PRATİK GERİLME GÖSTERGESİ

8.4 PRATİK GERİLME GÖSTERGESİ

  Mekanik gerinme altındaki bir teldeki direnç değişimlerinin uygulamada kullanılabilmesi için bazı koşulların yerine getirilmesi gerekmektedir.

  1. Gerinme altındaki malzeme ile aynı gerinmeye maruz kalması için tel malzemeye sıkıca yapıştırılmalıdır.

  2. Yapıştırma malzemesi gösterge ve malzeme ile aynı gerinmeye uğramalıdır. Özelliklerinin zaman, yinelenen gerilme, veya sıcaklık değişimleri ile değişmemesi gerekmektedir.

  3. Malzeme iletken ise, telin malzemeden yalıtılması gerekmektedir.

  4. Dirençteki değişim ölçülebilecek kadar fazla olmalıdır. Bu da göstergede kullanılan telin olabildiği kadar uzun olması ve direncinin yüksek olması demektir.

  5. Göstergede sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan direnç değişiminin olabildiği kadar az olması gerekmektedir.

  6. Göstergenin yapışma sonucu sıkılık özelliğinin değişmemesi gerekir.

  7. Gösterge fiziksel olarak yeteri kadar dayanıklı olmalıdır.

  8. Gösterge malzemesi esneklik sınırının üzerinde yüklenmemelidir.

  Bölüm 8 Gerinmenin Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  9. Aynı göstergeler aynı malzemelerdeki aynı gerinmelerde yinelenebilir sonuçlar vermelidir.

  8.4.1 SENSÖR TASARIMLARI

  Malzemedeki deformasyon mekanik, optik, akustik, pnömatik ve elektriksel olarak ölçülebilir. En eski gerilme göstergeleri gerinmeyi cismin uzunluğundaki değişimi ilk uzunluğu ile karşılaştırarak ölçen mekanik aygıtlardı. Genel olarak, mekanik aygıtlar düşük çözünürlüktedir ve hacimli ve kullanımı zordur. Gerilme göstergesi tasarımları Şekil-8.5’te görülmektedir.

  A. Metalik yaprak tipi gömülü gerilme göstergesi

  B. Tabana yayılmış ve ince bir yapıştırıcı tabakası ile yüzeye yapıştırılmış direnç elemanı olarak yarıiletken yaprak

  C. Kuvvet algılayıcı üzerine doğrudan biriktirilerek oluşturulan bir seramik yüzeye moleküler olarak bağlanmış (yapıştırıcı yok) ince-film eleman

  D. Yayınık yarıiletken eleman

  Şekil 8.5 Gerilme göstergeleri tasarımlarının yapım ayrıntıları Optik sensörler duyarlı ve doğrudur, fakat kırılgan ve bu nedenle endüstriyel uygulamalarda

  popüler değildirler. Gerinmenin ölçülmesi için ışık dalgalarının karışması ile üretilen koyu çizgileri (girişim çizgileri) kullanırlar. Optik sensörler en iyi laboratuar koşullarında çalışırlar.

  En çok kullanılan gerinme ile değişen karakteristik elektriksel dirençtir. Kapasite ve endüktans tabanlı gerilme göstergelerinin üretilmesine rağmen, bu aygıtların titreşim duyarlığı, montaj gereksinimleri ve devrelerinin karmaşık olması uygulama alanlarını kısıtlamıştır. Fotoelektrik gösterge gerinme ile orantılı bir elektrik akımı üretmek için bir ışık demetini, iki ince ızgara (fine gratings) ve bir fotosel algılayıcı kullanır. Bu aygıtların gösterge uzunluğu 116 in. (1.5875mm) kadar kısa olabilir, fakat pahalı ve kırılgandır.

  İlk yapıştırma metalik tel sarımlı gerilme göstergesi 1938’de geliştirilmiştir. Metalik yaprak tipi gerilme göstergesi yaklaşık 0.001 in. (0.025 mm) kalınlığında ızgara şeklinde ince telden (direnç) oluşur, gerinmesi ölçülecek yüzeye çok ince bir epoksi reçine ile yapıştırılır (Şekil-8.5a). Yüzeye bir yük uygulandığında, yüzey uzunluğundaki değişim dirençte de değişime neden olur ve dolayısıyla gerinme yaprak telin gerinme ile doğrusal olarak değişen elektriksel direncindeki değişim ile ölçülür. Metal yaprak diyafram ve yapıştırıcı madde gerinmenin iletimi için birlikte çalışmalıdır. Aynı zamanda yapıştırıcı da metal yaprak ızgara ile yüzey arasında elektriksel yalıtım görevini de yapmalıdır.

  Bir gerilme göstergesi seçerken, yalnızca sensörün gerinme karakteristiği değil, anı zamanda kararlılığı ve sıcaklık duyarlığı da dikkate alınmalıdır. Ne yazık ki, kullanılabilir çoğu gerilme göstergesi malzemesi aynı zamanda sıcaklıktaki değişimlere de duyarlıdır ve yaşlandıkça dirençleri de değişir. Kısa süreli testler sırasında bu ciddi bir sorun olmayabilir, ancak sürekli endüstriyel ölçümler için, sıcaklık ve sapma için kompanzasyon yapılmalıdır.

  Her gerilme göstergesi tel malzemesi kendi karakteristik gösterge faktörü, direnci, gösterge faktörü sıcaklık katsayısı, dirençsel ısıl katsayı ve kararlılığa sahiptir. Tipik malzemeler

  Bölüm 8 Gerinmenin Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  Constantan (bakır-nikel alaşımı), Nichrome V (nikel-krom alaşımı), platin alaşımları (genellikle tungsten), Isoelastic (nikel-demir alaşımı) veya Karma-tip alaşımı teller (nikel-krom alaşımı),

  metal yapraklar veya yarıiletken malzemelerdir. Gerilme göstergelerinde kullanılan en popüler alaşımlar bakır-nikel alaşımları ve nikel-krom alaşımlarıdır.

  1950’lerin ortalarında, Bell Laboratories’deki bilim adamları germanyum ve silisyumun piezodirençsel özelliğini keşfettiler. Bu malzemelerin önemli bir doğrusallıktan sapma ve sıcaklık duyarlığı olmasına rağmen, metal tel veya yaprak tipi gerilme göstergelerine oranla 50 kattan fazla gösterge faktörü ve 100 kattan fazla duyarlığa sahiptirler. Silisyum yapraklar metalik olanlardan daha esneklerdir. Gerinme altında kaldıktan sonra, ilk şekillerine daha çabuk dönerler.

  1970’lerde, ilk yarıiletken (silisyum) gerilme göstergeleri otomotiv endüstrisi için geliştirilmişti. Diğer gerilme göstergeleri türlerinin aksine, yarıiletken gerilme göstergeleri silisyum veya germanyumun piezodirençsel etkilerine bağlıdır ve gerinmeyi değil, gerilmenin neden olduğu direnç değişimini ölçerler. Yarıiletken yapışmalı gerilme göstergesi, direnç elemanı silisyum tabana yayınık bir plakadan oluşur. Genellikle bu plakanın bir alt tabanı yoktur ve ince bir epoksi tabaka ile gerinme altındaki yüzeye yapıştırılırken çok dikkatli olmak gerekir (Şekil-8.5b). Metalik yaprak sensörden daha küçük boyutta ve çok daha düşük maliyetlidir. Yaprak göstergeleri yapıştırmak için kullanılan aynı epoksiler yarıiletken göstergeleri yapıştırmak için

  de kullanılır. Metal yaprak gerilme göstergeleriyle karşılaştırıldığında, yarıiletken plaka sensörlerin daha

  yüksek direnci ve duyarlığı belirgin üstünlüleri iken sıcaklık değişimlerine duyarlığının yüksek olması ve sapmaya eğimli olması sakıncalarıdır. Yarıiletken gerilme göstergelerinin diğer bir sakıncası ise, gerinme-direnç ilişkisinin bir doğru eşitliğinden 10 ile 20 arasındaki oranla doğrusallıktan sapmasıdır. Bilgisayar-kontrollü enstrümantasyon ile yapılan yazılım kompanzasyonu aracılığıyla bu sınırlamaların üstesinden gelinebilir.

  Daha ileri bir gelişme yapıştırmaya gereksinim duymayan ince-film gerilme göstergeleridir (Şekil-8.5c). Gösterge önce bir elektriksel yalıtım tabakasının (tipik olarak seramik) gerilme altındaki metal yüzeyin üzerine ve sonra gerilme göstergesinin bu yalıtım tabakası üzerine biriktirilmesi ile üretilir. Vakum biriktirme veya püskürtme teknikleri malzemeleri moleküler olarak bağlamak için kullanılır.

  İnce-film gösterge moleküler olarak örneğe bağlandıkları için montaj daha kararlıdır ve direnç değerleri daha az sapar. Diğer bir üstünlük ise, gerilme altındaki kuvvet algılayıcı biriktirilmiş bir seramik yalıtım tabakası üzerindeki metalik diyafram veya çubuk olabilir.

  Yapıştırıcılara gereksinim duymadıkları için yayınık yarıiletken gerilme göstergeleri bu teknolojideki daha ileri bir gelişmedir. Yapıştırma maddelerini eleyerek kayma ve histerisizden kaynaklanan hatalar da ortadan kalkmış olur. Yayınık gerilme göstergesi direnç elemanlarını moleküler olarak bağlamak için ‘photolithography’ maskeleme teknikleri ve boronun katıhal difüzyonunu kullanır. Elektriksel uçlar yarıiletkene doğrudan bağlanır (Şekil-8.5d).

  Yayınık yarıiletken gerilme göstergesi orta-sıcaklık uygulamaları ile sınırlıdır ve sıcaklık kompanzasyonuna gereksinim duyar. Yayınık yarıiletkenler sıklıkla basınç transdüserlerinde algılayıcı elemanlar olarak kullanılır. Küçük, ucuz, doğru ve yinelenebilir olmalarının yanı sıra geniş bir basınç çalışma aralığında güçlü bir çıkış sinyali üretirler. Sınırlamalarından biri olan ortam sıcaklık değişimlerine duyarlığı akıllı transmiter tasarımlarıyla kompanze edilebilir.

  Özetle, ideal gerilme göstergesi boyut ve kütle olarak küçük, maliyeti düşük, kolay bağlanabilir ve gerinmeye duyarlığı yüksek fakat ortam ya da süreç sıcaklığındaki değişimlere duyarsızdır.

  Piyasada kullanılmakta olan üç tip gerilme göstergesi vardır:

  Bölüm 8 Gerinmenin Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  1. çıplak tel gerilme göstergesi

  2. gömülü gerilme göstergesi

  3. yarıiletken gerilme göstergesi Bunlardan ilk ikisi aynı ilkeye göre çalışmaktadır: bir iletken gerildiğinde, uzunluğu artar ve çapı

  veya genişliği azalır, sonuçta direnci de artar. Dirençteki değişimi ölçerek telin ne kadar gerildiğini belirleyebiliriz. Eğer tel herhangi bir şekilde ölçmek istediğimiz gerinmenin kaynağına bağlanmışsa, tel o eleman ile aynı gerinmeye maruz kalacaktır.