background image

Podstawy tensometrii 

 

1 

1. Idea pomiarów tensometrycznych (łac. tensus = napięty + gr. metréô = mierzę) 

∗ 

metody tensometryczne (MT) są podstawowym sposobem określania naprężeń w punktach na 
powierzchni konstrukcji 

∗ 

MT opierają się na pomiarze przemieszczeń na wybranym odcinku pomiarowym zwanym bazą 
pomiarową o dług. L

0

, za pomocą urządzeń zwanych tensometrami 

∗ 

pomiar przemieszczenia 

∆ l, określenie przemieszczenia względnego ∆ l / L

0

 = 

ε (odkształcenie 

liniowe na kierunku mierzonego przemieszczenia), obliczenie naprężenia w oparciu o przyjęty 
związek fizyczny (np. równanie Hooke’a) 

∗ 

baza tensometru powinna być jak najkrótsza, aby mierzone wartości uśrednione na długości 
bazy były jak najbliższe wartości lokalnych w danym punkcie konstrukcji. 

2. Typy tensometrów (ang. strain gauges

∗  mechaniczne (tensometr Huggenbergera, t. zegarowe)  
∗ ekstensometry (mechaniczno-elektryczno-fotooptyczne) 
∗ czujniki elektooporowe 
∗ indukcyjne 

∗ optyczne 

3.  Tensometr Huggenbergera 

 

∆L

BB

h
a

1

=    

 

DD

CC

H

b

1

1

 

 

∆L h

a

b

H

DD

bh

aH

DD

i DD

=

=

=

1

1

1

 

 

i = przełożenie 

 

DD

s nR

1

= =

def

 

 

R = przemieszczenie jednostkowe 

 

∆L

L

i s

L

0

0

=

 

⇒ 

ε =

=

s

L

i

n R

L

i

0

0

 

∗ 

Przykład: 

 baza tensometru L

0

 = 5 mm, przełożenie i = 1/2000. Zdolność odczytu (najmniejsze 

odkształcenie jakie można odczytać na tensometrze, odkształcenie odpowiadające jednostko-
wemu przemieszczeniu n R = 1mm) wynosi: 

ε =

=

=

1

1

5

1

2000

10

4

L

i

0

 

maksymalna zdolność odczytu wynosi 5 x 10

 -6

4. Zasada pomiaru przemieszczeń poprzez pomiar zmian oporu elektrycznego. 

∗  drut elektrooporowy - drut o średnicy ~0.025 mm, charakteryzujący się liniową zależnością  

zmiany oporu od odkształcenia 

 

A

 

A

1

 

B

 

B

1

 

C

 

C

1

 

D

 

D

1

 

O

n

 

L

0

 

∆L

 

b

a

h

H

 

background image

Podstawy tensometrii 

 

2 

 

 

 

R

L
A

L

r

=

=

ρ

ρ

π

2

 

dR

dL

r

L

r

dr

=



ρ

π

π

2

3

2

1

   różniczka zupełna 

R

L

r

L r

r

=



ρ

π

π

2

3

2

 

 

/ : R   

różnica skończona 

R

R

A

L

L

r

L r

r

=



ρ

ρ

π

π

2

3

2

 

R

R

r

L r

L

L r

r

=





π

π

2

2

2

 

R

R

L

L

r

r

=

− 2

 

dla drutu rozciąganego  

 

ε

νε

y

x

= −

 

dla drutu rozciąganego o przekroju kołowym   ∆

r

r

L

L

= −ν  

(

)

∆R

R

= +

1 2

ν ε  

∗ względna zmiana oporu drutu jest wprost proporcjonalna do jego odkształcenia liniowego 
∗ czujnik elektrooporowy - czujnik zbudowany z drutu elektrooporowego, odpowiednio 

ukształtowanego w celu uzyskania jak największej dokładności odczytu zmian oporu 

 

∆R

R

k

k

=

=

÷

ε

16 3 6

.

.  

 

4.1. 

Wymagania stawiane drutowi elektrooporowemu 

∗ liniowa zależność między zmianą oporu, a przemieszczeniem 

∗ wysoki współczynnik czułości (stała tensometryczna) k 

∗ wysoka oporność właściwa pozwalająca budować czujniki o małych wymiarach 

∗ niski współczynnik termicznej zmiany oporności 

4.2. 

Wymagania stawiane czujnikowi elektrooporowemu 

∗ dobra przewodność cieplna (dobre odprowadzenie z czujnika ciepła wytworzonego przez 

płynący prąd) 

∗ niewrażliwość na odkształcenia poprzeczne do kierunku odkształceń mierzonych 

∗ wysoka oporność izolacji 

4.3. 

Zalety czujników elektrooporowych 

∗ duża dokładność 

∗ możliwość stosowania w miejscach trudnodostępnych 

∗ rozłączność czujnika i układu rejestrującego 

∗ możliwość pomiarów statycznych i dynamicznych  

2 r 

A

L

ρ

 

background image

Podstawy tensometrii 

 

3 

4.4. 

Wady czujników elektrooporowych 

∗ podatność na wpływy temperatury i wilgoci 

∗ duża cena czujników (czujniki raz naklejone nie mogą być usunięte i ponownie użyte) 

∗ rozłączność czujnika i układu rejestrującego - zdalny pomiar 

∗  kosztowne badania (kwalifikowana obsługa) 

5.  

Układ pomiarowy w pomiarach tensometrycznych 

∗ zmiany oporności czujnika mierzy się w układzie mostka Wheatstone’a 
 

 

 

R

c

 - opór czynny  

 

R

k

 - opór kompensacyjny 

 

R

1

 - opór wewnętrzny regulowany 

 

R

2

 - opór wewnętrzny  

 

 

∗ warunek zrównoważenia mostka (brak przepływu prądu przez galwanometr) 

R R

R R

k

c

1

2

=

 

∗  czujnik kompensacyjny służy do kompensacji wpływu zmiany oporu przy zmianie temperatury o 

∆T. Jest on identyczny jak czujnik czynny, ale jest nalepiony na nieobciążonej części konstrukcji 
(lub oddzielnie) 

5.1. 

Układ kompensacyjny 

R

k R

R

c

c

cT

=

+

ε

 

R

R

k

kT

=

 

R

R

R

k R

R

R

c

k

c

cT

kT

=

=

+

ε

 

R

R

cT

kT

=

 

∆R k R

c

=

ε  

ε = 1

k

R

R

c

∆  

5.2. 

Układ samokompensacyjny 

∗  w przypadku belek o przekroju posiadającym oś symetrii prostopadłą do płaszczyzny obciąże-

nia, poddanych prostemu zginaniu, można umieścić dwa czujniki czynne na przeciwległych 
włóknach skrajnych 

 

R

k   R  

R

c

c

c

g

cT

=

+

ε

         ; 

( )

R

k   R

k

k

k

g

=

+

  -

ε

R

kT

 

R

k

g

g

=

=

+

+

R

R

 

R

R

k   R

R

c

k

c

c

cT

k

k

kT

ε

ε

 

R

R

R

c

k

=

=  

 

 

k

k

k

c

k

=

=    

R

R

cT

kT

=

 

∆R

k R

g

= 2

ε  

∆R

R

k

g

= 2 ε  

∗  mostek wykazuje w ukł. samokompensacyjnym odkszt. dwa razy większe niż rzeczywiste. 

R

1

 

R

2

R

k

 

R

c

 

G 

background image

Podstawy tensometrii 

 

4 

6.  Zastosowanie tensometrii elektrooporowej do doświadczalnej analizy naprężeń w 

płaskim stanie naprężenia. 

Problem :

  

Wyznaczyć naprężenia główne w dowolnym punkcie na powierzchni 

 konstrukcji 

płaskiej 

∗  na powierzchni ciała zawsze panuje płaski stan naprężenia 

(

)

σ

ν

ε

ν ε

x

x

y

E

=

+

1

2

     ; 

(

)

σ

ν

ε

ν ε

y

y

x

E

=

+

1

2

      ; 

τ

ν

ε

xy

xy

E

=

+

1

 

∗  w celu wyznaczenia składowych tensora naprężenia należy znać odkształcenia 

ε

x

ε

y

 i 

ε

xy

. Moż-

na je wyznaczyć znając odkształcenia w 3 dowolnych znanych kierunkach, korzystając z relacji 
(transformacja tensora przy obrocie układu współrzędnych) 

 

ε

ε

ε

ε

ε

α ε

α

α

=

+

+

+

x

y

x

y

xy

2

2

2

2

cos

sin

 

∗ odkształcenia i kierunki główne 

 

(

)

ε

ε

ε

ε

ε

ε

1 2

2

2

2

1

2

4

,

=

+

±

+

x

y

x

y

xy

 

 

tan 2

2

ϕ

ε

ε

ε

= −

xy

y

x

 

 

 

∗ naprężenia główne 

(

)

σ

ν

ε

ν ε

1

2

1

2

1

=

+

E

          ; 

(

)

σ

ν

ε

ν ε

2

2

2

1

1

=

+

E

 

∗ rozety tensometryczne 
 

 

 

 

 

typ „delta” 

typ prostokątny 

Przykład : rozeta prostokątna 

ε

ε

ε

ε

ε

ε

0

2

2

=

+

+

=

x

y

x

y

x

   

⇒ 

 

ε

ε

x

=

0

 

ε

ε

ε

ε

ε

ε

90

2

2

=

+

=

x

y

x

y

y

 

⇒ 

 

ε

ε

y

=

90

 

ε

ε

ε

ε

45

2

=

+

+

x

y

xy

   

 

⇒ 

 

ε

ε

ε

ε

xy

=

+

45

0

90

2

 

(

)

tan 2

2

45

0

90

0

90

ϕ

ε

ε

ε

ε

ε

= −

+

 

α

 

α

 

α

 =60

°

 

α

 =45

°

 

ϕ

 >0

1 

1 

ϕ

 <0