa belka zamocowana sztywno jednym ko

cem. Do drugiego jej

ca przykładana jest siła P wywołuj

ca w belce moment gn

cy. W wyniku

tego górne warstwy belki ulegaj

rozci

ganiu, dolne natomiast

ciskaniu.

Zakłada si

e tensometry T

, T

ulegaj

takim samym odkształceniom jak

fragmenty belki, na których s

naklejone, to znaczy rozci

ganiu, natomiast

tensometry T

, T

ciskaniu. Jak ju

to wyja

niono wcze

niej, odkształceniom

mechanicznym tensometrów towarzysz

zmiany ich rezystancji, które w niniej-

szym

wiczeniu mierzone s

w układzie półmostkowym przez system

komputerowy Spider8.

Spider8, a wła

ciwie jego pojedynczy moduł, jaki u

ywany jest w

wiczeniu, ma osiem kanałów pomiarowych oznaczonych przez producenta

numerami 0, 1, 2, ... 7. S

to tak zwane kanały sprz

towe systemu (hardware

channel). Odpowiada im osiem tak zwanych kanałów wej

ciowych (input

channel) oznaczonych numerami 1, 2, 3, ...8.

wiczeniu, ze wzgl

du na czasowe ograniczenia sprz

towe

zainstalowane s

tylko niektóre kanały pomiarowe. Wynika st

d tak

ograniczona liczba stosowanych tensometrów.

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

Spider8 poł

czony jest z komputerem poprzez interfejs równoległy

IEEE1284.

Np.
Do
Channel 3

Rys. 5. Idea pracy pojedynczego tensometru T w układzie półmostka

dy z tensometrów T wyst

puj

cych na rysunku 6 pracuje w układzie

tzw. półmostkowym (rys. 5), znajduje si

tam w jednym z ramion półmostka. W

drugim ramieniu mostka wyst

puje tzw. rezystor wyrównawczy R

(padding

resistor) o rezystancji równej rezystancji tensometru. Rezystor ten jest niewi-
doczny dla

wicz

cych.

Układ półmostkowy zasilany jest z układu Spider8’a napi

ciem

sinusoidalnym o cz

stotliwo

ci 4,8 kHz. Jest to tak zwana cz

stotliwo

ś ć

(carrier

frequency).

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

3.2. Program (przebieg)

wiczenia

Studenci zastaj

w laboratorium ju

poł

czony układ pomiarowy. Powinni

nast

pnie:

1. Wł

czy

napi

cie zasilaj

ce komputer i poczeka

na zainstalowanie si

programu Windows

2. W tym czasie nale

y wł

czy

napi

cie zasilaj

ce Spider’a (du

y przycisk

na płycie czołowej), obserwuj

c uwa

nie trzy diody sygnalizacyjne tego

urz

dzenia. Pierwsza z nich (zielona)

wieci si

gle podczas pracy

systemu. Dwie pozostałe (pomara

czowa i czerwona) zapalaj

krótko, nast

pnie obie gasn

, sygnalizuj

c w ten sposób sprawno

ś ć

urz

dzenia.

3. Po sko

czonej instalacji na ekranie pojawi si

ród innych ikona

programu Spider8-Control (głowa czarnego kota). Nale

y klikn

ą ć

dwukrotnie na t

ikon

. Otworzy si

pierwsze okno programu

przedstawione na rysunku 7.

Rys. 7. Pierwsze okno programu Spider8-Control

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

W tym miejscu, dla wi

kszej przejrzysto

ci instrukcji pomija si

obja

nienie roli wszystkich przycisków okna. Zainteresowanych odsyła si

do pełnej instrukcji obsługi systemu Spider8.

ytkownik mo

e wybra

rodzaj interfejsu: szeregowego: COM1 lub

COM2, albo równoległego: LPT1 lub LPT2. Poniewa

wcze

niej został

zrealizowany fizycznie interfejs równoległy LPT1, nie zachodzi potrzeba
dokonywania takiego wyboru, przy interfejsie tym znajdzie si

znak

√

. System

e pracowa

w trybie Offline, to znaczy bez fizycznie przył

czonych do

niego przetworników. U

ytkownik mo

e dokona

wtedy wst

pnych ustawie

parametrów systemu i zapami

je w pliku o rozszerzeniu *.sp8, by po

przej

ciu podczas pomiarów do trybu Online wywoła

te ustawienia bez

potrzeby ponownego konfigurowania systemu.

wicz

cy nie musz

dokonywa

tych operacji.

4. Kliknij przycisk Setup device, na ekranie monitora pojawi si

kolejne okno,

przedstawione na rysunku 8

Rys.8. Okno pojawiaj

ce si

po naci

ciu przycisku Setup device

Na wst

pie nale

y sprawdzi

sprawno

ś ć

systemu, klikaj

c na okienko o

nazwie Test Device .... Otworzy si

wtedy okno pomocnicze (nie pokazane w

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

tej instrukcji), w którym najprawdopodobniej

wicz

cy zobacz

nast

puj

informacje, wskazuj

ce na sprawno

ś ć

Spider’a:

Power Supply:

OK.

Ser. Interface:

Par. Interface

RAM:

OK.

EEPROM:

Powrót do okna z rysunku 8 uzyskujemy klikaj

c na przycisk OK.

W kolumnie okna oznaczonej Chan. widocznych jest osiem

wspomnianych kanałów sprz

towych o numerach 0 – 7. Kanał o numerze 8

dotyczy wej

cia cyfrowego i le

y w tym przypadku poza obszarem

zainteresowa

wicz

cych.

W kolumnie oznaczonej Name widniej

nazwy kanałów: C1, C2, C3,

itd. nadane standardowo przez producenta. Nazwy te zmienia

ytkownik (patrz dalsze wyja

nienia) dostosowuj

c je do rodzaju

przetworników i programu bada

. W przypadku niniejszego

wiczenia s

nazwy wskazuj

ce na tensometry w układzie półmostkowym, jako stosowane

przetworniki i rodzaj odkształce

, jakimi b

poddawane (rozci

ganie i

ciskanie, patrz rys. 9).

Zwró

my nast

pnie uwag

na kolumn

„Trans.” (od słowa transducer –

przetwornik), w której u

ytkownik wybiera rodzaj przetwornika. Klikaj

c w

wybranym wierszu tej kolumny, otworzymy roz

wietlone „podokno”

zawieraj

ce symbole wszystkich mo

liwych przetworników. Klikni

ciem na

odpowiedni symbol dokonujemy wyboru interesuj

cego nas przetwornika,

symbol tego przetwornika pojawi si

w odpowiednim wierszu kolumny. W

przypadku niniejszego

wiczenia powinni

my wybra

symbol półmostka. Je

eli

wybrany symbol nie odpowiada przetwornikowi rzeczywi

cie przył

czonemu

do Spider’a , w kolumnie „Measur. Value” (warto

ś ć

zmierzona) pojawi si

napis „OFFLINE”, je

eli za

przetwornik danego rodzaju (np. półmostek),

istnieje, w kolumnie tej pojawi si

jaka

warto

ś ć

liczbowa (w domy

le – wynik

pomiaru).

W niniejszym

wiczeniu wyst

puj

w ka

dym kanale te same

przetworniki (układ półmostkowy), mo

na wi

c przy

pieszy

proces wybierania

rodzaju przetwornika, klikaj

c na napis Mark w pierwszej kolumnie. Tło okna

zmieni wtedy swoj

barw

na granatow

. W nowo pojawiaj

cym si

okienku

zaproponowane s

trzy opcje wyboru, nale

y wybra

Select All Channels. We

wszystkich wierszach tej kolumny pojawi si

wtedy znak

√

. Oznacza to,

wszelkie ustawienia dokonywane w jednym z wierszy b

automatycznie

przenoszone na wszystkie pozostałe. W dowolnym wierszu kolumny Trans.
Wybieramy wtedy układ półmostkowy, co spowoduje,

e we wszystkich

wierszach pojawi si

natychmiast symbol tego układu.

wicz. Nr 71 Po mia ry te ns ome trycz ne z zastosowa nie m ...

W kolumnie Meas Rng wybiera si

zakresy pomiarowe. Zagadnieniu

temu nale

y po

osobne wyja

nienie. Je

eli przy pomocy Spider’a

mierzone b

dzie napi

cie, zakres pomiarowy wyra

ony zostanie w woltach (V),

w przypadku pomiaru pr

du – miliamperach (mA), rezystancji – w omach (

Ω

Natomiast w przypadku pomiarów tensometrycznych zakres pomiarowy
wyra

ony jest w miliwoltach na wolt (np. 3mV/V). Jest to w gruncie rzeczy

zakres „bezwymiarowy”, po uproszczeniu ułamka, zostaje tylko przedrostek
mili (np. 0,235 m). Nale

y przez to rozumie

e zmierzony został nast

puj

wzgl

dny przyrost rezystancji tensometru:

Str

235

⋅











⋅













⋅

−

gdzie R

oznacza rezystancj

pocz

tkow

tensometru.

Dodatni wynik pomiaru oznacza wtedy,

e R>R

– tensometr uległ

rozci

gni

ciu, natomiast wynik ujemny wskazuje,

e tensometr uległ

ciu,

gdy

R<R

Kolejn

kolumn

w omawianym oknie jest kolumna o nazwie Filter.

ytkownik ma do dyspozycji trzy rodzaje filtrów:

a) Average value, b) Butterworth, c) Bessel

Te dolnoprzepustowe filtry maj

za zadanie tłumienie niepo

żą

danych

wysokich cz

stotliwo

ci, które mog

wywoływa

zjawisko interferencji. W

okienku o nazwie Filter Frequency wy

wietlana jest warto

ś ć

stotliwo

odci

cia filtru. Warto

ś ć

ta zmienia si

automatycznie zale

nie od wybranej

przez u

ytkownika cz

stotliwo

ci próbkowania sygnału - Measuring Rate.

wicz

cy mog

wiadczy

tego automatycznego mechanizmu, zmieniaj

warto

ś ć

stotliwo

ci próbkowania w okienku Measuring Rate i obserwuj

jak zmienia si

po chwili cz

stotliwo

ś ć

odci

cia w okienku Filter Frequency.

Napis variable w kolumnie Filter wskazuje na stosowanie filtru o nastawianej
(zmiennej) cz

stotliwo

ci odci

cia.

wicz

cym poleca si

wybór filtru Average value, u

rednia on wyniki

kilku próbkowa

sygnału.

cow

, wa

czynno

, któr

nale

y wykona

przed pomiarami jest

wyzerowanie przyrz

. Nale

y klikn

ą ć

w okienku Tare u dołu omawianego

okna, w kolumnie Tare Val. pojawi

warto

ci liczbowe, a jednocze

nie w

kolumnie Meas. Value wy

wietlane warto

ci zaczn

zmierza

do zera. Gdy

bliskie zera, zamykamy okno, klikaj

c na przycisk w górnym prawym rogu

okna. Spowoduje to powrót do pierwotnego okna przedstawionego na rysunku
7. W oknie tym nale

y teraz klikn

ą ć

na przycisk Input channels, otworzymy w

ten sposób okno przedstawione na rysunku 9.

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

Rys. 9. Okno o nazwie Data Input Channels

W oknie tym w pierwszej kolumnie (No.)wymienione s

numery kanałów

wej

ciowych (Input channels).

W kolumnie drugiej (bez tytułu) sygnalizowane jest wł

czenie (zielona

strzałka) lub wył

czenie tych kanałów (drogowy znak zakazu wjazdu wszelkich

pojazdów).

wicz

cy mog

wiadczy

liwo

ci wł

czania i wył

czania

kanałów, klikaj

c w wybranym wierszu tej kolumny, a nast

pnie klikaj

c na

przycisk Active ON/OFF.

W kolumnie Timebase u

ytkownik wł

czy

lub wył

czy

mechanizm

generowania znaczników czasu, które zapisywane b

w oddzielnym kanale i

towarzyszy

poszczególnym wynikom rejestrowanym przez przyrz

d. W tym

wiczeniu znaczniki te nie b

generowane, poniewa

pomiary nie b

miały

cisłego zwi

zku z czasem (b

to pomiary statyczne). Tym niemniej

wicz

mog

wiadczy

wł

czania i wył

czania mechanizmu generowania

wska

ników czasu, klikaj

c dwukrotnie w dowolnym wierszu kolumny

Timebase

. Wł

czenie b

dzie sygnalizowane pojawieniem si

symbolu zegara,

a wył

czenie jego znikni

ciem. Ten sam efekt uzyskuje si

klikaj

c jednokrotnie

w dowolnym wierszu kolumny, a nast

pnie klikaj

c na przycisk Timestamps

ON/OFF

. Mog

tak

e zmienia

jednostk

czasu, klikaj

c na przycisk

Timestamp Unit

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

W kolumnie Title u

ytkownik mo

e wpisywa

swoje własne nazwy,

odpowiadaj

ce u

ywanym przez siebie przetwornikom oraz programowi bada

Producent nadał poszczególnym kanałom proste nazwy C1, C2, C3, itd.
Wpisywanie nazw odbywa si

przez klikni

cie w danym wierszu, a nast

pnie

klikni

cie przycisku Rename channel. Pojawi si

wtedy pod

wietlone okienko

o nazwie Name, w którym wpisuje si

odpowiednia nazw

i naciska Enter.

W nast

pstwie w wybranym wierszu kolumny pojawi si

ta sama nazwa.

W niniejszym

wiczeniu w pi

ciu pierwszych wierszach tej kolumny wyst

puj

oznaczenia odpowiadaj

ce zastosowanym przetwornikom tensometrycznym i

charakterowi ich pracy. Mianowicie trzy pierwsze tensometry: T1, T9, T13 s

rozci

gane, st

d w oznaczeniu symbol (R), natomiast tensometry: T2, T14

podlegaja

ciskaniu, st

d w oznaczeniu symbol (S).

W kolumnie Instrument widniej

nazwy przyrz

du, z którego czerpane

wyniki pomiarów. Jest nim oczywi

cie SPIDER8. Na rysunku 9

zadeklarowane jest to dla wszystkich mo

liwych kanałów wej

ciowych (od 1 do

8), mimo

e niektóre z nich nie s

czynne (6, 7, 8). Natomiast kanały o

numerach wy

szych od o

miu oznaczone s

, jako nie istniej

ce, napisem NC.

Istniej

inne opcje, które mo

na wybiera

w tej kolumnie, ale w tym

wiczeniu pomijamy je.

W kolumnie Hardware Cannel wy

wietlane s

numery kanałów

sprz

towych. Ze wzgl

du na pewn

systematyk

, któr

producent wprowadził w

ramach całego systemu, numery kanałów sprz

towych zaczynaj

od zera,

podczas gdy kanałów wej

ciowych zaczynaj

od jedynki (patrz kolumna

W kolumnie Scaling u

ytkownik mo

e wybra

, albo automatyczne

skalowanie wyników pomiarów przez przyrz

d, co zaznaczone jest napisem

EXTERN

, albo własne skalowanie. Poleca si

wybranie opcji EXTERN.

Niemniej

wicz

cy mog

wiadczy

liwych w tym wzgl

dzie opcji,

klikaj

c w danym wierszu tej kolumny, a nast

pnie klikaj

c na przycisk Scale

Mode

W kolumnie Status wy

wietlana jest wa

na informacja dotycz

sprawno

ci układu poł

cze

istniej

cych rzeczywi

cie przetworników ze

Spider’em. Przed rozpocz

ciem pomiarów nale

y zaznaczy

wszystkie

interesuj

ce nas wiersze omawianej kolumny, przytrzymuj

c lewy przycisk

myszki, a nast

pnie klikn

ą ć

na przycisk Check Status. Po krótkiej chwili we

wszystkich wierszach kolumny, je

li tylko układ poł

cze

jest poprawny, pojawi

napis OK. Dla kanałów, do których nie zostały przył

czone przetworniki

wietlany jest komunikat bł

du ERR-217. Wyja

nienia wymaga kanał

wej

ciowy 8 (sprz

towy 7), dla którego wy

wietlany jest komunikat OK, mimo

e nie jest on wł

czony (patrz kolumna druga). W kanale tym wyst

puje moduł

typu SR01, który przystosowany jest m. in. do pomiaru napi

cia stałego. Brak

poł

czenia z przetwornikiem interpretowany jest przez system jako brak napi

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

cia na wej

ciu pomiarowym, czyli napi

cie o warto

ci zerowej, st

d komunikat

OK.

oznaczaj

cy gotowo

ś ć

systemu do pomiarów.

Okno zamykamy, powracaj

c do okna pierwszego, przedstawionego na

rysunku 7.

Rys. 10. Okno docelowe

wiczenia o nazwie Single value measurement

Prawa kolumna tego okna zawiera cztery ró

ne moduły pomiarowe:

Data logger

Single sample

Periodic samples

Single value meas.

W niniejszym

wiczeniu wykorzystuje si

ostatni moduł, to znaczy Single

value meas.

Kliknij na przycisk z tym napisem, otworzy si

okno o tej samej

nazwie. Przedstawia je rysunek 10. W oknie wyst

puje sze

ś ć

kolumn

odpowiadaj

cych sze

ciu kanałom pomiarowym. Klikni

cie na przycisk

Measure/Add one value

spowoduje zapisanie (uchwycenie) warto

mierzonych w danej chwili jednocze

nie w sze

ciu kanałach. Zostan

one

zapisane w drugim wierszu tablicy, podczas gdy w pierwszym wierszu
obserwowa

na dokonuj

ce si

w czasie rzeczywistym (na bie

żą

co) zmiany

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

warto

ci mierzonych. Nast

pne klikni

cie na przycisk Measure/Add one value

pozwoli zapisa

kolejnych sze

ś ć

wyników w interesuj

cej mierz

cego chwili

czasu. W znajduj

cym si

poni

ej układzie współrz

dnych prostok

tnych

zaczn

pojawia

ró

nokolorowe wykresy. Maj

one w tym wypadku znaczenie

jedynie ilustracyjne, pozwalaj

np. zorientowa

, które tensometry s

rozci

gane (prosta wznosz

ca si

), a które

ciskane (prosta opadaj

ca).

Poniewa

wiczeniu wykorzystuje si

tylko pi

ę ć

kanałów, w kanale

szóstym wy

wietlane b

warto

ci zerowe, za

prosta odpowiadaj

wynikom tego kanału b

dzie osi

odci

tych.

3.3. Przebieg pomiarów

1. Wygasi

ewentualne drgania belki (belka nieobci

ą ż

ona)

2. Wł

czy

zasilanie komputera i poczeka

na zainstalowanie si

programu

Windows

3. W tym czasie wł

czy

zasilanie Spider’a. Dioda LED koloru zielonego

(POWER) b

dzie

wieci

gle w czasie trwania pomiarów,

natomiast dioda pomara

czowa (TRANSFER) i czerwona (ERROR)

wiec

bardzo krótko i natychmiast gasn

, co sygnalizuje sprawno

ś ć

urz

dzenia. Dioda TRANSFER b

dzie

wieci

w tych okresach czasu, w

których odbywa

dzie transfer (przesyłanie) informacji ze Spider’a

do komputera. Dioda ERROR

wieci si

tylko w przypadku pojawienia

bł

du w programie Spider8-Control. Nale

y wtedy przerwa

pomiary i

usun

ą ć

przyczyny powstania bł

du. Zwykle odbywa si

to przez

zresetowanie komputera i rozpocz

cie pomiarów od pocz

tku.

4. Po zainstalowaniu si

programu Windows, na ekranie monitora pojawi si

ikonka programu Spider8-Control (głowa czarnego kota), zarz

dzaj

cego

prac

systemu Spider. Nale

y klikn

ą ć

dwukrotnie

na t

ikonk

5. Po krótkim czasie otworzy si

pierwsze okno programu, przedstawione na

rysunku 7.

6. Nacisn

ą ć

przycisk Setup device, otworzy si

okno przedstawione na

rysunku 8. W oknie tym klikn

ą ć

na przycisk Test Device, otworzy si

jeszcze jedno okno, w którym powinny ukaza

nast

puj

ce informacje

wskazuj

sprawno

ś ć

poszczególnych

elementów

systemu

komputerowego.

Power Supply:

OK.

Ser. Interface:

Par. Interface

RAM:

OK.

EEPROM:

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

Zamknij to okno przeznaczonym do tego celu przyciskiem w prawym
górnym rogu.

7. Nast

pi powrót do okna z rysunku 8. Kliknij na nazw

Mark w tym

oknie, tło okna przybierze kolor granatowy oraz otworzy rozja

nione

okienko, w którym nale

y wybra

polecenie Select All Channels.

8. W wyniku tej operacji we wszystkich wierszach kolumny Mark pojawi

charakterystyczny znak

√

. Oznacza on,

e od tej chwili ustawienia

dokonane w jednym, dowolnym kanale, b

automatycznie zrealizowane

we wszystkich aktywnych kanałach.

9. Klikamy w dowolnym wierszu kolumny Trans. , ukazuj

symbole

wszystkich mo

liwych przetworników. Klikamy na układ półmostkowy,

co sprawia,

e automatycznie we wszystkich aktywnych kanałach pojawia

ten sam symbol układu półmostkowego, a jednocze

nie w kolumnie

Meas. Value

znikaj

napisy OFFLINE, pojawiaj

warto

liczbowe (w domy

le wyniki pomiarów). „Wyniki” te s

przejawem braku

zerowania systemu, które wykonamy za chwil

10. W kolumnie Meas. Rng. Wybra

nale

y zakres 3 mV/V, jako

najodpowiedniejszy do celów niniejszego

wiczenia.

11. W kolumnie Filter pozostawi

variable

12. W oknienku Measuring Rate wybra

100 Hz

13. W okienku Filter Type wybra

average, w okienku Filter Frequency

układ samoczynnie dobierze cz

stotliwo

ś ć

odci

cia

14. Naciskaj

c przycisk Tare, uruchamiamy proces zerowania wskaza

wszystkich aktywnych kanałach. Obserwowa

dziemy, trwaj

ce przez

kilka sekund zjawisko zbli

ania si

warto

ci wy

wietlanych w kolumnie

Measure Value

do zera i jednoczesne narastanie warto

ci liczbowych w

kolumnie Tare Val.

15. Po „wyzerowaniu kolumny” Measure Value, zamykamy omawiane okno
16. Nast

pi powrót do okna z rysunku 7.

17. Klikn

ą ć

przycisk Input channels, otworzy si

okno przedstawione na

rysunku 9. Wygl

d tego okna powinien odpowiada

obrazowi ukazanemu

na rysunku 9, je

eli jest inny, nale

y opisanymi wcze

niej sposobami

doprowadzi

do widocznego wygl

18. Zamkn

ą ć

opisane wy

ej okno, powracaj

c po raz kolejny do okna

pierwotnego z rysunku 7.

19. Spo

ród czterech, opisanych wcze

niej modułów pomiarowych, nale

wybra

Single value meas. Po klikni

ciu na ten moduł, otworzy si

okno

przedstawione na rysunku 10.

20. W najwy

szym wierszu tablicy tego okna pojawi

zmieniaj

ce si

czasie warto

ci liczbowe, niestety – ró

ne od zera. B

dzie to wynikiem

nieuniknionego zjawiska zwanego „płyni

ciem zera”. Nale

y zapisa

warto

ci, klikaj

c na przycisk Measure/Add one value. Wyniki z pierw-

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

szego wiersza zostan

zapisane (zamro

one) w pami

ci systemu i

jednocze

nie uwidocznione w drugim od góry wierszu tablicy.

21. Delikatnie zawiesi

na ko

cu belki odwa

nik o masie 2 kg i stłumi

oscylacje belki

22. W najwy

szym wierszu tablicy pojawi

wyniki odpowiadaj

wydłu

eniom wzgl

dnym fragmentów belki, na których naklejone zostały

tensometry. Klikaj

c na przycisk Measure/Add one value zapiszemy te

wyniki w pami

ci systemu. Pojawi

one natychmiast w najni

szym

wierszu tablicy. Jednocze

nie zaczn

kre

lone krzywe na arkuszu

roboczym widniej

cym w dolnej cz

ę ś

ci okna. Proste narastaj

odpowiadaj

tensometrom rozci

gany, za

opadaj

ce – tensometrom

ciskanym.

23. Delikatnie zawiesi

na ko

cu belki dodatkowy odwa

nik o masie 2 kg i

stłumi

oscylacje belki.

24. W najwy

szym wierszu okna pojawi

nowe wyniki. Klikaj

c na

przycisk Measure/Add one value zapiszemy je w pami

ci systemu.

Pojawi

one natychmiast w najni

szym wierszu okna. Zmieni si

odpowiednio wygl

d prostych na wykresie.

25. W ostatnim etapie eksperymentu, na ko

cu belki zawieszamy trzeci,

wskazany przez prowadz

cego, odwa

nik. Klikaj

c na przycisk

Measure/Add one value

zapiszemy nowe wyniki w pami

ci systemu.

Pojawi

one natychmiast w najni

szym wierszu tablicy. Zmieni si

odpowiednio wygl

d wykresu

26. W pierwszym wierszu tablicy wy

wietlanej w oknie notowane b

gle

wyniki pomiarów w czasie rzeczywistym. Mimo nie zmieniaj

cego si

obci

ą ż

enia belki wyniki te ulega

powolnym zmianom w rezultacie

wspomnianego wcze

niej zjawiska „płyni

cia zera”.

27. Rezultaty zapisane w czasie trwania eksperymentu mo

na wydrukowa

klikaj

c prawym przyciskiem myszy na obszar wykresu i wybieraj

lewym przyciskiem opcj

Print Page. Zostanie wówczas wydrukowana

tablica wyników wraz z wykresami.

Uwaga: Wyniki wyra

one w jednostkach [mV/V] widniej

ce na

monitorze s

warto

ciami odkształce

jednostkowych

(wzgl

dnych), poniewa

współczynnik tensoczuło

ci K, patrz

zale

ś ć

(6), został wcze

niej wprowadzony w programie

Spider8 Control. Wyniki te nale

y pomno

przez 1000, aby

otrzyma

je w tradycyjnie stosowanych jednostkach -

Str

(mikrostrejnach)

28. Na podstawie wyników pomiarów widniej

cych na wydruku (w

przypadku awarii drukarki wyniki nale

y odpisa

z monitora), wypełnij

Tablic

1. i uzupełnij j

wynikami oblicze

poszczególnych napr

ę ż

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

jednostkowych

. Napr

ę ż

enia

oblicza si

ze wzoru (1), przyjmuj

warto

ś ć

modułu Younga E = 2,1·10

1 1

[N/m

(przypomnijmy: 1kG

≈

9,81N.)

Tablica 1

T13

T14

Str

N/m

Str

N/m

Str

N/m

Str

N/m

Str

N/m

W sprawozdaniu nale

1. Sporz

dzi

tablic

pomocnicz

: Tablica 2

Tablica 2

Tensometry rozci

gane

Tensometry

ciskane

T13

T14

=15cm

=35 cm

=45 cm

=15cm

=45 cm

N/m

2. Na podstawie wyników otrzymanych w Tablicy 2, wykre

we wspólnym

układzie współrz

dnych prostok

tnych zale

ci:

( )

, dla

poszczególnych tensometrów i poszczególnych warto

ci siły P.

gdzie:

–

odległo

ś ć

i-tego tensometru od miejsca zamocowania belki

3. We wspólnym układzie współrz

dnych prostok

tnych wykre

zale

( )

dla wszystkich tensometrów stosowanych w pomiarach

4. Odpowiedzie

na pytanie, jakie wnioski dla konstruktorów urz

dze

mechanicznych wynikaj

z wyników pomiarów otrzymanych w trakcie

wiczenia ?

wicz. Nr 71 Po miary tens ometryczne z zastosowaniem ...

4. Pytania kontrolne

1. Podaj definicj

odkształcenia jednostkowego

2. Podaj definicj

napr

ę ż

enia jednostkowego

3. Podaj wzór okre

laj

cy prawo Hooke’a

4. Podaj zwi

zek, jaki wyst

puje mi

dzy napr

ę ż

eniem jednostkowym i

odkształceniem jednostkowym.

5. Wyja

nij zasad

działania tensometru oporowego.

6. Jakie parametru drutu oporowego zmieniaj

w wyniku rozci

gania tego

drutu?

7. Wymie

rodzaje tensometrów

8. Omów korzy

ci wynikaj

ce z pomiarów wielopunktowych.

9. Podaj główne cechy systemu komputerowego Spider8

5. Literatura

1. Roli

ski Z. Zarys elektrycznej tensometrii oporowej wyd. II WNT,

Warszawa 1966

2. Styburski W. Przetworniki tensometryczne WNT, Warszawa 1971
3. Łapi

ski M. Pomiary elektryczne i elektroniczne wielko

ci nieelektrycznych

WNT, Warszawa 1974

4. Zimmermann R. Pomiary drga

i napr

ę ż

metodami elektrycznymi, PWT,

Warszawa 1959

5. Lion K.S. Przyrz

dy do bada

naukowych WNT, Warszawa 1962