Strain-Gage (Gerinim Ölçer) Nedir?

Günümüzde teknolojinin ilerlemesi ile algılayıcılar (sensörler) oldukça önem kazanmıştır. Sensörlerin pek çoğu basit yapıda olmasına karşın bazı durumlarda çok hassas ölçüm yapmak isteyebiliriz. Böyle durumlarda hassas ölçüm yapabilen kaliteli sensörleri kullanırız. Strain-Gage sensörler basınç sensörleri içerisinde en hassas ölçüm yapabilen türüdür. Strain Gage ifadesi, Strain Gauge, Gerinim ölçer, gerinim pulu ve şekil değişikliği sensörleri gibi isimlerle de ifade edilir. Strain Gage, yük hücresi (load cell), tork ve pozisyon algılayıcılarının iç kılıfında yer almaktadır.

Strain-Gage Nedir?

Strain Gage sensörünün ne işe yaradığını anlamak için strain kelimesinin anlamını bilmek bile yeterli olabilir. Strain kelimesi Türkçe de zorlanma anlamına gelmektedir. Strain Gage, bir tür dirençtir. Fakat bu direncin kullanım alanı yüzeyin uzama miktarını ölçmektir. Strain-Gage, üzerine bağlandığı metalin genleşmesi sonucu oluşan uzama miktarını ölçmek için kullanılır. Bu ölçüm işlemi yapılırken Strain-Gage malzemesinin direnç değişimi hesaplanarak malzemenin uzama katsayısı ortaya çıkartılır. Gerilmeye bağlı olarak strain gage üzerinde bir kaç mili voltluk değişim gözlenir. İyi bir ölçüm için strain-gage sensörü genleşen malzemeye çok iyi bir şekilde sabitlenmelidir. İşte bu yüzden folyo kağıdı kadar çok ince bir yapıda imal edilir. İnceliği yaklaşık olarak 1/1000 inch yani 25,4 mikron seviyelerindedir. Strain gage yapı olarak, bakır ve nikel karışımı metalik tellerin üzerinin yalıtkan bir madde ile kapatılması işlemidir. Yukarıda belirttiğim gibi bu sensör sadece metal gibi genleşme özelliği olan malzemelerde kullanılabilir.

Strain-Gage’in Malzeme Yüzeyine Montajlanması

Strain gauge hücresinin ince yapısı düşünüldüğünde metal yüzeye montajlanması çok da kolay olmayacaktır. Fakat strain gage metal malzeme üzerine öyle bir şekilde yerleştirilmelidir ki sanki bütünleşik tek bir malzeme gibi durmalıdır. Bundan dolayı metal yüzeyi çok iyi bir şekilde temizlenmelidir. Temizlik işlemi bittikten sonra alkol yada kolonya gibi sıvılar yardımı ile ince tozlar yüzeyden atılmalıdır. Sonrasında  alt tabanı metale tutkal gibi akışkan bir yapıştırıcı yardımı ile metale sabitlenmelidir. Yüzeye montajlandıktan sonra kablo lehimleme işlemleri yapılarak devreye bağlanır. Aşağıda montajlama işlemini daha iyi anlamanızı sağlayacak bir video ekledim.

Strain-Gage Çalışma Prensibi

Oluşturulan weatstone köprüsüne bağlanan strain gage hücresindeki gerilime bağlı olarak oluşan basıncın etkisi ile oluşan direnç değişimi sayesinde pulun montaj edildiği yüzeye uygulanan kuvveti yani basıncı hesaplamış oluruz.

Hesaplama işleminin temel mantığı ise; Uzama esnasında strain gage telinin boyu uzayarak kesiti azalır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde artma yada azalma meydana gelecektir. Bu meydana gelen direnç değişimine bağlı olarak ise uygulanan kuvvetin miktarı tespit edilebilir.

Gerinim= Kuvvet/Yüzey Alanı formülü ile strain gage hücresinde meydana gelen gerinim miktarı tespit edilerek bu gerilmeye bağlı olarak elektriksel bir direnç çıkışı meydana getirir.

Wheatstone Köprüsü ile Basınç Ölçme İşlemi

Satın alınan Strain-Gage sensörü gerilim miktarı ölçülmek istenen yüzeye montaj edildikten sonra direnç değişimini hassas bir şekilde ölçmek için wheatstone köprüsü oluşturulması gerekir. Wheatstone köprüsü dört direnç ile oluşturulmaktadır. Bu dirençlerin bağlantı şekli ise köprü diyot ile bire bir aynıdır. wheatstone köprüsünün 4 düğüm noktasından iki tanesi bir ikaz voltajı ile beslenirken diğer iki noktadan ise köprüde deformasyona bağlı oluşan direnç değişimleri ölçülür. Tam köprü ölçüm yapılabilmesi için 4 strain gage sensöre ihtiyaç vardır. Fakat ölçüm yapılacak yüzeye ve ölçüm hassasiyetine göre strain gage hücresi azaltılabilir. 2 strain gage hücresi ile yarım wheatstone köprüsü kurulabilir. Yada tek bir strain gage hücresi ile çeyrek wheatstone köprüsü oluşturularak yüzeyin gerilimi ölçülebilir.

Bu ölçüm türleri ile bir noktanın sürekli basınç ölçümü yapılabilir. Böyle durumlarda 2 ya da 1 adet Gerinim Ölçer Sensörü kullanılır. Eksik dirençlerin dışarıdan köprü tamamlama dirençleri ile tamamlanması gerekir. Hassas bir ölçüm için, köprü tamamlama dirençlerinin yüksek doğruluk ve hassasiyette olması gerekir.

Strain-Gage Kullanım Alanları

Strain-Gage sensörleri şekil değişikliklerini ölçer ve bu değişikliğe göre direnci de değişim gösterir. Hassas olmasından dolayı pek çok alanda kullanılır. Başlıca kullanım alanları ise şunlardır;

Deplasman ve Pozisyon sensörlerinde

Sağlamlık testlerinde

Esneklik algılamada kullanılmakta.

Dijital Barometreler

Alarm Cihazları