Gerinim Ölçer (Strain Gauge) Nedir?

Gerinim Ölçerler (Strain Gauges), parçaların yüzeylerinde oluşan birim uzamaları (strain) ölçmek için kullanılan sensörlerdir. Çok küçük kesitli iletken bir telin çok ince bir şerit üzerine tekrarlı sarımlar şeklinde yerleştirilmesinden oluşur.

Strain Gauge, Edward E. Simmons ve Arthur C. Ruge tarafından 1938 yılında icat edilmiştir. Strain, İngilizce olarak Gerinim anlamına gelmektedir. Strain, teknik bir terim olarak negatif ve pozitif sinyallerle ayırt edilmiş, çekme ve basma gerinimleri anlamına da gelmektedir. Strain Gauge’lere Türkçe’de Gerinim Ölçerler de denilmektedir.

Gerinim Ölçerin Yapısı

Gerinim, gerinim pulu adı verilen bir sensör ile ölçülür. Bir gerinim pulu, tipik olarak dikdörtgen bir ızgara şeklinde bükülmüş ince metal bir telden yapılan, tek eksenli bir transdüserdir. Gerinim pulları, dirençlerindeki değişikliği bir nesnedeki gerinim ile ilişkilendirerek çalışırlar.

İnce Direnç Teli (Thin Resistive Wire): Gerinim pulunun “gerinim algılama” elemanı, dikdörtgen şeklinde bükülmüş ince bir direnç telidir.

Aktif Uzunluk (Active Length): Gerinim pulu tek eksenli bir sensördür. Ölçerin aktif uzunluğu yönündeki gerinimi ölçer. Test nesnesinin gerinim alanı biliniyorsa, gerinim pulu maksimum asal gerinme yönünde yapıştırılmalıdır. Gerinim alanı bilinmiyorsa, bir rozet tipi gerinim pulu kullanılabilir.

Ölçüm Izgara Alanı (Measurement Grid Area): Bir gerinim pulu, ölçüm ızgara alanı üzerindeki ortalama gerinimi ölçer. Daha küçük bir ızgara alanı, daha yerel bir gerinim ölçümü ile sonuçlanacaktır. Buna karşın, daha küçük ızgara alanlarına sahip gerinim pulları, ısıyı uzaklaştırmada daha kötüdür. Bu durum ölçer performansını etkileyebilir.

Transvers Uzunluğu (Transverse Length): Bir gerinim puluna, aktif yönü dışında bir yönden etkiyen gerinimler, gerinim ölçümünde hatalara yol açacaktır. Bu hatanın büyüklüğü, ölçerin transvers hassasiyeti ile ilişkilidir (yani ölçerin asal eksen dışındaki yönlerde oluşan gerinime ne kadar hassas olduğuyla ilişkilidir)

Gerinim Ölçer Çalışma Prensibi

Gerinim ölçerler, elektriksel iletkenlik ve buna bağlı olarak iletken geometrileriyle avantaj sağlamaktadır. Elektriksel iletken, kalıcı bir deformans olmadan veya kırılmayacak şekilde elastisite limitleri dahilinde çekilmeye maruz kaldığında daralmaya ve boyuna uzamaya uğramaktadır. Bu şekil değişimi ile de elektriksel dirençlerinde artma yönünde bir değişim olmaktadır.

Bunun aksine iletkenler de bir basma olduğunda tabi bükülme olmadan bu sefer gerinim ölçerler genişlemekte ve boyuna kısalmaya uğramaktadır. Bu şekil değişimi ile de gerinim ölçerin elektriksel direnci azalır.  Tipik bir gerinim ölçer; uzun ve ince iletken şeritlerinden zig-zag olacak şekilde paralel yollara yerleştirilmiştir. Böylelikle küçük bir gerilme anında iletken tellerinin efektif uzunluğu çoğalmış olacak ve ölçüm gerçekleştirilecektir.

Gerilmenin değişimine göre, strain gauge üzerinde birkaç mili voltluk değişim olur. Ölçümlerin sağlıklı ve doğru olabilmesi için strain-gage sensörü genleşen malzemeye çok iyi sabitlenmelidir. Bu sebeple, inceliği yaklaşık 25 mikron seviyelerindedir. Strain gauge yapı olarak, bakır ve nikel karışımı metalik tellerin üzerinin yalıtkan bir madde ile kapatılması işlemidir. Bu sensör sadece metal gibi genleşme özelliği olan malzemelerde kullanılabilir.

Wheatstone Köprüsü

Strain gauge’lerin iç direnci üzerlerine uygulanan kuvvet ile değişir. Bu iç direnç değişimindeki mekanizmayı inceleyecek olursak;

Malzemenin boyunun kesit alanına bölünüp, malzemenin özdirenci ile çarpılmasıyla malzemenin direnç değeri hesaplanır. Tipik bir strain gauge paralel çizgilerden oluşan uzun bir iletken telden meydana gelir. Bir elektrik iletkeni kalıcı olarak deforme olmayacak şekilde gerildiğinde, kesit alanı daralır ve boyu uzar. Bu noktada direnç formülü dikkate alındığında kesit alanının daralması ve malzemenin boyunun artması direnç değerini arttırır. Tam tersi durumda ise yani elektriksel iletken bir sıkıştırma etkisi altında kaldığında kesit alanı genişler ve malzeme boyu kısalır. Böylelikle direnç değeri azalır. İç dirençte meydana gelen bu değişikliği genellikle bir Wheatstone köprüsü ile ölçebiliriz.

Wheatstone Köprüsü, elektriksel dirençleri karşılaştırmaya ve ölçmeye yardımcı olur. Bu köprü devresi bilinen direnç değerlerini kullanıp, bilinmeyen direnç değerini bulmamızı sağlar. Ayrıca bu devre ile çok küçük direnç değerlerini hassas bir şekilde ölçebiliriz.

Strain Gauge yapılarında sıkıştırmaya ve gerilmeye bağlı iç direnç değişikliklerinden bahsetmiştik. Bu iç direnç değişimleri köprü devresinde bir dengesizliğe neden olur. Gerilim değişimine karşılık gelecek şekilde köprü çıkışında bir voltaj göstergesi oluşur. Bu voltaj değerini yorumlayarak, istenen bilgileri elde edebiliriz.

Gerinim Ölçer Tipleri

Uğraştığınız gerinim ölçer uygulamaları için doğru cihaz tipini seçmek çok önemlidir. Bunu yapmak size her zaman optimum doğruluk ve güvenilirlik açısından en iyi gerinim ölçer performansını verecektir. Tanımlanmış bir amaç için farklı gerinim ölçer türleri arasında seçim yaparken, her zaman akılda tutulması gereken birkaç önemli husus olacaktır.

İlk olarak, ne tür bir gerinim kuvveti ölçtüğünüz konusunda net olmanız gerekir (kütle, tork/burulma, eksenel gerinim, basınç, sıkıştırma, çift yönlü, malzeme yorgunluğu, kesme vb.). Ayrıca ne tür bir dayanıklılık testi yapacağınızı da bilmeniz gerekecektir. Bu, deneysel stres analizini, artık stres analizini, mikro gerinim, deformasyon, malzeme ömrü/ömrü analizi, yük analizi, termal stres, sıcaklık etkileri veya çeşitli diğerlerini içerebilir.

 Yukarıdakilere verdiğiniz yanıtlara dayanarak, ana fiziksel özelliklerine göre çok sayıda model ve gerinim ölçer türü arasında karar vermeniz gerekecektir. Bunlar şunları içerir:

• Gerinim ölçer geometrisi, belirli bir cihazın içerdiği izleyici ızgaralarının sayısı, bunların nasıl düzenlendiği ve sonuçta ortaya çıkan aktif ızgara uzunluğudur.

• Gerinim ölçer serileri ve bağlantıları, cihazın fiziksel olarak nasıl oluşturulduğu ve yerleştirildiği ve diğerleriyle sırayla bağlanıp bağlanmadığı/nasıl bağlandığı, örneğin tel ölçer uzunlukları

• Cihazın elektrik direnci, Ohm cinsinden ölçülür

• Malzeme sıcaklığı tepkisi, performansı ve adaptasyonu seçtiğiniz ölçü tipinin, izlediğiniz malzemenin ve kurulum yerinin termal özelliklerine uygun olması gerekecektir.

Her cihaz tipi ve modeli, genel fiziksel boyut (uzunluk), hassasiyet, aralık ve gerinim ölçer doğruluğu açısından biraz farklı özelliklere sahip olacaktır. Birçok günlük mühendislik ve analiz projesinde bulunan yaygın elektriksel gerinim ölçer türleri şunları içerir:

-Tel gerinim ölçer

-Folyo gerinim ölçer

-Çeyrek köprü gerinim ölçer

-Tam köprü gerinim ölçer

-Lineer ve çift lineer gerinim ölçerler

-T-rozet göstergesi

-V-şekilli gerinim ölçer

-Gerinim ölçer zincirleri

-Entegre lehim sekmesi göstergeleri

-Bakır kurşun göstergeler

-Cıvata gerinim ölçerler

-Hermetik olarak kapatılmış gerinim ölçer

-Gömülü gerinim ölçer

Gerinim Ölçerlerin Kullanım Alanları

-Strain gauge yapılarını, ağırlık ve miktar ölçümü yapmak için yük hücrelerinde kullanabiliriz.

Havacılık uygulamalarında, hava taşıtları içinde bulunan yük hücrelerine strain gauge bağlayabiliriz. Bu sayede uçuş sırasında çeşitli alanlarda meydana gelen herhangi bir gerilme ve gerilimi ölçebiliriz. Bu yapılar ile güvenlik kontrolü için uçuş sırasında kanat sapmasını ve deformasyonu izleyebiliriz. Ayrıca Tren yollarında ray hatlarının etkisi altında kaldığı gerilimi izlemek için demiryolu hatlarına strain gauge bağlayabiliriz. Böylelikle demiryollarının çok fazla gerilme ve baskı altında kalmasına karşın önlem alabiliriz.

Bazı çok küçük gerinim ölçerlere elektrik devre kartları üzerinde yer verebiliriz. Böylelikle meydana gelen gerilim ölçümüne yardımcı olurlar.

Ayrıca bu sensörler;

-Otomotiv, denizcilik ve havacılık tasarımında

-Köprü, kantar ve tünel inşaatı dahil bina ve mimaride

-Endüstri mühendisliği ve tartımda

-Malzeme performansının uzun süreli izlenmesinde (örneğin S-kiriş çekme gerilimi)

-Enerji santralleri ve rafineriler gibi jeoteknik tesislerde

-Motorlarda, türbinlerde, motorlarda, fanlarda, jeneratörlerde, tekerleklerde ve pervanelerde tork ölçümünde

-Dönüştürücü ve yük hücresi üretimi Deneysel stres analizinde

-Deplasman ve Pozisyon Sensörlerinde

 -Sağlamlık Testlerinde

-Esneklik Algılamada

-Dijital Barometrelerde

-Alarm Cihazlarında

 sıklıkla kullanılmaktadır.