Spis treści:
Czujnik nacisku, zwany także tensometrem, to urządzenie elektroniczne lub mechaniczne, które jest używane do pomiaru sił nacisku lub naprężenia wywieranego na jego powierzchnię. Jest to przyrząd, który reaguje na zmiany w siłach nacisku poprzez generowanie odpowiednich sygnałów elektrycznych lub mechanicznych. Tensometry są szeroko stosowane w różnych dziedzinach, takich jak inżynieria – również w tych naprawdę prostych urządzeniach znanych na co dzień – a także tam, gdzie królują nauki przyrodnicze, przemysł czy nawet medycyna. Podstawowym mechanizmem działania tensometru jest zastosowanie cienkich metalowych drutów lub pasków, które ulegają deformacji pod wpływem nacisku. Ta deformacja wpływa na ich opór elektryczny lub długość, co jest mierzone i przeliczane na wartość siły nacisku.
Gdzie stosuje się tensometry?
Wymieniliśmy dziedziny, spójrzmy więc na konkretne przyrządy i zastosowania.
- Wagi elektroniczne. Najbliższy przykład z codziennego życia i jednocześnie świetna okazja, aby zrozumieć, jak faktycznie działa tensometr. Tensometr w wadze elektronicznej jest zazwyczaj przymocowany do platformy wagi lub struktury nośnej. Gdy na wagę położymy masę, platforma ulega odkształceniu, a tensometr zostaje rozciągnięty lub niejako zgnieciony. Ten proces zmienia długość lub opór tensometru. To z kolei wpływa na jego właściwości elektryczne, na przykład zmienia opór elektryczny drutu tensometrycznego.
Sygnał elektryczny z tak zastosowanego tensometru jest zazwyczaj bardzo mały, dlatego wymaga wzmocnienia. Wzmacniacz sygnału jest używany do zwiększenia amplitudy sygnału, aby mógł być dokładnie pomierzony i przetworzony przez układ elektroniczny. Niestety takie czynniki jak temperatura, wibracje, wilgotność czy deformacje konstrukcyjne mają znaczny wpływ na jakość pomiaru, dlatego tak ważne jest, aby wagę umieszczać w odpowiednich warunkach i przeprowadzać regularne kalibracje. Z tego względu trzymanie wagi w łazience, gdzie panują wilgoć, para wodna i często wysokie temperatury nie jest najlepszym pomysłem.
- Budownictwo. W budownictwie tensometry mogą pomagać w monitorowaniu obciążeń strukturalnych, co jest istotne zwłaszcza w kwestii bezpieczeństwa użytkowania mostów i kładek. Wysokościowce, wieże telekomunikacyjne i inne duże budynki są monitorowane przy użyciu tensometrów, aby śledzić zmiany w naprężeniach i deformacjach spowodowanych obciążeniem wiatrem, zmianami temperatury i innymi czynnikami. Podobnie rzecz ma się z konstrukcjami stalowymi, dźwigarami, belkami czy ścianami oporowymi oraz umocnieniami brzegów rzek.
- Aparatura medyczna. W technologii medycznej tensometry mogą pomagać w pomiarze ciśnienia. Znajdziemy je na przykład w pomiarze ciśnienia krwi. Nieco mniej oczywiste zastosowania dla tensometrów oferują analizatory tkanek, platformy do pomiaru równowagi i urządzenia do pomiaru siły mięśniowej znane rehabilitantom i fizjoterapeutom, wkłady ortopedyczne, czujniki w protezach albo urządzenia do wspomagania oddychania.
- Przemysł. W produkcji tensometry są używane do monitorowania procesów produkcyjnych, w których istotna jest ciągłość i precyzja, na przykład w pomiarze ciśnienia i naprężenia w maszynach. W przemyśle spożywczym tensometry mogą monitorować nacisk podczas formowania opakowań, zapewniając jednolitą jakość produktów. W przemyśle plastikowym tensometry kontrolują nacisk podczas wtryskiwania tworzyw sztucznych do form, co zapewnia dokładny kształt i jakość wyrobów. W fazie laboratoryjnej tensometry pomagają w badaniach wytrzymałości materiałów, takich jak testy niszczące czy badania zmęczeniowe. Możemy wspomnieć tutaj także transport i wagi najazdowe, ale to właściwie powtórzenie przykładu z domową wagą.
Tensometr w warsztacie elektronika i projektanta DIY
Stosowanie tensometrów w amatorskiej i półprofesjonalnej elektronice montażowej ma niezliczone zastosowania do pomiarów nacisku lub deformacji w różnych projektach DIY lub eksperymentach. Pierwszy krok to wybór odpowiedniego tensometru do zamierzonego projektu. Istnieją różne typy tensometrów, takie jak oporowe, pojemnościowe czy optyczne. W większości przypadków w elektronice montażowej stosuje się tensometry oporowe z uwagi na łatwość obsługi. Kolejny krok to decyzja i zdefiniowanie jak chcesz wykorzystać tensometr w projekcie. Czy chcesz mierzyć nacisk na przycisk, monitorować nacisk w obudowie, a może wykrywać zmiany w deformacji konstrukcji? To pomoże określić, jak umieścić tensometr i jak go podłączyć.
Jeśli chcesz umieścić tensometr na powierzchni, upewnij się, że jest ona odpowiednio przygotowana. Powierzchnia powinna być czysta, gładka i sucha, aby zapewnić dobre przyleganie tensometru. Po skonfigurowaniu połączeń elektrycznych tensometru, w czym pomogą specyfikacja i instrukcje producenta, zdarzy się, że w przypadku wspomnianych tensometrów oporowych będziesz musiał podłączyć je do układu mostka – potrzebny może okazać się wzmacniacz sygnału.
Za urządzenie do odczytu świetnie posłużą moduły czołowej platformy Arduino. Konfigurujemy odpowiedni program lub oprogramowanie, odczytujemy sygnał z tensometru i pozostają nam ewentualna kalibracja i optymalizacja. Od teraz nic nie stoi na przeszkodzie, aby tak stworzony “komponent z komponentów” stał się częścią czegoś większego, na przykład posłużył do aktywacji sygnalizacji świetlnej, wyświetlania wyników na ekranie lub do sterowania innymi urządzeniami.
Wybór tensometru - porady
Typy tensometrów mają swoje specyficzne zastosowania i właściwości. Wspomniane tensometry oporowe są najczęściej stosowanymi tensometrami. Działają na zasadzie zmiany oporu elektrycznego w wyniku deformacji. Są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od pomiaru nacisku w wagach elektronicznych po monitorowanie naprężenia w konstrukcjach. Bardziej czułe na zmiany tensometry pojemnościowe bywają bardziej skomplikowane w obsłudze, ale oferują większą precyzję. Wykorzystujące zjawiska optyczne oparte na długości fal świetlnych w wyniku naprężenia tensometry optyczne to wyższa półka – znajdziemy je w środowiskach elektromagnetycznych i urządzeniach medycznych. W kwestii budowy spotyka się elastyczne i odporne na wibracje tensometry polimerowe, odporne na wysokie temperatury i agresywne środowiska chemiczne tensometry ceramiczne czy tensometry piezoelektryczne idealne do pomiarów drgań i wstrząsów.
