Dynamometr

Dynamometr jest urządzenie do pomiaru siły lub momentu obrotowego . Wykorzystuje sprężynę (przypadek prostego modelu) o znanej sztywności określonej przez moduł sprężystości lub komórkę z tensometrem . Tensometryczny jest jego oryginalna nazwa.

Jednostką siły jest niuton (symbol N), nazwany na cześć założyciela teorii powszechnego ciążenia , Izaaka Newtona . Najczęściej stosowanymi wielokrotnościami są dekanewton (daN, podobna jednostka wartości kilogram-siła ) i kiloniuton (kN). Dyn (symbol dyn) to starożytna jednostka siły.

Obecnie większość dynamometrów jest cyfrowych i ma tendencję do zastępowania modeli mechanicznych , czy to w badaniach i rozwoju, czy w kontroli jakości .

Dynamometr mechaniczny

Dynamometry mechaniczne bezpośrednio wykorzystują zasadę prawa Hooke'a . Rzeczywiście, ponieważ idealna sprężyna jest zgodna z zależnością typu siła = sztywność × wydłużenie , możemy wydedukować wartość siły, mierząc wydłużenie kalibrowanej sprężyny (to znaczy o której znamy sztywność). Wśród najbardziej znanych hamowni mechanicznych, można wymienić komórki obciążenia i hamowni Poncelet (stosowany w XIX th  century do policji jazdy ). Działanie tego urządzenia, wyobrażonego przez burgundzkiego producenta instrumentów Edme'a Régniera , zostało udoskonalone przez pułkownika Raucourta , a następnie przeanalizowane przez inżynierów Saint-Venanta i Ponceleta  : z punktu widzenia teorii sprężystości możemy to postrzegać jako przypadek szczególny pierścienia dynamometrycznego, którego eliptyczny kształt zwiększa czułość w rozciąganiu wzdłuż jego większej osi.

Cyfrowy dynamometr

Dynamometr cyfrowy to przyrząd (przenośny lub stacjonarny) składający się z czujnika siły , cyfrowego urządzenia elektronicznego i wyświetlacza.

Siła przetwornika jest centrum systemu. Można to porównać do sprężyny, która odkształca się w funkcji przyłożonej siły. Gdy czujnik odkształca się, tensometry mierzą przyłożone naprężenia i emitują napięcie elektryczne proporcjonalne do siły. Następnie elektronika dynamometru interpretuje to napięcie, aby wyświetlić je w jednostkach siły.

Ekstensometria

Te czujniki tensometryczne są rezystorów elektrycznych Różni się większą odporność, rozciągliwość w danym kierunku. Mocowane są bezpośrednio do sprężyny, a ich opór mierzy się za pomocą mostka Wheatstone'a . Pomiary są teraz możliwe do częstotliwości do 8  MHz , ale wymagana jest kompensacja temperatury, a długoterminowe zachowanie pozostawia wiele do życzenia w wyniku pełzania . Generalnie wyróżniamy:

Pomiar efektu magnetostatycznego

Stan naprężenia metalu w określony sposób modyfikuje jego przenikalność magnetyczną µ ( odwrotna magnetostrykcja ). W praktyce ta zmiana jest wykrywana przez pole magnetyczne wytwarzane między cewką pierwotną i wtórną transformatora.

Ten czujnik obsługuje duże obciążenia. Technika ta, opatentowana w 1954 roku, jest stosowana w czujnikach sprzedawanych przez ABB pod nazwą Pressductor .

Pomiar efektu piezoelektrycznego

We wkładce piezo-ceramicznej przyłożenie siły F generuje ładunek elektryczny Q proporcjonalny do siły.

Możemy produkować bardzo twarde czujniki piezoelektryczne i przy ich użyciu mierzyć zmiany przy bardzo wysokich częstotliwościach (powyżej 100  kHz ). W badaniach statycznych lub quasi-statycznych należy zwrócić uwagę na stabilność punktu przyłożenia sił. Można rejestrować naprężenia w płaszczyźnie za pomocą trójwarstwowej ceramiki z precyzyjną orientacją każdej warstwy.

Pomiar kompensacji elektromagnetycznej

Zasada dotyczy głośnika  : ruchoma cewka jest zanurzona w polu magnetycznym. Serwo z czujnika położenia utrzymuje cewkę w pozycji i prądu indukowanego w cewce jest proporcjonalna do siły wywieranej na niego. Zgodnie z ogólnym wyrażeniem siły Lorentza mamy:

gdzie: B natężenie pola magnetycznego, i indukowany prąd elektryczny, l efektywna długość przewodu.

Jednak czujniki te umożliwiają pomiar tylko niewielkich sił (maksymalnie 20-30  N ) i dlatego są najczęściej używane w wagach precyzyjnych.

Pomiar drutu wibracyjnego

Okres drgań rozciągniętej liny zależy od jej naprężenia T według wzoru D'Alemberta  :

gdzie: m b gęstość liniowa liny w kg / m, l długość swobodna drgań, f częstotliwość drgań własnych .

Napięcie pasa można zmierzyć , określając częstotliwość drgań za pomocą optycznego miernika częstotliwości .

Pomiary nanomocji

Mikroskop sił atomowych i falowód Metoda ta służy do pomiaru sił w biologii. Rezonansowy falowód jest umieszczony w elastycznej wielowarstwowej warstwie. Jeżeli przez siłę adhezji komórki górne włókno czujnika jest lokalnie odkształcone, odpowiednią siłę można oszacować mierząc przemieszczenie piku rezonansowego. Rozdzielczość wynosi 20  nN .

Aplikacje

Dynamometry są obecnie używane w wielu dziedzinach.

Uniwersalne maszyny wytrzymałościowe

Te maszyny do prób rozciągania lub ściskania (prasa) są wyposażone w tensometryczną komórkę dynamometryczną . Są one bardzo rozpowszechnione i mają na celu dostarczenie laboratoriom przemysłowym lub naukowym analizy „prawie natychmiastowych” właściwości mechanicznych materiałów w funkcji wielu parametrów testowych ( odkształcenie , szybkość odkształcenia , temperatura, historia termiczna  itp .).

Czujniki siły są wyposażone w kabel elektryczny zakończony złączem i można je szybko wymieniać (z wyjątkiem dużych modeli). Częstotliwość ich kalibracji jest często roczna.

Pierwsze maszyny były podłączone do rejestratora wykresów. Najnowsze są podłączane przez skrzynkę interfejsu do komputera wyposażonego w oprogramowanie. System ten umożliwia pilotowanie, akwizycję, wizualizację, analizę numeryczną i graficzną, eksport plików ASCII do arkusza kalkulacyjnego , zapis i wydruk danych testowych.

Górna poprzecznica jest stała. Ruchoma poprzeczka jest napędzany przez dwa boczne śruby poruszany przez silnik - reduktor do DC . Połączenie między śrubami a reduktorem jest wykonane za pomocą kół pasowych i paska synchronicznego ze wzmocnionego elastomeru.

Szybkość odkształcenia (lub naprężenia) v jest niska ( v może zmieniać się od 0,1 do 500  mm / min  ; w praktyce v często wynosi od 1 do 50  mm / min ).

Wzmocnione modele (w szczególności z dostosowaną ramą mechaniczną, silnikiem, przekładnią i ogniwem obciążnikowym) mogą przeprowadzać testy mechaniczne z udziałem dużych sił. Ich przetwornik siły mierzy kilkaset kN (w napięcia , ściskanie , zginanie ,  itp ).

Uwaga: musi być obecny przycisk zatrzymania awaryjnego .

Najczęstszym zastosowaniem jest pomiar siły przy zerwaniu ( maksymalna siła , F m , uzyskana przed osiągnięciem zerwania) w rozciąganiu w celu ustalenia, czy wyrób i / lub zespół jest zgodny, czy nie. Rozciągające dawkach ( R m lub σ m ), lub wytrzymałość na ścinanie (τ m ) mają wymiar od naprężeń i wyprowadzona z siły zerwania; te dwie rezystancje są często wyrażane w M Pa .

Na przykład można określić siłę potrzebną do oddzielenia łącznika od kabla, siłę zamykającą drzwi, sprężystą siłę ryglującą lub ocenić jakość sprężyny amortyzatora.

Uwaga: maszyna do rozciągania może być sprzężona z tensometrem (np. Typu optycznego) umożliwiającym rejestrację krzywych naprężenia σ = f (odkształcenie ε) próbek poddanych rozciąganiu. W ten sposób można scharakteryzować elastyczność zastosowanego materiału wartością wydłużenia przy zerwaniu A %.

Uwagi i odniesienia

  1. Por. H. Navier, G. de Prony i PS Girard , „  Raport ze wspomnień dotyczących pomiaru prędkości Névy w Sankt Petersburgu, autorstwa pułkownika RAUCOURTA.  », Journal of Civil Engineering, Sciences and Arts , Paryż, Alex. Corréard, vol.  X,1831( czytaj online ).
  2. Por. A. Barré de Saint-Venant, Wspomnienie o policji drogowej skierowane do dyrektora Ponts et Chaussées (1830).
  3. Por. Henri Léauté, „  Uwaga dotycząca profilu łopatek dynamometru Ponceleta  ”, Journal of pure and application mathematics , 3rd, vol.  9 N O  8,1883, s.  245-256 ( czytaj online ).
  4. Pressductor na abb.com
  5. Pomiar naprężenia paska
  6. K.-F. Giebel, praca doktorska: Wellenleitermikroskopie: eine neue Methode zur Kraftmessung in biologischen Systemen , University Library of Constance, 17 lipca 2003
  7. Testy udarności wykorzystują inne techniki.
  8. Dotyczy to na przykład części badanych w postaci hantli metalowych poddawanych naprężeniu przy rozciąganiu lub części badanych o standardowej geometrii w betonie poddawanych naprężeniu ściskającemu .
  9. Testy na łuszczenie i dekolt nie są powszechnie praktykowane. Wytrzymałość na odrywanie i rozszczepienie wyraża się w N / m (siła zrywająca / szerokość badanej części).
  10. Ponadto pomiar skurczu bocznego, któremu podlega próbka podczas eksperymentu z wydłużaniem, zapewnia dostęp do współczynnika Poissona ciała Hookeana .
  11. „TC”: ( rozciąganie- ) ścinanie . Prędkość trakcji v = 10  mm / min . Czujnik siły (wymienny; nośność 10 kN ) jest zamocowany na ruchomej poprzecznicy maszyny wytrzymałościowej  . W tle widoczna komora testowa .
  12. Stosowanie samozaciskających się łączników klinowych jest zalecane w przypadku niektórych badań wymagających dużych sił; w ten sposób unika się ryzyka ześlizgnięcia się końców próbki.
  13. Oprogramowanie wykreśla w czasie rzeczywistym krzywą F = f (przemieszczenie belki poprzecznej) tego typu (wyznaczenie na trzech zespołach). W przypadku próby rozciągania lub ścinania wartość wytrzymałości mechanicznej = F m / S  ; gdzie S = przekrój lub powierzchnia, w zależności od rodzaju testu. Wynik testu wytrzymałości na ścinanie jest silnie zależny od grubości złącza.
  14. Ściskanie kompozytowego cylindra przy użyciu maszyny wyposażonej w dynamometr 300  kN .

Zobacz też

Powiązane artykuły