background image

 

Politechnika Warszawska 

Wydział Inżynierii Środowiska 

Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki 

 
 
 

Laboratorium nr 1 

Pomiary sił i przemieszczeń, urządzenia i przetwornik do pomiaru 

sił i przemieszczeń 

 
 
 

Wykonali: 

Nazwisko i Imię 

Grupa  Zespół  Podpis 

Andziak Izabella 

3B 

 

Kołodziej Izabela 

3B 

 

Pidek Elżbieta 

3B 

 

Sotniczuk Aleksandra 

3B 

 

Wiśniewska Justyna 

3B 

 

 

Termin: 

-1  -2  inny 

 

 
 

Prowadzący: dr inż. Eugeniusz Wilk 
Data wykonania ćwiczenia: 26.10.2012 r. 
Data oddania sprawozdania: .................. 

 
 
 
 
 
 
 

Warszawa, 29.10.2012 r. 

 

background image

1. 

Charakterystyka wykorzystanych przetworników do pomiaru przemieszczeń i 
sił.

 

 

 

Przetworniki do pomiaru sił i przemieszczeń wykorzystuje się do badania parametrów 

wytrzymałościowych materiałów. Do pomiarów wielkości sił służą dynamometry. Są to sprężyny o 
takich kształtach, aby siła wywoływała duże przemieszczenie (łatwe do dokładnego zmierzenia). Do 
ich wykonania wykorzystuje się stopy metali o dużej wytrzymałości (charakteryzujące się 
prostoliniowym przebiegiem siły obciążającej w funkcji wydłużenia).  

Istnieją trzy rodzaje siłomierzy: 

  dynamometry domowe (są to spiralne sprężyny z drutu); 
  dynamometry laboratoryjne do kalibracji sił przy rozciąganiu lub ściskaniu (element sprężysty 

ma postać pałąka lub belki zginanej);  

  dynamometry służące do mierzenia momentu skręcającego. 

 

Natomiast  czujnikiem  przemieszczenia  jest  zegarowy  czujnik  mikrometryczny.  Jest  to  jeden  z 

prostszych  przyrządów  do  pomiaru  odkształcenia.  Służy  on  głównie  do  pomiaru  zmian  długości 
tensometrów mechanicznych. 

 
 

Istotną czynnością wykonywania badań parametrów mechanicznych jest cechowanie (kalibracja) 

przyrządów pomiarowych. Celem jest określenie kondycji metrologicznej wzorcowanego przyrządu, 
określającej jego przydatność do wykonywania pomiarów.  

 

 

2. 

Schemat i opis stanowiska badawczego do kalibracji czujnika przemieszczenia i 
dynamometru pałąkowego 

 

2.1. Czujnik zegarowy. 

 

1. kalibrowany czujnik 

2. przedłużony trzpienia 

3. śruba mikrometryczna 

 

Stanowisko  badawcze  do  kalibracji  czujnika  zegarowego  składa  się  ze  śruby  mikrometrycznej  

wywołującej  dokładnie  ustalone  przemieszczenie,  oraz  sprzęgniętego  z  nim  czujnika  zegarowego. 
Czujnik  połączono  ze  śrubą  za  pomocą  specjalnego  przedłużonego  trzpienia,  stanowiącego 
jednocześnie podstawę urządzenia, oraz pręta przenoszącego przemieszczenie. Na początku kalibracji 
śruba mikrometryczna ustawiona była  w położeniu 0. Skalę czujnika zegarowego ustawiono także  w 
położeniu  0.  Dokonywano  pomiarów  kalibracyjnych  odczytując  wskazania  czujnika  dla  zadanego 
położenia  śruby  mikrometrycznej.  Dokonywano  pomiarów  raz  zwiększając  przemieszczenie,  a  raz 
wracając  do  zerowego  przemieszczenia,  zmieniano  przemieszczenie,  co  0,5  [mm].  Wykonano  trzy 
serie pomiarowe.  

 

background image

2.2. Dynamometr pałąkowy. 
 

 

1. czujnik zegarowy 

2. wycechowane obciążniki 

3. dynamometr 

 

Stanowisko  badawcze  do  kalibracji  dynamometru  składa  się  z  dynamometru,  oraz  zestawu 

wzorcowych  ciężarków  o  ciężarze  wynoszącym  dokładnie  5  [kG].    Dla  obciążenia  zerowego 
ustawiono skalę  wbudowanego czujnika zegarowego  w położeniu 0. Następnie zadawano  obciążenie 
dokładając  kolejne  ciężarki  o  dokładnie  ustalonym  ciężarze,  i  odczytywano  wskazania  czujnika. 
Najpierw dokładano ciężarki, następnie je zdejmowano. Pomiary przeprowadzono trzykrotnie.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

3. 

Wyniki kalibracji czujników. 

 

3.1. Dynamometr pałąkowy. 

 

Zakres pomiarowy dynamometru: 5,00 – 50,00 kG 

 

No 

Ustawiony ciężar 

Odczyt czujnika zegarowego: ↑obciążenie  
                                                     ↓odciążenie 

W↓↑ 

∆W↓↑ 

O1↑ 

∆O1↑ 

O1↓ 

∆O1↓ 

O2↑ 

∆O2↑ 

[kG] 

[kG] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

5,00 

5,00 

0,2770 

0,2770 

0,3270 

0,3270 

0,2710 

0,2710 

10,00 

10,00 

0,6050 

0,3280 

0,6110 

0,2840 

0,5440 

0,2730 

15,00 

15,00 

0,8850 

0,2800 

0,8920 

0,2810 

0,8200 

0,2760 

20,00 

20,00 

1,121 

0,2360 

1,171 

0,2790 

1,098 

0,2780 

25,00 

25,00 

1,379 

0,2580 

1,446 

0,2750 

1,379 

0,2810 

30,00 

30,00 

1,695 

0,3160 

1,719 

0,2730 

1,663 

0,2840 

35,00 

35,00 

2,020 

0,3250 

1,989 

0,2700 

1,950 

0,2870 

40,00 

40,00 

2,293 

0,2730 

2,260 

0,2710 

2,240 

0,2900 

45,00 

45,00 

2,528 

0,2350 

2,534 

0,2740 

2,531 

0,2910 

10 

50,00 

50,00 

2,793 

0,2650 

2,807 

0,2730 

2,824 

0,2930 

suma 

275,00 

 

 

 

 

 

 

 

 

Analiza statystyczna – wyznaczanie niepewności pomiarowych, charakterystyka urządzenia. 

 

 
 
 
 

No 

  
  

Wartość 

średnia 

Odchylenie 

standardow

e średniej 

Kwantyl 

rozkładu  

t-

Studenta 

Niepewność 

pomiarowa 

Niepewność 

względna 

Charakterystyka urządzenia 

∆= 20625 

=

  

= ̅   

=0,01871 
=0,05589 

̅ =

ś

 

̅

 

 

±

̅

 

 

 

 

=

+

 

[mm] 

[mm] 

[] 

[mm] 

[%] 

[kG mm] 

[mm2] 

[mm] 

0,2917 

0,01775 

2,3 

0,04082 

14,74% 

1,458 

25 

0,03501 

0,5867 

0,02140 

2,3 

0,04922 

8,137% 

5,867 

100 

0,05150 

0,8657 

0,02292 

2,3 

0,05272 

5,957% 

12,98 

225 

0,06709 

1,130 

0,02155 

2,3 

0,04956 

4,421% 

22,60 

400 

0,08187 

1,401 

0,02233 

2,3 

0,05136 

3,725% 

35,03 

625 

0,09703 

1,692 

0,01622 

2,3 

0,03730 

2,201% 

50,77 

900 

0,1133 

1,986 

0,02025 

2,3 

0,04657 

2,306% 

69,52 

1225 

0,1297 

2,264 

0,01545 

2,3 

0,03554 

1,550% 

90,57 

1600 

0,1452 

2,531  0,001732 

2,3 

0,00398 

0,1580% 

113,8 

2025 

0,1601 

2,808  0,008963 

2,3 

0,02061 

0,7380% 

140,4 

2500 

0,1756 

15,557 

 

 

 

 

543,1 

9625 

 

background image

 

 

3.2. Czujnik zegarowy. 

 
Zakres pomiarowy czujnika zegarowego: 0,20 – 10,00 mm 

 

No 

Ustawienie śruby 

mikrometrycznej 

Odczyt czujnika zegarowego 

O1↑ ∆O1↑ - zgodnie z ruchem wskazówek zegara 

O2↓ ∆O2↓ - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara 

delta U 

O1↑ 

∆O1↑ 

O1↓ 

∆O1↓ 

O2↑ 

∆O2↑ 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

[mm] 

1. 

0,50 

9,50 

0,495 

0,4950 

0,506 

0,5060 

0,496 

0,4960 

2. 

1,00 

9,00 

0,997 

0,5020 

1,006 

0,5000 

0,994 

0,4980 

3. 

1,50 

8,50 

1,500 

0,5030 

1,504 

0,4980 

1,494 

0,5000 

4. 

2,00 

8,00 

2,003 

0,5030 

2,001 

0,4970 

1,995 

0,5010 

5. 

2,50 

7,50 

2,505 

0,5020 

2,498 

0,4970 

2,497 

0,5020 

6. 

3,00 

7,00 

3,006 

0,5010 

2,995 

0,4970 

3,000 

0,5030 

7. 

3,50 

6,50 

3,506 

0,5000 

3,494 

0,4990 

3,503 

0,5030 

8. 

4,00 

6,00 

4,004 

0,4980 

3,994 

0,5000 

4,005 

0,5020 

9. 

4,50 

5,50 

4,501 

0,4970 

4,496 

0,5020 

4,506 

0,5010 

10. 

5,00 

5,00 

4,998 

0,4970 

4,998 

0,5020 

5,006 

0,5000 

11. 

5,50 

4,50 

5,496 

0,4980 

5,501 

0,5030 

5,504 

0,4980 

12. 

6,00 

4,00 

5,994 

0,4980 

6,004 

0,5030 

6,001 

0,4970 

13. 

6,50 

3,50 

6,494 

0,5000 

6,506 

0,5020 

6,498 

0,4970 

14. 

7,00 

3,00 

6,995 

0,5010 

7,006 

0,5000 

6,995 

0,4970 

15. 

7,50 

2,50 

7,498 

0,5030 

7,505 

0,4990 

7,494 

0,4990 

16. 

8,00 

2,00 

8,001 

0,5030 

8,003 

0,4980 

7,994 

0,5000 

17. 

8,50 

1,50 

8,504 

0,5030 

8,499 

0,4960 

8,496 

0,5020 

18. 

9,00 

1,00 

9,006 

0,5020 

8,997 

0,4980 

8,998 

0,5020 

19. 

9,50 

0,50 

9,506 

0,5000 

9,494 

0,4970 

9,501 

0,5030 

20. 

10,00 

0,00 

10,005 

0,4990 

9,994 

0,5000 

10,004 

0,5030 

 

y = 0,0561x + 0,0128

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

W

sk

az

an

ie

 c

zu

jn

ik

a

 [

m

m

]

Obciążenie [kg]

Charakterystyka dynamometru 

background image

Analiza statystyczna – wyznaczanie niepewności pomiarowych, charakterystyka urządzenia. 

 

No 

  
  

Wartość 

średnia 

Odchylenie 

standardow

e średniej 

Kwantyl 

rozkładu  

t-

Studenta 

Niepewność 

pomiarowa 

Niepewność 

względna 

Charakterystyka urządzenia 

=

  

= ̅   

∆= 3325  

= −0,0003 

= 1 

̅ =

ś

 

̅

 

 

±

̅

 

 

 

 

=

+

 

[mm] 

[mm] 

[] 

[mm] 

[%] 

[kG mm] 

[mm2] 

[mm] 

0,4990  0,003512 

2,10  0,007375 

1,49% 

0,2495 

0,2500 

0,50 

0,9990  0,003606 

2,10  0,007572 

0,76% 

0,9990 

1,000 

1,00 

1,499  0,002906 

2,10  0,006102 

0,41% 

2,2490 

2,250 

1,50 

2,000  0,002404 

2,10  0,005048 

0,25% 

3,9993 

4,000 

2,00 

2,500  0,002517 

2,10  0,005285 

0,21% 

6,2500 

6,250 

2,50 

3,000  0,003180 

2,10  0,006678 

0,22% 

9,0010 

9,000 

3,00 

3,501  0,003606 

2,10  0,007572 

0,22% 

12,25 

12,25 

3,50 

4,001  0,003512 

2,10  0,007375 

0,18% 

16,00 

16,00 

4,00 

4,501  0,002887 

2,10  0,006062 

0,13% 

20,25 

20,25 

4,50 

10 

5,001  0,002667 

2,10  0,005600 

0,11% 

25,00 

25,00 

5,00 

11 

5,500  0,002333 

2,10  0,004900 

0,09% 

30,25 

30,25 

5,50 

12 

6,000  0,002963 

2,10  0,006222 

0,10% 

36,00 

36,00 

6,00 

13 

6,499  0,003528 

2,10  0,007408 

0,11% 

42,25 

42,25 

6,50 

14 

6,999  0,003667 

2,10  0,007700 

0,11% 

48,99 

49,00 

7,00 

15 

7,499  0,003215 

2,10  0,006751 

0,09% 

56,24 

56,25 

7,50 

16 

7,999  0,002728 

2,10  0,005730 

0,07% 

63,99 

64,00 

8,00 

17 

8,500  0,002333 

2,10  0,004900 

0,06% 

72,25 

72,25 

8,50 

18 

9,000  0,002848 

2,10  0,005981 

0,07% 

81,00 

81,00 

9,00 

19 

9,500  0,003480 

2,10  0,007308 

0,08% 

90,25 

90,25 

9,50 

20 

10,00  0,003512 

2,10  0,007375 

0,07% 

100,0 

100,00 

10,00 

suma 

105,00    

 717,5 

717,5    

 
 

background image

 

 
 
 

4. 

Analiza błędów w przeprowadzonych kalibracjach. 
 

̅ =

1

 

̅ =

1
3

(0,2770 + 0,3270 + 0,2710) = 0,2917 [mm]  

 

=

1

( − 1)

(

− ̅)  

=

1

(3 − 1)

(0,2770 − 0,2917) = 0,03075 [

 

S

̅

=

 

 

S

̅

=

0,03075

√3

= 0,01775 [

 
 

=

+

 

 

∆ =

 

y = 1x - 0,0003

0

2

4

6

8

10

12

0

2

4

6

8

10

12

W

sk

az

an

ie

 c

zu

jn

ik

[m

m

]

Przemieszczenie [mm]

Charakterystyka czujnika zegarowego

background image

 

∆ = 10 ∗ 9625 − 275 = 20625 

 
 

=

(∑

)(∑

) − (∑

)(∑

)

 

 

=

9625 ∗ 15,557 − 275,00 ∗ 543,1

20625

= 0,01871 

 

 

 

=

− (∑

)(∑

)

 

=

10 ∗ 543,1 − 275 ∗ 15,557

20625

= 0,05589 

 

=

+

 

 

= 0,01871 + 0,05589 ∗

0,4990 = 0,50

 

 

 

5. 

Wnioski 

 

Uzyskawszy finalnie wykres funkcji liniowej stwierdzamy, iż materiał użyty do wykonania 

przyrządów jest odpowiedni.  

Otrzymane niepewności pomiarów są wartościami niewielkimi.  
Posiadając gotowe dane nie jesteśmy jednak w stanie jednoznacznie ocenić wpływu błędów 

pomiarowych na stan kalibracji przyrządu, jednakże uznając za wzorzec śrubę mikrometryczną 
przyjmujemy niepewność pomiarów jako 0,01 mm, co jest wartością bardzo małą.