Strain Gauge - บริษัท เคเอ็มยู เทคโนโลยี จำกัด

Strain Gauge

เสตรนเกจ คือ แผ่นอุปกรณ์ที่วัดความเครียด (Strain) ที่เกิดขึ้นกับวัตถุ เมื่อสเตรนเกจถูกกระทำด้วยแรงใด ๆ จนทำให้เส้นโลหะภายในเกิดการเปลี่ยนรูป เช่น ยืด หด บิด หรือ งอ จะส่งผลให้ความต้านทานไฟฟ้าของตัวมันเปลี่ยนไป กล่าวคือเสตรนเกจเปรียบเสมือนตัวต้านทานที่ปรับค่าได้จากแรงทางกล มีลักษณะเป็นเส้นลวดโลหะขนาดเล็กขดรวมกันเป็นกลุ่มเรียกว่า กริด (Grid) ส่วนหัวและส่วนท้ายของขดลวดนี้ถูกออกแบบให้มีขนาดใหญ่เพื่อให้ง่ายต่อการเชื่อมต่อวงจร (Solder Tab)

อ้างอิงจากสูตรความต้านทานของสายไฟ

ดังนั้น ความต้านทานไฟฟ้า แปรผันตรงกับความยาว แต่แปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัด

(A) เมื่อสเตรนเกจสมดุล ไม่ยืด ไม่หด

(B) เมื่อสเตรนเกจถูกยืดออก ส่งผลให้

L มีค่ามากขึ้น
A มีค่าน้อยลง
ดังนั้น R จะมีค่ามากขึ้น

L มีค่าน้อยลง
A มีค่ามากขึ้น
ดังนั้น R จะมีค่าน้อยลง

เราสามารถนำความต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงนี้ไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ได้โดยนำสเตรนเกจไปต่อกับวงจรวีทสโตนบริดจ์ (Wheatstone Bridge)

Wheatstone Bridge ถูกใช้ในการแปลงค่าความต้านทานไฟฟ้าที่มีค่าน้อย ๆ ไปเป็น Output Voltage โดยการจ่ายไฟเข้าวงจร (Input Voltage) ซึ่งเรียกว่าการกระตุ้น (Excitation) แล้ววัดแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานภายในวงจร จะอยู่ในหน่วยของ mV/V

โดยทั่วไป R1 ,R2, R3 และ R4 จะมีค่าเท่ากัน

เมื่อสมดุล อัตราส่วนระหว่าง R1/R2 และ R3/R4จะมีค่าเท่ากับ

จะเสียสมดุลเมื่อความต้านทานโดยรวมเปลี่ยน สามารถเป็นได้ทั้งค่าบวกและลบขึ้นอยู่กับว่าสเตรนเกจยืดหรือหด

สามารถประยุกต์ใช้ได้ 3 รูปแบบ คือ

1.Quarter Bridge (สเตรนเกจ 1 ตัว)

2.Half Bridge (สเตรนเกจ 2 ตัว สามารถต่อสลับกันได้ 4 แบบ)

3.Full Bridge (สเตรนเกจ 4 ตัว)

ความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าน้ำหนัก กับ Output Voltage

ด้วย กฎของฮุก (Hooke’s Law) ที่ว่าด้วยความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น (Stress) และความเครียด (Strain) จะเป็นความสัมพันธ์เชิงเส้น (Linear) ในช่วงขีดจำกัดความยืดหยุ่นของวัสดุ (Limit of Proportionality) ซึ่งเป็นช่วงที่เราใช้งาน (หากใช้งานเกินขีดจำกัดนี้หมายถึงสเตรนเกจจะไม่คืนสภาพ)

และแรงเป็นสัดส่วนโดยตรงของความเค้น ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่าง แรงที่กระทำกับโหลดเซลล์ (F) และ Output Voltage (V0) จึงเป็นความสัมพันธ์เชิงเส้นเช่นกัน

ยกตัวอย่างเช่น Load Cell

max capacity = 50 kg
Excitation ที่ 10V
การตอบสนองเท่ากับ 2mV/V

เมื่อไร้น้ำหนักจะได้               Output Voltage = (0/50)*(2*10) = 0 mV
เมื่อชั่งน้ำหนัก 10 kg จะได้    Output Voltage = (10/50)*(2*10) = 4 mV
เมื่อชั่งน้ำหนัก 25 kg จะได้    Output Voltage = (25/50)*(2*10) = 10 mV
เมื่อชั่งน้ำหนัก 50 kg จะได้    Output Voltage = (50/50)*(2*10) = 20 mV

เมื่อดึงขึ้นด้วยแรงที่เทียบเท่ากับน้ำหนัก 10 kg จะได้ Output Voltage = [(-10)/50]*(2*10) = -4 mV

ขั้นตอนการติดตั้งสเตรนเกจ

ทำความสะอาดวัสดุบริเวณที่จะทำการติดตั้ง
ทำเครื่องหมายบนบนตำแหน่งที่ต้องการติดตั้ง
หยอดกาวที่ด้านหลังของสเตรนเกจ
แปะสเตรนเกจบนตำแหน่งที่ต้องการ
รอเป็นเวลาประมาณ 60 นาที เป็นอันเสร็จสิ้น