Traductoare pentru forțe și cuplu

1 Notiuni introductive

Traductoarele pentru forte si momente sunt necesare pentru supravegherea structurilor cinematice supuse unor regimuri variabile de incarcare variabile (de exemplu: masini unelte, roboti, macarale, benzi transportoare etc.). In aceste situatii, forta apare ca o marime vectoriala iar determinarea directiei in care actioneaza forta este esentiala. Un caz particular, cand ne intereseaza valoarea absoluta a fortei (directia fiind "a priori" cunoscuta) il reprezinta operatia de cantarire automata, adica determinarea greutatii unei mase. In aceste cazuri forta este caracterizata si prin acceleratia pe care o imprima structurii cinematice:

(1)

unde F este forta ce actioneaza asupra masei m ; a - acceleratia ; K - un coeficient care depinde de sistemul de unitati.

In Sistemul International (SI) pentru [m]=1kg si [a]=1m/s2, K=1, iar [F]=1N.

Momentul M este produsul dintre forta si bratul fortei (definit prin distanta masurata intre punctul de aplicare a fortei si centrul de rotatie) :

M = , sau (2)

unde: este bratul fortei ; J - momentul de inertie ; au - acceleratia unghiulara.

In SI, unitatea de masura pentru moment este [N?m].

Momentul poate fi de: rasucire (torsiune), incovoiere sau forfecare. Masurarea fortelor de intindere sau compresiune se apreciaza prin masurarea alungirii relative (apreciata prin efortul unitar) care reprezinta deformatia produsa de forta ce actioneaza pe unitatea de suprafata intr-un solid:

(3)

unde: ? este deformatia ; ? - efortul unitar ; E - modulul de elasticitate.

Uzual deformatia ? se exprima in [mm / m] sau [?m / m] .

Conversia deformatiei in semnal util este cea mai raspandita metoda pe care se bazeaza functionarea traductoarelor de forte si momente, datorita posibilitatilor tehnice de valorificare a efectului tensorezistiv. Efectul tensorezistiv consta in modificarea rezistentei unui conductor atunci cand acesta este supus la un efort care ii provoaca alungirea sau compresia. Acest efect a fost pus in evidenta inca din 1856 de lord Kelvin, dar aplicatia a devenit utilizabila in tehnica dupa circa 75 de ani, cand s-a construit prima marca tensometrica.

Pe langa elementele sensibile tensorezistive, in constructia traductoarelor de forta se mai utilizeaza elemente sensibile parametrice de tip inductiv sau capacitiv. Deasemenea, traductoarele de forta utilizeaza si elemente sensibile generatoare, bazate pe efecte de material (efect magnetostrictiv sau efect piezoelectric).

2 Traductoare de forta tensorezistive

2.1 Principiul de functionare al elementelor sensibile tensorezistive

Considerand un conductor uniform de sectiune A, lungime ??si rezistivitate ?, variatia rezistentei sale electrice datorita variatiei dimensiunilor produse de alungirea ?? este:

(4)

Impartind (4) prin R variatia relativa a rezistentei va fi:

(5)

Intrucat variatia relativa a ariei sectiunii transversale este data de relatia:

(6)

unde ? este coeficientul lui Poisson - (adica raportul dintre contractia transversala si alungire) si admitand pentru rezistivitate o variatie liniara cu volumul V de forma: , se obtine:

(7)

Tinand seama de (6), se obtine:

(8)

unde k este un coeficient ce depinde de natura materialului conductor.

Inlocuind (6) si (8) in (5) rezulta:

(9)

Intrucat in practica, elementul tensorezistiv se realizeaza sub forma unei marci tensometrice (MT), coeficientul K din relatia (9) poarta numele de factor de marca. Din relatia care exprima factorul de marca K = se observa ca acesta depinde de natura materialului folosit (prin coeficientul k) si de tehnologia de realizarea a MT. Altfel exprimat, factorul de marca K reprezinta sensibilitatea marcii tensometrice (sensibilitatea senzorului tensorezistiv).

2.2 Tipuri de marci tensometrice si caracteristicile acestora

Principalele caracteristici ale MT sunt determinate de natura materialului din care acestea se realizeaza. Din acest punct de vedere, marcile tensometrice se grupeaza in urmatoarele patru categorii:

a) Marci tensometrice din conductor metalic

Acestea pot fi: cu capete libere, aderente prin lipire, transferabile pe suprafata si marci sudabile.

Marca tensometrica ce are capetele libere (nelipita