استرین گیج لودسل چیست؟ بررسی نحوه عملکرد، ساختار و کاربردها
لودسل یکی از مهمترین تجهیزات مورد استفاده در سیستمهای اندازهگیری وزن و نیرو است. این تجهیز وظیفه دارد نیروی مکانیکی واردشده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند تا بتوان آن را توسط نمایشگر، ترانسمیتر یا سیستم کنترل اندازهگیری و تحلیل کرد.
در میان فناوریهای مختلف ساخت لودسل، استرین گیج (Strain Gauge) یکی از رایجترین و مهمترین فناوریها محسوب میشود. بسیاری از لودسلهایی که در باسکولها، ترازوهای صنعتی، سیستمهای توزین مخازن، باسکولهای جادهای، تجهیزات آزمایشگاهی و ماشینآلات صنعتی استفاده میشوند، از فناوری استرین گیج بهره میبرند.
اما استرین گیج لودسل چیست؟ استرین گیج چگونه کار میکند؟ چه ارتباطی بین تغییر شکل فلز، مقاومت الکتریکی و وزن وجود دارد؟ چرا معمولاً از چهار استرین گیج در یک لودسل استفاده میشود و نقش پل وتستون (Wheatstone Bridge) در این فرآیند چیست؟
در این مقاله بهصورت کامل به این پرسشها پاسخ میدهیم.
استرین گیج چیست؟
Strain Gauge یا کرنشسنج، یک حسگر الکتریکی است که برای اندازهگیری تغییر شکل بسیار کوچک یک جسم در اثر وارد شدن نیرو استفاده میشود.
یک استرین گیج معمولاً از یک مسیر بسیار نازک فلزی به شکل شبکهای تشکیل شده است که روی یک لایه یا پایه عایق قرار گرفته و به سطح قطعه مورد اندازهگیری متصل میشود.
وقتی جسمی که استرین گیج روی آن نصب شده تحت فشار یا کشش قرار میگیرد، شکل آن اندکی تغییر میکند. همراه با این تغییر شکل، طول و سطح مقطع مسیر فلزی استرین گیج نیز تغییر کرده و در نتیجه مقاومت الکتریکی آن تغییر میکند. همین تغییر بسیار کوچک مقاومت میتواند اندازهگیری و به مقدار نیرو مرتبط شود.
بنابراین میتوان فرآیند را به شکل ساده زیر خلاصه کرد:
نیرو → تغییر شکل → تغییر مقاومت الکتریکی → تغییر ولتاژ → محاسبه نیرو یا وزن
این اصل، اساس عملکرد بسیاری از لودسلهای صنعتی امروزی است.
لودسل استرین گیج چیست؟
لودسل استرین گیج نوعی مبدل نیرو (Force Transducer) است که از یک المان فلزی الاستیک و یک یا چند استرین گیج تشکیل شده است.
بدنه لودسل معمولاً از موادی مانند:
- فولاد آلیاژی
- فولاد ضدزنگ
- آلومینیوم
ساخته میشود.
این بخش فلزی که در منابع مختلف با عنوان Spring Element یا المان الاستیک شناخته میشود، طوری طراحی شده که هنگام اعمال نیرو مقدار بسیار کمی تغییر شکل دهد و پس از برداشته شدن نیرو، در محدوده کاری مجاز به شکل اولیه خود بازگردد.
استرین گیجها روی نقاط خاصی از این المان نصب میشوند؛ نقاطی که بیشترین و مناسبترین کرنش را در اثر نیروی موردنظر ایجاد میکنند.
بنابراین، برخلاف تصور رایج، خود استرین گیج بهتنهایی یک لودسل نیست.
استرین گیج یک حسگر تغییر مقاومت است و لودسل یک مجموعه مهندسیشده شامل المان مکانیکی، استرین گیجها، مدار الکتریکی، سیمکشی و محافظت مکانیکی است.
استرین گیج لودسل چگونه کار میکند؟
برای درک عملکرد لودسل استرین گیج باید فرآیند را مرحلهبهمرحله بررسی کنیم.
فرض کنید یک جسم 10 تنی روی یک لودسل قرار میگیرد.
وزن جسم باعث اعمال نیرو به بدنه لودسل میشود. بدنه لودسل در اثر این نیرو، مقدار بسیار کمی تغییر شکل میدهد. این تغییر شکل ممکن است در حدی باشد که با چشم قابل مشاهده نباشد، اما برای استرین گیج قابل اندازهگیری است.
استرین گیج نیز همراه با بدنه لودسل تغییر شکل میدهد.
این تغییر شکل باعث تغییر مقاومت الکتریکی استرین گیج میشود.
از آنجا که چند استرین گیج در یک مدار الکتریکی به یکدیگر متصل شدهاند، تغییر مقاومت آنها باعث ایجاد تغییر در ولتاژ خروجی مدار میشود.
این سیگنال الکتریکی توسط تجهیزات الکترونیکی دریافت و پردازش شده و در نهایت به وزن یا نیروی قابل نمایش تبدیل میشود.
بنابراین:
وزن جسم → نیروی مکانیکی → تغییر شکل لودسل → تغییر مقاومت استرین گیج → تغییر ولتاژ → نمایش وزن
چرا استرین گیج مقاومتش را تغییر میدهد؟
مقاومت الکتریکی یک رسانا به عواملی مانند طول و سطح مقطع آن وابسته است.
وقتی استرین گیج تحت کشش قرار میگیرد، معمولاً طول آن افزایش و سطح مقطع آن کاهش پیدا میکند؛ در نتیجه مقاومت الکتریکی افزایش مییابد.
در مقابل، زمانی که استرین گیج تحت فشار قرار میگیرد، طول آن کاهش و سطح مقطع آن افزایش مییابد و مقاومت کاهش پیدا میکند.
این تغییر مقاومت بسیار کوچک است.
به همین دلیل اگر فقط یک استرین گیج در سیستم استفاده شود، اندازهگیری تغییر مقاومت آن دشوار خواهد بود و حساسیت سیستم نیز محدود میشود.
راهحل، استفاده از چند استرین گیج و قرار دادن آنها در یک مدار مناسب است.
اینجاست که پل وتستون وارد عمل میشود.
پل وتستون در لودسل چیست؟
پل وتستون (Wheatstone Bridge) یک مدار الکتریکی است که امکان اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک مقاومت را فراهم میکند.
در یک ساختار متداول، چهار مقاومت در قالب یک مدار پل قرار میگیرند. در لودسل استرین گیج، این مقاومتها در واقع استرین گیجهایی هستند که روی المان فلزی نصب شدهاند.
مدار دارای دو بخش اصلی است:
- ولتاژ تحریک یا Excitation Voltage
- ولتاژ خروجی یا Output Voltage
وقتی چهار استرین گیج در شرایط تعادل قرار داشته باشند، ولتاژ خروجی پل بسیار نزدیک به صفر خواهد بود.
با اعمال نیرو، مقاومت استرین گیجها تغییر میکند و تعادل پل به هم میخورد. در نتیجه ولتاژ خروجی تغییر میکند.
این تغییر ولتاژ همان سیگنالی است که سیستم توزین برای تعیین وزن یا نیرو از آن استفاده میکند.
چرا در لودسل از چهار استرین گیج استفاده میشود؟
یکی از دلایل اصلی استفاده از چهار استرین گیج، افزایش حساسیت و دقت اندازهگیری است.
در یک مدار پل کامل، چهار استرین گیج در نقاط مختلف المان الاستیک نصب میشوند. برخی از آنها در اثر اعمال نیرو تحت کشش و برخی تحت فشار قرار میگیرند.
به این ترتیب تغییرات مقاومت در مدار به شکل مؤثرتری به یک سیگنال خروجی تبدیل میشود.
در منابع فنی، مدارهای استرین گیج به سه شکل رایج معرفی میشوند:
Quarter Bridge
در این حالت یک استرین گیج فعال است.
Half Bridge
دو استرین گیج فعال در مدار استفاده میشوند.
Full Bridge
چهار استرین گیج فعال در مدار وجود دارند.
لودسلهای دقیق صنعتی معمولاً از ساختار Full Wheatstone Bridge استفاده میکنند، زیرا امکان دستیابی به حساسیت مناسب و جبران بهتر برخی اثرات ناخواسته را فراهم میکند.
ساختار یک لودسل استرین گیج
یک لودسل استرین گیج را میتوان از چند بخش اصلی تشکیلشده در نظر گرفت:
- المان الاستیک
این قسمت بدنه اصلی لودسل است و وظیفه تحمل نیرو را بر عهده دارد.
شکل و هندسه این قسمت بر اساس نوع نیرو و ظرفیت لودسل طراحی میشود.
- استرین گیجها
استرین گیجها روی قسمتهای مشخصی از المان الاستیک نصب میشوند تا تغییر شکل ناشی از نیرو را اندازهگیری کنند.
- مدار پل وتستون
استرین گیجها در یک مدار الکتریکی قرار میگیرند تا تغییرات کوچک مقاومت به یک سیگنال ولتاژ قابل اندازهگیری تبدیل شود.
- سیمها و اتصالات
سیگنال خروجی و ولتاژ تحریک از طریق کابل به تجهیزات الکترونیکی منتقل میشوند.
- پوشش محافظ
در لودسلهای صنعتی، استرین گیجها باید در برابر رطوبت، گردوغبار، خوردگی و عوامل محیطی محافظت شوند. استفاده از پوششها و محفظههای مناسب به افزایش طول عمر لودسل کمک میکند.
استرین گیج چگونه روی لودسل نصب میشود؟
محل نصب استرین گیج بسیار مهم است.
استرین گیج معمولاً به سطح المان الاستیک چسبانده میشود تا تغییر شکل بدنه را با دقت دنبال کند.
اگر استرین گیج در محل نامناسب نصب شود، ممکن است تغییر شکل موردنظر را بهدرستی اندازهگیری نکند یا تحت تأثیر نیروهای ناخواسته قرار گیرد.
به همین دلیل، طراحی لودسل فقط به انتخاب یک استرین گیج مناسب محدود نمیشود. هندسه بدنه، محل نصب استرین گیج، نوع چسب، جهت قرارگیری شبکه فلزی، مدار الکتریکی و روش محافظت از آن همگی در عملکرد نهایی مؤثر هستند.
در واقع یکی از تفاوتهای یک لودسل صنعتی با یک سنسور ساده، همین طراحی مهندسیشده مجموعه است.
تفاوت استرین گیج و لودسل چیست؟
این دو اصطلاح گاهی به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما از نظر فنی یکسان نیستند.
استرین گیج یک عنصر حسگر است که تغییر کرنش را از طریق تغییر مقاومت الکتریکی اندازهگیری میکند.
اما لودسل یک مبدل کامل برای اندازهگیری نیرو یا وزن است که میتواند از استرین گیج بهعنوان فناوری حسگر استفاده کند.
برای مثال:
استرین گیج = حسگر تغییر کرنش
لودسل استرین گیج = المان مکانیکی + استرین گیج + مدار اندازهگیری + اتصالات + ساختار محافظ
ضمن اینکه همه لودسلها نیز الزاماً استرین گیج نیستند. لودسلها میتوانند بر اساس فناوریهای مختلفی ساخته شوند؛ از جمله لودسلهای استرین گیج، هیدرولیکی و پنوماتیکی.
لودسل کششی و فشاری چگونه از استرین گیج استفاده میکنند؟
نحوه قرارگیری استرین گیج به نوع نیروی مورد اندازهگیری وابسته است.
لودسل فشاری
در لودسلهای فشاری، نیرو باعث فشرده شدن یا تغییر شکل المان الاستیک میشود.
در این حالت استرین گیجهایی که برای اندازهگیری کرنش فشاری در نظر گرفته شدهاند، تغییر مقاومت متناظر با این تغییر شکل را ایجاد میکنند.
لودسلهای Canister، Button، بعضی Beam Load Cellها و انواع دیگر میتوانند در کاربردهای فشاری مورد استفاده قرار گیرند.
لودسل کششی
در لودسل کششی، نیرو در جهت کشش اعمال میشود.
استرین گیجها نیز به شکلی نصب میشوند که تغییر شکل ناشی از کشش را اندازهگیری کنند.
در اثر کشش، مسیر فلزی استرین گیج معمولاً بلندتر و باریکتر شده و مقاومت آن افزایش مییابد.
لودسلهای کششی در تجهیزاتی مانند:
- باسکولهای آویز
- سیستمهای جرثقیل
- اندازهگیری نیروی کشش
- سیستمهای بکسل
- اندازهگیری بار کابل
- سیستمهای کنترل اضافهبار
کاربرد دارند.
حساسیت لودسل استرین گیج چیست؟
یکی از مشخصات مهم لودسل Rated Output یا حساسیت خروجی آن است.
خروجی بسیاری از لودسلها بر اساس واحد mV/V بیان میشود.
برای مثال فرض کنید یک لودسل دارای حساسیت 3 mV/V باشد.
اگر ولتاژ تحریک برابر 10 ولت باشد، خروجی نامی در ظرفیت کامل بهصورت تقریبی برابر خواهد بود با:
3 mV/V × 10 V = 30 mV
یعنی در بار کامل، خروجی لودسل حدود 30 میلیولت خواهد بود.
منبع Load Cell Central نیز نمونهای مشابه را برای یک لودسل با تحریک 10 ولت و خروجی حدود 30.09 میلیولت ارائه میکند که حساسیت حدود 3.009 mV/V را نشان میدهد.
این سیگنال بسیار کوچک است و به همین دلیل سیستمهای توزین به تجهیزات الکترونیکی مناسب برای تقویت و پردازش سیگنال نیاز دارند.
نقش ولتاژ تحریک در لودسل چیست؟
لودسل استرین گیج برای تولید سیگنال خروجی به یک ولتاژ ورودی یا Excitation Voltage نیاز دارد.
این ولتاژ به مدار پل اعمال میشود.
پس از اعمال نیرو، تغییر مقاومت استرین گیجها باعث تغییر ولتاژ خروجی پل میشود.
به همین دلیل مشخصات یک لودسل معمولاً شامل مواردی مانند:
- Excitation Voltage
- Rated Output
- Input Resistance
- Output Resistance
- Capacity
- Accuracy
- Operating Temperature
است.
انتخاب صحیح تجهیزات الکترونیکی و هماهنگی آنها با مشخصات لودسل برای دستیابی به عملکرد مناسب سیستم توزین ضروری است.
چه عواملی روی دقت لودسل استرین گیج تأثیر میگذارند؟
اگرچه لودسلهای استرین گیج دقت بالایی دارند، اما عملکرد آنها میتواند تحت تأثیر عوامل مختلف قرار گیرد.
دما
تغییرات دمایی میتواند مقاومت استرین گیج و همچنین رفتار المان مکانیکی را تغییر دهد.
به همین دلیل بسیاری از لودسلهای صنعتی برای کاهش اثرات دما طراحی و جبرانسازی میشوند.
اضافهبار
اعمال نیروی بیش از ظرفیت مجاز میتواند باعث تغییر شکل دائمی المان الاستیک یا آسیب به استرین گیجها شود.
نیروهای جانبی
لودسل باید عمدتاً در راستای نیرویی که برای آن طراحی شده تحت بار قرار گیرد. نیروهای جانبی میتوانند باعث ایجاد خطا شوند.
رطوبت
نفوذ رطوبت به محل استرین گیج یا اتصالات میتواند عملکرد الکتریکی لودسل را تحت تأثیر قرار دهد.
به همین دلیل محافظت مناسب لودسل در محیطهای صنعتی و مرطوب اهمیت زیادی دارد.
نصب نامناسب
حتی یک لودسل باکیفیت نیز در صورت نصب نادرست نمیتواند عملکرد مطلوبی داشته باشد.
مزایای لودسلهای استرین گیج
لودسلهای استرین گیج به دلیل ترکیبی از دقت، قیمت مناسب و انعطافپذیری، کاربرد بسیار گستردهای دارند.
مهمترین مزایای آنها عبارتاند از:
- دقت مناسب
- قابلیت استفاده در ظرفیتهای مختلف
- ساختار نسبتاً ساده
- قیمت اقتصادی
- امکان استفاده در سیستمهای صنعتی
- قابلیت اتصال به تجهیزات الکترونیکی مختلف
- اندازههای متنوع
- قابلیت استفاده در سیستمهای توزین و اندازهگیری نیرو
- امکان ساخت برای شرایط محیطی مختلف
LCM Systems نیز دقت، قابلیت اطمینان، انعطافپذیری و امکان استفاده در صنایع مختلف را از جمله مزایای مهم فناوری استرین گیج معرفی میکند.
کاربردهای استرین گیج لودسل
لودسلهای استرین گیج تقریباً در هر جایی که نیاز به اندازهگیری وزن یا نیرو وجود داشته باشد، میتوانند مورد استفاده قرار گیرند.
باسکول جادهای
یکی از مهمترین کاربردهای این فناوری در باسکولهای جادهای است.
در این سیستمها چندین لودسل در زیر پلتفرم باسکول قرار میگیرند و مجموع نیروی واردشده به آنها برای محاسبه وزن خودرو استفاده میشود.
باسکول صنعتی
برای توزین مواد اولیه، محصولات و تجهیزات صنعتی نیز از لودسلهای استرین گیج استفاده میشود.
مخازن و سیلوها
لودسل میتواند در زیر مخزن یا سیلو نصب شود و وزن مواد داخل آن را بهصورت پیوسته اندازهگیری کند.
جرثقیل
لودسلهای کششی و Tension Link میتوانند برای اندازهگیری وزن بار و همچنین کنترل اضافهبار جرثقیل مورد استفاده قرار گیرند.
تجهیزات تولید
در خطوط تولید، لودسلها میتوانند برای کنترل وزن، اندازهگیری نیرو و پایش فرآیند استفاده شوند.
صنایع خودروسازی و هوافضا
اندازهگیری نیرو و تست قطعات از کاربردهای مهم لودسلهای استرین گیج در صنایع مهندسی پیشرفته است.
تجهیزات پزشکی و رباتیک
لودسلهای کوچک و دقیق میتوانند در تجهیزات پزشکی، رباتها و سیستمهای آزمایشگاهی برای اندازهگیری نیرو استفاده شوند.
آیا استرین گیج لودسل برای باسکول مناسب است؟
بله. فناوری استرین گیج یکی از رایجترین فناوریها در سیستمهای توزین صنعتی و باسکولهاست.
دلیل استفاده گسترده از این فناوری، امکان ساخت لودسلهایی با ظرفیتها، شکلها و ساختارهای مختلف است.
در باسکولهای جادهای میتوان از لودسلهایی با ظرفیت بالا استفاده کرد و در ترازوهای دقیق یا تجهیزات آزمایشگاهی نیز لودسلهای کوچک و حساس قابل استفاده هستند.
انتخاب لودسل مناسب به عواملی مانند ظرفیت، نوع نیرو، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی، ابعاد محل نصب و نوع سیستم توزین بستگی دارد.
چگونه یک لودسل استرین گیج مناسب انتخاب کنیم؟
برای انتخاب لودسل نباید فقط به ظرفیت آن توجه کرد.
مهمترین مواردی که باید بررسی شوند عبارتاند از:
ظرفیت
حداکثر نیروی مورد انتظار باید مشخص باشد.
نوع نیرو
باید مشخص شود که لودسل تحت:
- فشار
- کشش
- خمش
- برش
- یا ترکیبی از نیروها
قرار میگیرد.
دقت
اگر سیستم برای کاربردهای حساس استفاده میشود، باید لودسلی با دقت مناسب انتخاب شود.
شرایط محیطی
دمای محیط، رطوبت، گردوغبار، مواد شیمیایی و احتمال غوطهوری باید در انتخاب لودسل در نظر گرفته شوند.
ابعاد و نحوه نصب
لودسل باید از نظر ابعاد و نوع نصب با ساختار مکانیکی سیستم سازگار باشد.
نوع خروجی
مشخصات الکتریکی مانند Rated Output، مقاومت ورودی و خروجی و ولتاژ تحریک باید با تجهیزات الکترونیکی سیستم هماهنگ باشند.
آیا استرین گیج لودسل نیاز به کالیبراسیون دارد؟
بله.
مانند سایر تجهیزات اندازهگیری، لودسل استرین گیج نیز ممکن است در طول زمان تحت تأثیر عواملی مانند دما، اضافهبار، شرایط محیطی، فرسودگی، تغییرات مکانیکی و مشکلات نصب قرار گیرد.
بنابراین سیستم توزین باید بهصورت دورهای بررسی و در صورت نیاز کالیبره شود.
کالیبراسیون با اعمال بارهای مشخص و مقایسه خروجی لودسل با مقدار مرجع انجام میشود.
در این فرآیند میتوان پارامترهایی مانند:
- خطای صفر
- تکرارپذیری
- هیسترزیس
- خزش
- خطای خروجی
را بررسی کرد.
نکته مهم این است که کالیبراسیون لودسل با تعمیر لودسل متفاوت است. اگر استرین گیج یا المان مکانیکی آسیب دیده باشد، صرفاً تنظیم نرمافزاری یا تغییر ضریب کالیبراسیون نمیتواند مشکل را بهصورت اصولی برطرف کند.
تفاوت لودسل استرین گیج با سایر فناوریهای لودسل
لودسلها تنها با فناوری استرین گیج ساخته نمیشوند.
از فناوریهای دیگر میتوان به لودسلهای:
- هیدرولیکی
- پنوماتیکی
اشاره کرد.
با این حال، لودسلهای استرین گیج به دلیل دقت، اندازه مناسب، هزینه تولید و قابلیت استفاده در طیف وسیعی از کاربردها، جایگاه بسیار مهمی در صنعت پیدا کردهاند.
جمعبندی؛ استرین گیج لودسل چیست؟
استرین گیج لودسل نوعی لودسل است که با استفاده از استرین گیجها، تغییر شکل بسیار کوچک یک المان فلزی را به تغییر مقاومت الکتریکی و سپس به سیگنال قابل اندازهگیری تبدیل میکند.
در این سیستم، ابتدا وزن یا نیرو به بدنه لودسل وارد میشود. بدنه در اثر نیرو مقدار بسیار کمی تغییر شکل میدهد. استرین گیجهای متصل به بدنه نیز همراه آن تغییر شکل میدهند. این تغییر شکل باعث تغییر مقاومت الکتریکی استرین گیجها شده و مدار پل وتستون این تغییرات بسیار کوچک را به یک ولتاژ خروجی تبدیل میکند. سیستم الکترونیکی نیز این سیگنال را پردازش کرده و مقدار نهایی وزن یا نیرو را نمایش میدهد.
به همین دلیل میتوان فناوری استرین گیج را یکی از پایههای اصلی سیستمهای مدرن اندازهگیری نیرو و وزن دانست.
از باسکولهای جادهای و صنعتی گرفته تا سیستمهای توزین مخازن، جرثقیلها، تجهیزات تولید، صنایع خودروسازی، هوافضا، رباتیک و تجهیزات آزمایشگاهی، لودسلهای استرین گیج نقش مهمی در اندازهگیری دقیق نیرو و وزن دارند.
در نهایت، عملکرد صحیح یک لودسل تنها به کیفیت استرین گیج وابسته نیست؛ طراحی المان مکانیکی، محل نصب استرین گیج، مدار پل وتستون، کیفیت اتصالات، شرایط محیطی، نحوه نصب و کالیبراسیون سیستم همگی در دقت نهایی تأثیرگذار هستند.
