Strain Gauge

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges) 21 – 1 ****************************************************************************** สเตรนเกจ (Strain gauges) เปนตัวอุปกรณที่ใชเปนตัวเซนเซอร หรือทรานสดิวเซอร แรง(Force) ที่มากระทําที่ตวั มัน 1. หลักการพื้นฐานของ สเตรนเกจ (Strain gauges) 1.1 ความเครียด(Strain) และความเคน(Stress เมื่อมีแรงมากระทําตอวัตถุเพื่อจะมีผลทําใหวัตถุเปลี่ยนรูปราง เชนยืดยาวออก หรือหดสั้น เขา ก็จะทําใหเกิด ความเครียด(Strain) และความเคน(Stress)ขึ้นที่ตัววัตถุนั้น ๆ

รูปที่ 21-1 ตัวอยางแรง(Force)ที่มากระทําตอวัตถุ

ความเคน(Stress)หาไดจากสมการ δ =

F A

เมื่อ F = แรงที่มากระทํากับวัตถุ A = พื่นที่หนาตัดของวัตุถุที่ไดรับแรง ความเครียด(Strain) หาไดตามสมการ ε=

N/m , lb m2 , lb 2

∆L L

1.2 ดัชนีการยืด หดตัว หรือโมดูลัสของวัตถุ (Modulus of elasticity) “E” ดัชนีการยืด หดตัว หรือโมดูลัสของวัตถุ (Modulus of elasticity) “E” คืออัตราสวนของ ความเคน(Stress)ตอความเครียด(Strain) ซึ่งจะเปนคาที่บอกความยืดหยุน ของวัตถุ F Stress δ E= = A = Strain ∆L ε L

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges)

21 – 2

****************************************************************************** 2. สเตรนเกจ แบบพื้นฐาน 2.1 รูปแบบและโครงสรางพื้นฐานของ สเตรนเกจ แบบตาง ๆ

รูปที่ 21-2 รูปแบบและโครงสรางพื้นฐานของ สเตรนเกจ แบบตาง ๆ

2.2 หลักการทํางานของสเตรนเกจ

รูปที่ 21-3 ตัวอยางการติดตั้ง สเตรนเกจ บน Steel bar

จากรูปที่ 21-3 สเตรนเกจ จะมีคาความตานทานเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีแรงมา กระทําตามแนว Sensitive axis เปนไปตามสมการ R = Ro + ∆R = ρ

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges)

( Lo + ∆L) ( Ao − ∆A)

21 – 3

****************************************************************************** 3. การตอ สเตรนเกจ 3.1 แบบวงจรแบงแรงดัน

รูปที่ 21-4 การตอ สเตรนเกจ เปนวงจรแบงแรงดัน

จากวงจรตามรูปที่ 21-4 คา Vo จะเปนไปสมการ Vo = Vs

Rg Rg + R1

เมื่อไมไดรับแรง (Force) กําหนดให Rg มีคา37.6 Ohms แรงดันVo จะมีคา Vo = Vs

Rg 37.6Ω = 12V ≅ 6.158V Rg + R1 347.6Ω + 330Ω

เมื่อไดรับแรง (Force) และทําใหความตานทาน Rg เปลี่ยนเปน 348.3 Ohms Vo จะมีคา Vo = Vs

Rg 348.3Ω = 12V ≅ 6.1558V Rg + R1 348.3Ω + 330Ω

3.2 แบบวงจร Wheatstone bridge และใช Active Strain gauges หนึ่งตัว

รูปที่ 21-5 การตอ Strain gauges แบบ Wheatstone bridge

จากรูปที่ 21-5 คาของ Vout จะเปนไปตามสมการ Vout =

∆R ∆R R R E− E= E≅ E R+R R + ( R + ∆R) 4 R + 2∆R 4R

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges) 21 – 4 ****************************************************************************** 3.3 แบบวงจร Wheatstone bridge แบบใช Active Strain gauge และใช Dummy strain gauge ชดเชยผลของอุณหภูมิสะสมที่ตัว strain gauge

รูปที่ 21-6 การติดตั้ง Active Strain gauges และ Dummy strain gauge เมื่อตอ เปนวงจร Wheatstone bridge

รูปที่ 21-7 การตอ Active Strain gauges และ Dummy strain gaugeเมื่อตอ เปนวงจร Wheatstone bridge

จากรูปที่ 21-7 คาของ Vout จะเปนไปตามสมการ Vout =

R R ∆R ∆R E− E= E≅ E R+R R + ( R + ∆R) 4 R + 2∆R 4R

3.4 แบบวงจร Wheatstone bridge ที่ใช Active strain gauge 2 ตัว

รูปที่ 21-8 การตอ สเตรนเกจ เปนวงจร Wheatstone bridge ที่ใช Active strain gauge 2 ตัว

จากรูปที่ 21-8 คาแรงดัน Vout จะเปนไปตามสมการ Vout =

∆RE 2R

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges) 21 – 5 ****************************************************************************** 3.5 แบบวงจร Wheatstone bridge ที่ใช Active strain gauge 4 ตัว

รูปที่ 21-9 การตอ สเตรนเกจเปนวงจร Wheatstone bridge ที่ใช Active strain gauge 4 ตัว

จากรูปที่ 21-9 คาแรงดัน Vout จะเปนไปตามสมการ Vout =

∆RE R

4. ตัวอยาง การใช สเตรนเกจ แบบ Active strain gauge 4 ตัว หรือ Load Cell และอุปกรณ ประกอบ เปนวงจรตรวจจับแรง(force)

รูปที่ 21-10 การใช สเตรนเกจ แบบ Active strain gauge 4 ตัว หรือ Load Cellและอุปกรณประกอบ เปนวงจรตรวจจับแรง(force)

ความรูพื้นฐาน : สเตรนเกจ (Strain gauges) 21 – 6 ****************************************************************************** 5. การตอสเตรนเกจ ในกรณีใชสายตอเปนระยะทางไกล ๆ เพื่อชดเชยคาความตานทานในสาย มี วิธีการตอ ตามรูปที่ 21-11

รูปที่ 21-11 การตอ สเตรนเกจ ในกรณีใชสายตอเปนระยะทางไกล ๆ *****************************************************************************