background image

 

1

Tensometria oporowa 

 
Metoda wykorzystująca zmianę oporności elektrycznej materiału, z którego 
wykonany jest czujnik tensometryczny, przy zmianie jego wymiarów 
wywołanych działającymi siłami mechanicznymi. 
 
Opór elektryczny (rezystancja) R: 
Stosunek napięcia elektrycznego U, przyłożonego do przewodnika, do natężenia 
powstałego w ten sposób prądu elektrycznego I: 

I

U

R

=

 

 

[1 V/A = 1 

 
Prawo Ohma dla przewodnika liniowego: 
Natężenie prądu elektrycznego I płynącego w przewodniku jest wprost 
proporcjonalne do przyłożonego napięcia U, tzn. wartość oporu R jest 
wielkością niezależną od napięcia i od natężenia. 

 
Przewodnictwo (przewodność, konduktancja) 
 - 

odwrotność oporu 

 

R

1

G

=

   [1/

 = 1 S] 

Wielkość oporu danego przewodnika zależy od 
jego rozmiarów i własności elektrycznych 
materiału, z którego jest zrobiony. 

 
Opór właściwy (rezystywność) przewodnika o długości L i polu przekroju 
poprzecznego S: 

 

S

L

ρ

R

=

   

 

ρ

 - opór właściwy ,jednostka  [

·m] 

Opór właściwy jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału. 
Przewodność elektryczna właściwa (konduktywność) 
– odwrotność oporu właściwego: 

 

 

 

 

 

 

ρ

1

σ

=

   jednostka 

[S/m] 

α

 

R=tg

α 

background image

 

2

Opór elektryczny 

 
Oporność właściwa 

ρ

 przewodnika zależy od temperatury 

T [K]

, dla metali jest 

to zależność liniowa: 
 

]

α

)

K

293

T

(

1

[

ρ

)

T

(

ρ

ρ

K

293

+

=

 

 

ρ(T)

  

- oporność właściwa w dowolnej temperaturze

 

ρ

293 K

 

 - 

oporność właściwa w temperaturze pokojowej 293 K 

 20 °

α

ρ

  

współczynnik temperaturowy rezystywności, jednostka [1/K] 

 
 
 
Wartości oporności i współczynników temperaturowych dla wybranych 
materiałów: 
 

Materiał Oporność właściwa 

ρ×10

-8

 [

·m] 

Współczynnik temperaturowy

α×10

-3

 [1/K] 

srebro 1.6 

3.6 

miedź 1.7 

3.9 

glin 2.7 

4.0 

cynk 5.9 

3.8 

nikiel 6.9 

4.3 

żelazo 9.8 

4.5 

Fe

3

O

4

 5.2×10

3

 

 

diament 2.7×10

8

 

 

Cu

2

O 1÷5×10

9

 

 

CuO 6×10

11

 

 

Nichrom (Ni20%Cr) 

106 

0.01 

Manganin 
(Cu12%Mn4%Ni) 

43 0.01 

Konstantan 
(Cu40%Ni1.2%Mn) 

50 0.005 

 

background image

 

3

Zasada działania tensometru oporowego 

1. Tensometr oporowy - odpowiednio dobrany przewodnik elektryczny, 

mechanicznie mocno związany z powierzchnią badanego elementu. 

2. Zasada działania tensometru - pod wpływem obciążeń badany element 

odkształca się waz z tensometrem, wskutek czego zmieniają się wymiary 
tensometru, z czym związana jest zmiana jego rezystancji. 

 
 
 
 
 
 

Przykład budowy czujnika tensometrycznego oporowego - typ wężykowy 

 

 

 

1 – szereg równoległych drucików, uformowanych w postaci wielokrotnego 
wężyka, 2 – przegięcia drucików, 3 – klej mocujący drucik do podkładki nośnej, 
4 – podkładka nośna, 5 – końcówki drucika oporowego, 6 – druty (grubsze) 
doprowadzające prąd elektryczny, 7 – nakładka ochronna przyklejona do 
drucika oporowego i podkładki nośnej, 8 – klej mocujący tensometr do 
badanego elementu, 9 – badany element,   

l – baza tensometru 

 
Podkładka nośna i klej pełnią także rolę dielektryka izolującego drucik oporowy 
od badanego elementu. 

background image

 

4

Zasada działania tensometru oporowego 

 

Schemat tensometru wykonanego z drutu o 
długości 

L

 i polu przekroju poprzecznego 

S

 

(średnicy 

d

) oraz oporności właściwej 

ρ

module Younga 

i liczbie Poissona

 

ν

poddanego działaniu jednoosiowego 
naprężenia 

σ

 

Opór 

elektryczny 

drutu:     

S

L

ρ

R

=

 

  (1) 

 

Sprężyste wydłużenie względne drutu:   

 

L

L

E

σ

ε

=

=

   (2) 

 

Sprężyste zmniejszenie względne średnicy drutu: 

d

d

ε

ν

'

ε

=

=

  

(3) 

 
Przekształcenia wzoru (1): 
 

 

S

ln

L

ln

ρ

ln

R

ln

+

=

 (logarytmowanie) 

 

 

 

S

dS

L

dL

ρ

ρ

d

R

dR

+

=

  

(różniczkowanie) 

 

 

 

S

S

ε

ρ

ρ

R

R

+

=

  

(przejście do przyrostów skończonych) 

 
 
 

 

ε

ν

2

L

L

ν

2

d

d

2

S

S

4

d

π

S

ąc

różniczkuj

2

=

=

=

=

 

 
 
Ostatecznie: 
 

 

 

ε

)

ν

2

1

(

ρ

ρ

R

R

+

+

=

 

background image

 

5

Zasada działania tensometru oporowego 

 

ε

)

ν

2

1

(

ρ

ρ

R

R

+

+

=

 - 

względna zmiana oporu drucika tensometru 

 
 

Definicja: 

ν

2

1

ε

ρ

ρ

k

+

+

 

 

 

 

 

 

      -  współczynnik czułości odkształceniowej 

      tensometru 

lub 

 

 

 

 

 

     -  stała czułości tensometru lub 

 

 

 

 

 

     -  stała tensometru 

 
 

 

ε

k

R

R

=

  

- zasadnicze równanie tensometrii oporowej 

 
 

 

R

R

 - sygnał elektryczny (wielkość przetwarzana w aparaturze  

   pomiarowej 

na 

odpowiednią wielkość elektryczną), sygnał ten  

   jest 

tym 

większy im większa jest wartość k. 

 
 

Związki między 

ρ

ρ

d

 oraz 

ε

 są różne dla różnych metali. 

Dla hydrostatycznego ściskania:  

V

dV

C

ρ

ρ

d

=

 

V – objętość drutu 

 

co daje dla drutów rozciąganych:  

ε

C

)

ν

1

(

ρ

ρ

d

=

 

 
czyli:  

k = 1 + 2·

ν·(1 – C) + C 

 
Parametr C zależy od materiału drutu i jego obróbki. 

background image

 

6

Zasada działania tensometru oporowego 

 

ν

2

1

ε

ρ

ρ

k

+

+

=

 

 

k = 1 + 2·

ν·(1 – C) + C

 

 

V

dV

C

ρ

ρ

d

=

 

 
1. W zakresie odkształceń plastycznych 

ν = 0.5 dla wszystkich metali: 

 

 nie 

zmienia 

się objętość  

 

0

ρ

ρ

∆ =

 

 

k =2

 

 
 
2. Zakres sprężysty drutu oporowego, dla większości metali: 
 

 

 

 

ν = 0.24÷0.42, które zależy od naprężenia i temperatury 

 

 k  - 

zależy od naprężenia 

 Wyjątek 

konstantan

: k 

 2 w zakresie sprężystym. 

 
 
 
 
Zalety konstantanu do produkcji tensometrów oporowych: 
- współczynnik czułości odkształceniowej tensometru 

 2

, dla dużego zakresu 

 odkształceń 
- współczynnik temperaturowy rezystywności 

α

 bliski zeru, tzn. oporność  

 

w bardzo niewielkim stopniu zależy od temperatury. 

background image

 

7

Zasada działania tensometru oporowego 

 
Efekt brzegowy tensometru rezystancyjnego: 
Na wskutek istnienia kilku warstw tensometru (kleje, podkładka nośna, 
nakładka ochronna, druciki oporowe), naprężenie normalne 

σ

1

 w podłożu (czyli 

w badanym elemencie) wywołuje powstanie naprężeń stycznych 

τ

 w warstwach 

pośredniczących między podłożem a siatką oporową, a w samej siatce 
naprężenia normalne 

σ

 o rozkładach nierównomiernych w pobliżu brzegów 

płytki tensometru. 

 
Naprężenie ścinające licząc od połowy (x 
= L/2) 
 

x

β

m

e

τ

τ

=

 

 

β - zależy od modułów sprężystości kleju 
i materiału drutu, odległości między 
siatką oporową a badanym elementem 
oraz od promienia wygięcia drutu na 
początku i końcu siatki. 
 
 
 
 
Siła 

P

 rozciągająca druciki siatki 

tensometru wynosi zero na początku i końcu płytki tensometru a maksimum w 
środku drucików: 

 

 

 

 

)

e

1

(

τ

β

r

π

2

P

x

β

m

=

    

(od x = 0 do x =L/2) 

Średnia wartość współczynnika czułości tensometru k

s

 jest mniejsza od k: 

 

 

 

k

l

β

2

1

k

e

l

β

2

l

β

2

1

k

2

/

L

β

s

+

=

 

 
 
Na wartość współczynnika k

s

 wpływają także rozmiary i kształt podkładki 

nośnej tensometru. 

background image

 

8

Zasada działania tensometru oporowego 

Wpływ temperatury 

 

Pod wpływem zmiany temperatury od T do T

0

 zmianom ulegają: 

- długości drucików siatki oporowej od L do L

t

 

 

 

 

 

 

)]

T

T

(

α

1

[

L

L

0

t

t

+

=

 

- długość odcinka na elemencie badanym odpowiadający bazie tensometru L 
 

od L do L

p

 

 

 

 

 

 

)]

T

T

(

1

[

L

L

0

p

p

α

+

=

 

 

α

t

α

p

 

– współczynniki temperaturowe rozszerzalności cieplnej odpowiednio 

  materiału drutu oporowego i materiału badanego elementu 
Obydwa wydłużenia wywołują względną zmianę rezystancji tensometru: 

 

 

 

 

 

k

)

T

T

(

)

α

α

(

R

R

0

t

p

p

=

 

 

Zmiana rezystancji siatki tensometru zależna tylko od zmiany temperatury: 
 

 

 

 

)]

T

T

(

α

1

[

R

R

0

ρ

r

+

=

 

  czyli 

 

 

 

 

)

T

T

(

α

R

R

0

ρ

r

=

 

 
Zatem całkowita względna zmiana rezystancji siatki tensometru wynikająca ze 
zmiany temperatury od T

0

 do T: 

 

 

 

 

 

k

)

T

T

(

α

α

k

α

R

R

0

t

p

ρ

T





=

 

 
 
Pozorne wydłużenie względne (błąd pozornego wydłużenia): 

 

 

 

 

)

T

T

(

α

α

k

α

ε

0

t

p

ρ

p





+

=

 

Kompensacja wpływu temperatury: 

 

 

 

 

 

 

 

0

α

α

k

α

t

p

ρ

=





+

 

Taki warunek dobrać można tylko dla jednego materiału tensometru i materiału 
badanego elementu. 

background image

 

9

Zalety tensometrii oporowej 

1.  Duża czułość i dokładność pomiaru: 
 

- zakres liniowy (k = const) zwykłe tensometry 

ε do 5‰ = 0.005  

  czyli 

do 

σ = 1000 MPa dla stali 

 

- minimalne odkształcenia i naprężenia 

ε  10

-6

 czyli 

σ = 0.2 MPa dla stali 

 
2.  Pomiary są uniezależnione od bazy pomiarowej L (bazy tensometru), gdyż 

odczyt dokonywany jest bezpośrednio w jednostkach 

ε = L/L 

 
3.  Możliwość pomiarów statycznych i dynamicznych o dużych 

częstotliwościach przez długie okresy czasu 

 
4.  Małe wymiary i mała masa eliminują wpływ tych wielkości na dokładność 

przeprowadzonych pomiarów – duże znaczenie w badaniach obiektów 
obciążonych dynamicznie 

 
5.  Niewrażliwość na wstrząsy – ważne w badaniach dynamicznych 
 
6.  Bezpośrednie przekazywanie odkształceń na drut oporowy 
 
7.  Możliwość bardzo łatwego stosowania układów rozetowych – badania 

dwuosiowego stanu naprężeń 

 
8.  Możliwość jednoczesnego przeprowadzania pomiaru w bardzo wielu 

punktach 

 
9.  Możliwość pomiaru na niewielkich, bardzo zakrzywionych powierzchniach 
 
10.  Możliwość wykonywania z jednego miejsca pomiarów na odległych od 

siebie przedmiotach 

 
11.  Możliwość dogodnego i bezpiecznego wykonywania pomiarów na trudno 

dostępnych i zagrażających awarią obiektach maszynowych 

 
12.  Możliwość przeprowadzania pomiarów na elementach ruchomych 
 
13.  Duża łatwość automatyzacji pomiaru i łatwość rejestracji danych  
 
14.  Niskie koszty produkcji 

background image

 

10

Wady tensometrii oporowej 

 
1.  Wrażliwość na wilgoć i temperaturę 
 
2.  Niszczenie tensometru przy zdejmowaniu z badanego elementu – 

konieczność cechowania kontrolnego na drodze porównawczej, na 
wybranych tensometrach z danej partii produkcyjnej 

 
3.  Zjawisko histerezy (po odciążeniu odkształcenie tensometru nie wraca 

dokładnie do wartości zerowej) – znika całkowicie po kilku cyklach 
obciążenia 

 
4.  Stosunkowo długi okres przygotowawczy – przygotowywanie powierzchni 

badanej, klejenie i suszenie, mocowanie przewodów elektrycznych, 
zabezpieczanie przed wilgocią i przypadkowym uszkodzeniem. 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

Zjawisko histerezy 

 

– polega na nieco odmiennym przebiegu 

zależności 

R/R vs. ε przy obciążaniu i 

odciążaniu tensometru, zazwyczaj znika po 

kilku cyklach obciążenie-odciążenie 

 
 

background image

 

11

Wymagania stawiane materiałom używanym do wyrobu 

tensometrów oporowych 

 

Drut oporowy powinien odpowiadać następującym wymaganiom: 

 

1.  Stała wartość współczynnika czułości odkształceniowej tensometru 

k=const

 w możliwie szerokim zakresie naprężeń 

 
2.  Możliwie duża wartość współczynnika czułości 

k

 (ma wpływ na czułość i 

dokładność pomiarów) 

 
3.  Możliwie duża rezystancja właściwa – daje większe sygnały 

R/R

, pozwala 

na budowę małych czujników 

 
4.  Najmniejsza możliwa histereza odkształceń  
 
5.  Najmniejszy możliwy współczynnik termicznej zależności rezystancji 
 
6.  Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej powinien być maksymalnie 

zbliżony do współczynnika materiału badanego elementu – eliminacja 
naprężeń termicznych 

 
7.  Niewielkie napięcie termoelektryczne względem miedzi, odgrywa dużą rolę 

przy pomiarach statycznych z użyciem prądu stałego – napięcie 
termoelektryczne pojawia się jeśli połączenia (styki) dwóch przewodników z 
różnych materiałów znajdują się w różnych temperaturach 

 
8.  Dobra lutowność i spawalność – potrzebna do przymocowania drutów 

zewnętrznych 

 
 
Najwięcej wymagań spełnia konstantan, dlatego jest najpowszechniej 
stosowanym materiałem na druty oporowe tensometrów. 
 
Wady konstantanu:  -  stosunkowo duży współczynnik napięcia  
    termoelektrycznego 

względem miedzi ok. 43 

µV/K 

 

 

 

 

(ma to znaczenie tylko przy pomiarach stałoprądowych  

    i 

gdy 

lutowane 

połączenia konstantan-miedź  

    znajdują się w różnych temperaturach) 
 
 

 

 

     -  stosunkowo niewielka wartość k 

 2 (istnieją stopy  

 

 

 

 

metali o znacznie większej wartości k) 

background image

 

12

Wymagania stawiane materiałom używanym do wyrobu 

tensometrów oporowych 

 

Podkładka nośna –

 element pośredniczący w przenoszeniu naprężeń z 

przedmiotu badanego na drut oporowy tensometru, jej własności współdecydują 
o jakości tensometru

 

Wymagania: 

 

1.  Brak pełzania – zachowywanie właściwości mechanicznych z czasem 
2.  Brak histerezy 
3.  Niewrażliwość na wilgoć 
4.  Niewrażliwość na temperaturę 
5.  Dobra przylepność do stosowanych klejów 
6.  Giętkość 
7.  Odpowiednia wytrzymałość mechaniczna 
8.  Duża zdolność izolacyjna (> 50 M

, wobec standardowej oporności 

tensometru rzędu 100 

 
Podkładki nośne wykonywane są z tworzyw sztucznych (np. żywice fenolowe) 
ograniczenie pomiarów temperaturowych do ok. 200

°C. 

 
 
 
 

Klej

 – wymagania: 

 

1.  Brak pełzania 
2.  Dobra przyczepność 
3.  Brak histerezy 
4.  Niewrażliwość na wilgoć 
5.  Niewrażliwość na temperaturę 
6.  Nieaktywny chemicznie 
7.  Duża zdolność izolacyjna 
8.  Krótki czas schnięcia (twardnienia, osiągnięcia właściwych parametrów) 
 
Stosuje się kleje samoutwardzalne np. nitrocelulozowe (aceton) lub 
polimeryzujące np. bakelitowo-fenolowe, typu cyjanopan itd. 

background image

 

13

Wymagania stawiane tensometrom oporowym 

 

Wymagania dla tensometrów jako elementów pomiarowych: 
1.  Małe wymiary – zwłaszcza do badania małych przedmiotów i spiętrzenia 

naprężeń 

2.  Jak największe maksymalne dopuszczalne odkształcenie – zakres pracy 

dający wyniki powtarzalne, brak uszkodzeń mechanicznych tensometru  

3.  Duża wytrzymałość zmęczeniowa (liczba cykli pracy tensometru, dla której 

jego wskazania uznaje się za dobre) 

4.  Możliwość stosowania stosunkowo dużych prądów pomiarowych aby 

zwiększyć czułość – czyli duża przewodność cieplna aby odprowadzać 
wydzielane ciepło. 

5.  Niewrażliwość na odkształcenia poprzeczne w stosunku do kierunku 

odkształceń mierzonych 

6.  Jak najmniejsze pełzanie – różnica wskazań tensometru w różnym czasie na 

elemencie poddanym stałemu obciążeniu 

7.  Dobra mechaniczna i termiczna osłona drutu oporowego 
8.  Widoczność siatki oporowej w celu ułatwienia właściwego umieszczenia 

tensometru na powierzchni badanego przedmiotu. 

9.  Wysoka dopuszczalna górna częstotliwość graniczna 

background image

 

14

Rodzaje tensometrów rezystancyjnych 

 

Wężykowe 

 
1 – siatka rezystancyjna (wężyk) 
2 – klej 
3 – podkładka nośna 
4 - przewody doprowadzające 
5 – nakładka ochronna 
 
 

Główne wady:  -  wrażliwość na odkształcenia boczne 
 

 

      -  zależność czułości tensometru k od długości czynnej (całej) 

   drutu 

oporowego, 

zależność od stosunku części podłużnej do 

 

 

 

części porzecznych drutu 

 
Grubość drucików oporowych jest rzędu 0.025 mm = 25 

µ

 

Kratowe 

 
1 – drut rezystancyjny 
2 – tasiemka miedziana  
 odpowiednio 

poprzecinana 

3 – podkładka nośna 
4 – nakładka ochronna 
5 – przewody doprowadzające 
 

Budowa tensometru (tasiemki miedziane) w znacznym stopniu eliminuje wady 
tensometru wężykowego. 
 

Foliowe 

 
1 – siatka rezystancyjna w postaci  
 

cienkiej folii metalicznej  

 (mniej 

niż 0.004 mm = 4 

µm) 

 wprasowana 

podkładkę 

2 – podkładka nośna 
3 – nakładka ochronna 
4 – zakończenia 
5 – klej 

background image

 

15

Rodzaje tensometrów rezystancyjnych 

 

Zalety tensometrów foliowych w stosunku do drucikowych: 
1.  Możliwość wykonania siatki oporowej lub rozety tensometrycznej w 

dowolnym kształcie, wielkości (z bazą poniżej 1 mm) i z dużą precyzją  
- metodą fotochemiczną 

2.  Lepsze powiązanie z badanym podłożem (lepsze przyleganie) 
3.  Lepsze odprowadzanie wydzielanego ciepła (ze względu na lepsze 

powiązanie z podłożem, relatywnie szerokie ścieżki przewodnika w 
stosunku do grubości) – czyli większe prądy pomiarowe 

4.  Mniejsza skłonność do pełzania pod obciążeniem 
5.  Mniejsza histereza 
6.  Większa stałość punktu zerowego 
 
 

Przykładowe tensometry foliowe lub ich rozety 

 

Pojedyncze 

 

 

 wzdłużny 

bocznymi 

 poprzeczny 

  jednostronny 

 

wyprowadzeniami 

 

 

 

 

 

 

 

l = 1.2 mm   

 

 

l = 3 mm   

 

l = 9 mm 

 

a = 1.3, b = 4.5 mm 

 

a = 4, b = 13 mm   

a = 3.5, b = 12 mm 

 

R = 120 

 

   R 

120 

 

  R 

120 

 

background image

 

16

Przykładowe tensometry foliowe lub ich rozety 

 

Rozety 

 

   

 

 

 dwugałęźny  

 

 

 

 

 

dwugałęźny 

do pomiaru naprężeń stycznych 

 

 

do pomiaru naprężeń przy 

kąt między gałęziami 45

° 

 

 

 

skręcaniu 

  kąt 90

° 

 

 

l = 5 mm   

 

 

 

 

 

l = 3.5 mm 

opór każdej gałęzi 120 

 

 
 

   

 

 typu 

delta 

      typu 

delta 

kąty między siatkami 120

°   

 

 

 

l = 2.5 mm 

a = 12 mm, l = 17 mm 
opór każdej gałęzi 120 

 

 
Żywotność tensometrów 10

7

 cykli obciążeń symetrycznych o amplitudzie 

ε=10

-3

 

Zakres odkształceń do 

ε=4×10

-3

 (błąd nieliniowości < 0.1%) 

background image

 

17

Tensometria oporowa 

Inne rozwiązania 

 

Tensometr płytkowy 

 

 
1 – tensometr foliowy   

2 – płytka stalowa 

 

3 – ramka 

4 – powierzchnia elementu  5 – końcówka przewodu 

6 – przepust 

 
Zasada działania 
1.  Tensometr lub układ tensometrów (rozeta) przymocowany jest do płytki 

metalowej a nie do badanego elementu. 

2.  Płytka łączy się z elementem przez ramkę dystansową. Stosuje się 

zgrzewanie płytki do ramki i ramki do badanego elementu. 

3.  Ramka i płytka przenoszą odkształcenia na tensometr. 
4.  Zalety: bardzo mała wrażliwość na zakłócenia elektryczne z zewnątrz, 

dobra izolacja termiczna 

 
 

Tensometry półprzewodnikowe 

 

 
1 – pasek krzemowy (grubość 0.02÷0.1 mm) 
2 – podkładka nośna 
 
 

 
Główna zaleta tensometrów półprzewodnikowych: 
- bardzo duża wartość współczynnika czułości odkształceniowej  
 

k = 40÷300 (zależy od domieszkowania) 

 
Ponadto: - 

dobrze 

znoszą podwyższone temperatury, do 300

°

  - 

jednakowo 

znoszą obciążenia statyczne i dynamiczne 

 
Wady: 
- współczynnik k silnie zależy od temperatury i wydłużenia względnego 

ε 

background image

 

18

Wzorcowanie tensometrów rezystancyjnych 

 
Zadaniem wzorcowania tensometrów jest wyznaczenie wartości współczynnika 
czułości odkształceniowej (stałej tensometru) k: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

k

R

R

=

 

 

Przyrząd do wzorcowania tensometrów oporowych 

 
1 – zginana belka 
2, 3 – dźwignie 
4 – cięgna 
5 – pokrętło 
6 – cięgno gwintowane 
7 – tensometry 
8 – podpory 
9 – czujnik zegarowy 
 
 
Urządzenie umożliwia 
dokładne określenie 
wielkości odkształcenia 
 

Belka o przekroju prostokątnym b×h i module Younga E, na długości L ulega 
ugięciu o promieniu stałym – w dowolnym przekroju poprzecznym moment 
gnący M jest taki sam. 

 

strzałka ugięcia:  

Z

2

I

E

8

L

M

f

=

 

 

 

12

h

b

I

3

Z

=

 - moment bezwładności przekroju poprzecznego belki 

 

W skrajnych warstwach belki (gdzie przylepione są tensometry) naprężenie jest: 

E

ε

W

M

σ

Z

±

=

±

=

 

 

6

h

b

W

2

Z

=

 - wskaźnik przekroju przy zginaniu 

Wydłużenie względne skrajnych warstw jest stałe wzdłuż odcinka L belki: 

 

 

2

L

h

f

4

ε

±

=

   odkształcenie tensometru wyznacza się tylko przez  

 

 

 

 

 

pomiar strzałki ugięcia 

background image

 

19

Wzorcowanie tensometrów rezystancyjnych 

 

Przyrząd do wzorcowania tensometrów oporowych 

- prostszy w użyciu, mniej dokładny 

 
 
1 – belka wspornikowa 
2 – pokrętło 
3 – czujnik zegarowy 
4 – naklejone tensometry 
 
h – grubość belki 
b – szerokość belki liniowo 
 zmienna 
f – strzałka ugięcia 
 
 
 
 

Z teorii ugięcia belek wynika, że dla tego przypadku wydłużenie względne 
warstwy skrajnej jest stałe na całej długości belki i wynosi: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

L

h

f

ε

=

 

Wyznaczenie 

ε sprowadza się do zmierzeni strzałki ugięcia. 

 

Mierząc jednocześnie 

R

R

 każdego tensometru wyznacza się wartości k. 

 
 
 
Dodatkowe uwagi: 
 
1.  Czułość tensometru w kierunku poprzecznym wyznacza się przez 

wyznaczenie wskazań 2 tensometrów naklejonych obok siebie, z których 
jeden jest skierowany wzdłuż włókien belki, drugi zaś prostopadle. 

 
2.  Tensometr nie może być ponownie użyty po odklejeniu go z badanego 

elementu (ulega zniszczeniu). Cechowanie tensometrów odbywa się w 
sposób statystyczny na pewnej liczbie (próbie) tensometrów 
wyprodukowanych w danej partii. 

background image

 

20

Tensometryczne układy pomiarowe

 

 
1. Zadanie układu pomiarowego:   wyznaczenie zmian rezystancji tensometru, 
 

 

 

 

 

 

wywołanych odkształceniami przedmiotu, do 

 

 

 

 

 

 

którego został przymocowany 

 
2. Zmiany rezystancji tensometru są bardzo małe  

najwyżej rzędu 

 1 ‰ 

 - 

należy stosować przyrządy bardzo czułe lub wzmacniać sygnały 

 
3. Ogólny schemat blokowy tensometrycznego układu pomiarowego: 

 
 

M – mostek tensometryczny 

 

P – przyrząd pomiarowy 

 W 

– 

wzmacniacz 

 Z 

– 

zasilacz 

 

R - rejestrator 

 
 
 

 
 
4. Pomiary odkształceń tensometrów oporowych dają się łatwo zautomatyzować: 
 

 

background image

 

21

Tensometryczne układy pomiarowe 

 

Mostek Wheatstone’a 

podstawowy układ pomiarowy niewielkich zmian oporności 

 

I – tensometr czynny o oporze R

1

 

II – tensometr kompensacyjny  
 o 

oporze 

R

2

 

III, IV – dwa elementy o  
  rezystancjach 

R

3

 i R

4

  

 
Z – źródło zasilania 
P – przyrząd pomiarowy 
 o 

nieskończonym oporze 

 (np. 

galwanometr) 

 
U - napięcie źródła zasilania 
 

U – napięcie wyznaczone przez P 

 

)

R

R

(

)

R

R

(

R

R

R

R

U

R

R

R

R

R

R

U

U

4

3

2

1

3

2

4

1

4

3

3

2

1

1

+

+

=





+

+

=

 

 

 

Metoda zerowa pomiaru odkształceń: 

 

Mostek jest w stanie równowagi, gdy: 
 

 

 

 

 

 

 

 

U = 0  ↔  R

1

·R

4

 = R

2

·R

3

  

 

Po obciążeniu tensometru czynnego I jego oporność zmienia się na 

R

1

 

Aby zachować warunek równowagi należy zmienić oporność jednego z 
pozostałych oporników, np. opornika III do wartości 

R

3

, tak, aby: 

 

 

'

3

2

4

'

1

R

R

R

R

=

 

 

)

R

R

(

R

R

R

3

'

3

4

2

1

=

 

 

 

 

 

)

R

R

(

k

R

R

R

k

R

R

ε

3

'

3

4

1

2

1

1

=

=

 

 
Regulację oporności R

3

 wykonuje się przy użyciu wysokoomowego bocznika. 

background image

 

22

Mostek Wheatstone’a 

podstawowy układ pomiarowy niewielkich zmian oporności 

 

 
Regulacja oporności w gałęzi III  
(ułamek ohma): 
 
wprowadzenie bocznika (równoległej do R

3

 

rezystancji o bardzo dużej oporności R

3

’): 

stosunkowo duże zmiany oporności R

3

’ 

wywołują małe zmiany R

III

 
 

'

3

3

III

R

1

R

1

R

1

+

=

 

 
Uwaga: 
Zasilając układ mostka Wheatstone’a prądem zmiennym, równoważenie układu 
może być dokonywane także członami pojemnościowymi lub indukcyjnymi. 
 
 
 
 
 

 

Przypadek niezrównoważonego mostka Weatstone’a 

Metoda wychyłowa: 

 
Przez przyrząd pomiarowy (galwanometr) płynie prąd 

i

p

 

)

R

R

(

R

R

)

R

R

(

R

R

)

R

R

(

)

R

R

(

R

R

R

R

R

U

i

2

1

4

3

4

3

2

1

4

3

2

1

p

3

2

4

1

p

+

+

+

+

+

+

=

 
Jeśli wszystkie wartości oporności są tego samego rzędu (R

p

 - oporność 

przyrządu pomiarowego), to dla typowych wielkości odkształceń tensometru 
zachodzi praktycznie liniowa zależność pomiędzy: 
 

 

 

 

 

 

ε

R

R

R

i

1

1

1

p

 

 
Mierząc wartość prądu płynącego przez galwanometr wyznacza się wartość 
względnego odkształcenia tensometru. 

background image

 

23

Mostek Wheatstone’a – układ do pomiarów małych zmian oporności 

)

R

R

(

)

R

R

(

R

R

R

R

U

U

4

3

2

1

3

2

4

1

+

+

=

 

 

Wszystkie cztery gałęzie mostka Wheatstone’a mogą zawierać taki sam 
tensometr 

 

 

1) 

   

2) 

 

R

R

4

1

U

U

 

 

 

 

 

0

U

U

∆ =

 

 

 

3) 

   

4) 

 

R

R

U

U

∆ 

  

 

 

 

 

R

R

2

1

U

U

 

 

 

5) 

   

6) 

 

R

R

2

1

U

U

 

 

 

 

 

0

U

U

∆ =

 

 

Układ 3 wzmacnia 4-krotnie, a układy 4 i 5 wzmacniają 2-krotnie sygnał 
wyjściowy na mostku w stosunku do sygnału od tensometru pojedynczego (1). 

 

Układy mostkowe niereagujące na zmiany oporności tensometru: 2 i 6: 
 

są wykorzystywane do kompensacji niepożądanych wpływów innych  

 parametrów 

(temperatur, 

różnic temperatur, przypadkowych obciążeń) 

background image

 

24

Mostek Wheatstone’a

 

 
Przykład wykorzystania układów takich samych tensometrów niereagujących 
na zmiany oporności poszczególnych składników. 
 
 
1. Układ mostka reagujący na zginanie od siły P z pełną kompensacją wpływu 

siły rozciągającej (ściskającej) S i przyrostu temperatury 

 

 

R

R

2

1

U

U

   - sygnał zależy tylko od zmiany oporności tensometru 

 

 

 

wywołanej zginaniem siłą P 

 
 
2. Układ mostka reagujący na zginanie momentem M

g

 z pełną kompensacją 

skręcania  momentem M

S

, rozciągania siłą S i zmiany temperatury 

 

 

R

R

U

U

∆ 

   - 

sygnał zależy tylko od zmiany oporności tensometru 

 

 

 

wywołanej zginaniem momentem M

g

 

background image

 

25

Czułość wskazań układu mostka Wheatstone’a 

 
Mostek niezrównoważony:  i

p

 

 0 

 

Czułość prądowa: 

1

p

i

dR

di

w

=

 

 

Czułość napięciowa: 

1

0

u

dR

dU

w

=

 

 
 

Dokładność i czułość mostka Wheatstone’a w stanie niezrównoważonym, 
metoda wychyłowa, zależy od: 
 

 

 

 

 

 

- napięcia źródła zasilającego U 

      - 

rezystancji 

galwanometru 

R

p

 

 

 

 

 

 

 

- rezystancji wszystkich gałęzi mostka 

 
Wpływ rezystancji galwanometru R

p

 

 

 

 

- R

p

 → 

 czułość napięciowa jest najlepsza 

 

 

 

 

- R

p

 → 0 

czułość prądowa jest najlepsza 

 
 
Analiza zależności związanych z wartością sygnału pomiarowego 
odpowiadającego odkształceniu względnemu 

ε

 

4

3

4

2

1

1

4

1

1

2

0

R

R

R

U

R

R

R

U

R

i

R

i

U

+

+

=

=

  

różniczkując otrzymujemy 

 

2

2

1

2

1

0

)

R

R

(

R

U

dR

dU

+

=

 

 

1

2

2

1

2

0

R

)

R

R

(

R

U

U

+

=

  (małe 

R

1

 
 

k

ε

R

R

1

1

=

  

   

k

ε

)

R

R

(

R

R

U

U

2

2

1

1

2

0

+

=

 

 

Dla wartości rezystancji R

1

 = R

2

 

 

 

 

 

 

k

ε

4

U

k

ε

R

4

R

U

U

2

1

2

0

1

=

=

 

 

Sygnał na wyjściu mostka jest niezależny od rezystancji i pokazuje bezpośrednio 
wartość odkształcenia 

ε