background image

Wydział 
 

Nr zespołu 

Imię i nazwisko 

Pkt przyg. 

Kierunek  

Nr ćwiczenia 
 

Tytuł ćwiczenia 
Wyznaczanie naprężeń za pomocą tensometru 
oporowego
 

Pkt spraw. 

Grupa  

Data  
 

Pkt koń. 

 
 

Wstęp 

 
Tensometr
 - czujnik, służący do pomiaru. Tensometry wykorzystuje się również pośrednio do 
pomiaru  innych  wielkości  nieelektrycznych  (np.  siły,  naprężenia,  ciśnienia,  drgań).  W 
praktyce  pomiar  tensometryczny  wielkości  innych,  niż  wydłużenie,  polega  na  pomiarze 
wydłużenia  i  obliczeniu  badanej  wielkości  w  oparciu  o  przyjęty  związek  fizyczny  między  tą 
wielkością a wydłużeniem (np. dla określenia naprężenia wykorzystuje się prawo Hooke'a). 
Najczęściej stosowanym rodzajem tensometrów są tensometry oporowe, zmieniające swoją 
rezystancję  wraz  ze  zmianą  wymiarów.  Ze  względu  na  budowę  rozróżnia  się  tensometry 
oporowe: wężykowe, zygzakowe, kratowe, foliowe. Ze względu na materiał użyty do budowy 
tensometry mogą być metaliczne lub półprzewodnikowe. 
 
Zasada działania  
W  tensometrii  elektrooporowej  wykorzystuje  się  zjawisko  zmiany  oporności  elektrycznej 
przewodnika wynikającej z jego wydłużenia lub skrócenia. Zależność opisuje wzór: 
 

 

 
gdzie:   ρ - jest opornością właściwą (rezystywnością) materiału przewodnika;  
 

L - długość przewodnika;  

 

A - pole przekroju 

 
Z powyższego wzoru wynika zależność na względny przyrost oporności: 
 

 

 
gdzie:   ΔR - przyrost oporności;  
 

α - stały współczynnik zależny od materiału, (typowa wartość 2);  

 

ε – odkształcenie 

 

 

 
Na  podstawie  odkształceń,  korzystając  z  uogólnionego  prawa  Hooke'a  można  wyznaczyć 
naprężenia. 

background image

 
 
Mostek Wheatstone’a 

 

Do pomiaru oporu stosujemy obwód elektryczny zwany mostkiem Wheatstone'a.  
 
W jedną gałąź mostka włączamy tensometr 
"czynny" R

1

w drugą, jako opór znany, taki 

sam  tensometr,  przyklejony  takim  samym 
klejem,  na  takim  samym  podłożu,  tzw. 
tensometr 

kompensacyjny 

R

2

Postępowanie to ma na celu:  

 
a) wyeliminowanie wpływu temperatury na 
opór tensometru, wpływu na ogół silniejszego 
niż wpływ naprężeń mechanicznych.  
 
Jeżeli przez galwanometr prąd nie płynie, to ten 
sam prąd płynie przez oba tensometry i podnosi 
jednakowo ich temperaturę;  
b) wyeliminowanie zmiany oporu tensometru, spowodowanej skurczem kleju

.  

 

Pozostałe opory: R

3

 R

4

 - każdy z nich jest sumą oporu 

Ro 

i oporu odcinka drutu oporowego: odpowied-

nio 

AB 

BC. 

Drut oporowy jest rozpięty wzdłuż skali milimetrowej i posiada znany opór 

Rs. 

 

 

Pomiary i obliczenia 

 

Celem naszego ćwiczenia jest wyznaczenie naprężeń ciała stałego – stalowego pręta, dla 

różnych  obciążeń-  1kg,  2kg.  Najpierw  podłączamy  obwód  i  zaczynamy  pomiar  gdy 
płaskownik  leży  na  stole  i  jest  nie  obciążony.  Po  zamknięciu  obwodu,  sterując  ruchomym 
suwakiem  B,  staramy  się  by  galwanometr  wyświetlał  wartość  równą  zero,  czyli  by  prąd 
przepływający przez niego 

Ig 

O

Równowaga powinna nastąpić przy położeniu suwaka w pobliżu 

środka drutu 

AC.  

 

Początkowe położenie styku w naszych obliczeniach wynosi :  

x

0

= 42,16 cm 

 

Następnie poddajemy nasz materiał odkształceniom. W tym celu mocujemy go w uchwycie. 
W skutek tego, że zmienia się opór tensometru, przyklejonego do stalowego, odkształcanego 
płaskownika o ∆R

1

, równowaga mostka zostaje zakłócona i pojawia się prąd 

I

g

O płynący przez 

galwanometr. Następnie staramy się ponownie uzyskać równowagę, czyli przesuwamy ponownie 
suwak B do położenia x

w

. Przy 

I

g

=

O

 zostaje spełniona proporcja: 

 

gdzie 

 oznacza opór odcinka drutu oporowego długości: ∆x = x

1

 – x

0

.  Można go obliczyć ze wzoru 

mając opór całkowity drutu R

5

 i jego długość (L = 1,000 m):  

background image

 

 

Przy założeniu, że: R

1

 

= R

2

R

3

 

R

4

 

R

0

 

1/2 R

5

równanie nasze przybierze postać:  

 

 

 

 

Po dalszych przekształceniach:  
 

 

stąd przy założeniu, że 

∆R3 «R

3

 

dostajemy:  

 

 

 

Ze wzorów wynika ze wydłużenie względne tensometru czynnego jest proporcjonalne do względnej 
zmiany jego oporu: 

 

 

Po przekształceniu i podstawieniu powyższych wzorów otrzymujemy ostateczny wzór na naprężenie 
mierzone tensometrem: 
 

 .

 

Obciążenie własne belki:  

x

w

=48,3 cm 

 
 

Następnie po uzyskaniu równowagi zamocowanego płaskownika o długości L=1,000m 

obciążamy go odważnikami o masie 1kg i 2kg. Nasz materiał ma wyznaczone 7 położeń x co 
10cm. Na każdym z nich po kolei umieszczamy odważniki, po czym ustawiamy galwanometr 
w stan równowagi przesuwając suwakiem B tak by prąd przez niego przepływający ponownie 
był równy zero - 

Ig 

O.  

 
Tabelka z danymi dla obciążenia m

1

=1kg 

 

background image

x

w

=48,3 [cm] 

x

0

= 42,16 [cm] 

k=2.15  
R

0

=100 

 

E= 210 GPa 
C=

 

R

5

=0,20 

 

L=1,000 [m]

 

r  

[m] 

x

i  

[cm] 

∆x

i=

x

i

-x

 

[cm] 

  

[N/m

2

obciążenie 

własne belki 

48,3 

6,14 

23946000 

r

1

= 0,70 

50,9 

8,74 

34086000 

r

2

= 0,60 

51,9 

9,74 

37986000 

r

3

= 0,50 

52,9 

10,74 

41886000 

r

4

= 0,40 

53,9 

11,74 

45786000 

   r

5

= 0,30 

54,9 

12,74 

49686000 

r

6

= 0,20 

55,9 

13,74 

53586000 

r

7

= 0,10 

56,9 

14,74 

57486000 

 
Tabelka z danymi dla obciążenia m

2

=2kg 

 

x

w

=48,3 [cm] 

x

0

= 42,16 [cm] 

k=2.15 
R

0

=100 

 

E= 210 GPa 

C=

 

R

5

=0,20 

 

L=1,000 [m]

 

r  

[m] 

x

i  

[cm] 

∆x

i=

x

i

-x

 

[cm] 

  

[N/m

2

obciążenie 

własne belki 

48,3 

6,14 

23946000

 

r

1

= 0,70 

52,4 

10,24 

39936000 

r

2

= 0,60 

54,3 

12,14 

47346000 

r

3

= 0,50 

56,4 

14,24 

55536000 

r

4

= 0,40 

58,4 

16,24 

63336000 

   r

5

= 0,30 

60,6 

18,44 

71916000 

r

6

= 0,20 

62,5 

20,34 

79326000 

r

7

= 0,10 

64,6 

22,44 

87516000 

 

 

 

 

background image

Naprężenia zostały wyliczone ze wzoru:  

  

w którym 

R

3

 dane jest wyrażeniem 

 a R

3

 = R

4

 = R

0

 + 0.5 R

5

, więc 

ostatecznie: 

 

Wykresy naprężenia ramienia w funkcji długości 

ramienia działania - 

 

 

dla m

1

 

 

 
 
 

 

dla m

2

 

background image

 

Niepewności pomiarowe dla jednego pomiaru –  

np. obciążenie własne belki: 

 

 

C

x

f

C

x

f

0

,

   

m

x

x

0005

,

0

0

 

 

 

 

 

 

 

Wnioski: 

Nasze wyniki wskazują jednoznacznie na to, że odległość r w jakiej umieszczamy odważnik na 
tensometrze jest wprost proporcjonalna do naprężenia powstałego w jego wnętrzu. W miarę 
zwiększania odległości od punktu zaczepienia tensometru w uchwycie zwiększa się 
naprężenie. Potwierdza to również wykres zależności f=

  Trzeba jednak wziąć pod 

uwagę, że jak każdy pomiar w tym również ten obarczony jest błędem wynikającym choćby z 
różnorodnego odczytania wartości pomiarowych z galwanometru.