Tensometria oporowa
Metoda wykorzystująca zmianę oporności elektrycznej materiału, z którego
wykonany jest czujnik tensometryczny, przy zmianie jego wymiarów
wywołanych działającymi siłami mechanicznymi.
Opór elektryczny (rezystancja) R:
Stosunek napięcia elektrycznego U, przyłożonego do przewodnika, do natężenia
powstałego w ten sposób prądu elektrycznego I:
U
R = [1 V/A = 1 &!]
I
Prawo Ohma dla przewodnika liniowego:
Natężenie prądu elektrycznego I płynącego w przewodniku jest wprost
proporcjonalne do przyłożonego napięcia U, tzn. wartość oporu R jest
wielkością niezależną od napięcia i od natężenia.
Przewodnictwo (przewodność, konduktancja)
I
- odwrotność oporu
1
G = [1/&! = 1 S]
R=tgą
R
ą
Wielkość oporu danego przewodnika zależy od
jego rozmiarów i własności elektrycznych
U
materiału, z którego jest zrobiony.
Opór właściwy (rezystywność) przewodnika o długości L i polu przekroju
poprzecznego S:
L
R = � �" � - opór właściwy ,jednostka [&!�m]
S
Opór właściwy jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału.
Przewodność elektryczna właściwa (konduktywność)
 odwrotność oporu właściwego:
1
� = jednostka [S/m]
�
1
Opór elektryczny
Oporność właściwa � przewodnika zależy od temperatury T [K], dla metali jest
to zależność liniowa:
�(T) = �293 K[1 + (T - 293K) �" ą�]
�(T) - oporność właściwa w dowolnej temperaturze
�293 K - oporność właściwa w temperaturze pokojowej 293 K H" 20 �C
ą� - współczynnik temperaturowy rezystywności, jednostka [1/K]
Wartości oporności i współczynników temperaturowych dla wybranych
materiałów:
Materiał Oporność właściwa Współczynnik temperaturowy
��10-8 [&!�m] ą�10-3 [1/K]
srebro 1.6 3.6
miedz
1.7 3.9
glin 2.7 4.0
cynk 5.9 3.8
nikiel 6.9 4.3
żelazo 9.8 4.5
Fe3O4 5.2�103
diament 2.7�108
Cu2O 1�5�109
CuO 6�1011
Nichrom (Ni20%Cr) 106 0.01
Manganin 43 0.01
(Cu12%Mn4%Ni)
Konstantan 50 0.005
(Cu40%Ni1.2%Mn)
2
Zasada działania tensometru oporowego
1. Tensometr oporowy - odpowiednio dobrany przewodnik elektryczny,
mechanicznie mocno związany z powierzchnią badanego elementu.
2. Zasada działania tensometru - pod wpływem obciążeń badany element
odkształca się waz z tensometrem, wskutek czego zmieniają się wymiary
tensometru, z czym związana jest zmiana jego rezystancji.
Przykład budowy czujnika tensometrycznego oporowego - typ wężykowy
1  szereg równoległych drucików, uformowanych w postaci wielokrotnego
wężyka, 2  przegięcia drucików, 3  klej mocujący drucik do podkładki nośnej,
4  podkładka nośna, 5  końcówki drucika oporowego, 6  druty (grubsze)
doprowadzające prąd elektryczny, 7  nakładka ochronna przyklejona do
drucika oporowego i podkładki nośnej, 8  klej mocujący tensometr do
badanego elementu, 9  badany element, l  baza tensometru
Podkładka nośna i klej pełnią także rolę dielektryka izolującego drucik oporowy
od badanego elementu.
3
Zasada działania tensometru oporowego
Schemat tensometru wykonanego z drutu o
długości L i polu przekroju poprzecznego S
(średnicy d) oraz oporności właściwej �,
module Younga E i liczbie Poissona �,
poddanego działaniu jednoosiowego
naprężenia �.
� �" L
Opór elektryczny drutu: R = (1)
S
� "L
Sprężyste wydłużenie względne drutu: � = = (2)
E L
"d
Sprężyste zmniejszenie względne średnicy drutu: �'= -� �" � = (3)
d
Przekształcenia wzoru (1):
ln R = ln� + lnL - lnS (logarytmowanie)
dR d� dL dS
= + - (różniczkowanie)
R � L S
"R "� "S
= + � - (przejście do przyrostów skończonych)
R � S
Ą �" d2 "S "d "L
S = �! = 2 �" = -2 �" � �" = - 2 �" � �" �
4 różniczkując S d L
Ostatecznie:
"R "�
= + (1 + 2 �" �) �" �
R �
4
Zasada działania tensometru oporowego
"R "�
= + (1 + 2 �" �) �" � - względna zmiana oporu drucika tensometru
R �
"�
Definicja: k a" + 1 + 2 �" �
� �" �
- współczynnik czułości odkształceniowej
tensometru lub
- stała czułości tensometru lub
- stała tensometru
"R
= k �" � - zasadnicze równanie tensometrii oporowej
R
"R
- sygnał elektryczny (wielkość przetwarzana w aparaturze
R
pomiarowej na odpowiednią wielkość elektryczną), sygnał ten
jest tym większy im większa jest wartość k.
d�
Związki między oraz � są różne dla różnych metali.
�
d� dV
Dla hydrostatycznego ściskania: = C �" V  objętość drutu
� V
d�
co daje dla drutów rozciąganych: = (1 - �) �" C �" �
�
czyli: k = 1 + 2���(1  C) + C
Parametr C zależy od materiału drutu i jego obróbki.
5
Zasada działania tensometru oporowego
"� d� dV
k = + 1 + 2 �" � k = 1 + 2���(1  C) + C = C �"
� �" � � V
1. W zakresie odkształceń plastycznych � = 0.5 dla wszystkich metali:
"�
nie zmienia się objętość = 0 k =2
�
2. Zakres sprężysty drutu oporowego, dla większości metali:
� = 0.24�0.42, które zależy od naprężenia i temperatury
k - zależy od naprężenia
Wyjątek konstantan: k H" 2 w zakresie sprężystym.
Zalety konstantanu do produkcji tensometrów oporowych:
- współczynnik czułości odkształceniowej tensometru k H" 2, dla dużego zakresu
odkształceń
- współczynnik temperaturowy rezystywności ą bliski zeru, tzn. oporność
w bardzo niewielkim stopniu zależy od temperatury.
6
Zasada działania tensometru oporowego
Efekt brzegowy tensometru rezystancyjnego:
Na wskutek istnienia kilku warstw tensometru (kleje, podkładka nośna,
nakładka ochronna, druciki oporowe), naprężenie normalne �1 w podłożu (czyli
w badanym elemencie) wywołuje powstanie naprężeń stycznych � w warstwach
pośredniczących między podłożem a siatką oporową, a w samej siatce
naprężenia normalne � o rozkładach nierównomiernych w pobliżu brzegów
płytki tensometru.
Naprężenie ścinające licząc od połowy (x
= L/2)
� = �m �" e-��"x
� - zależy od modułów sprężystości kleju
i materiału drutu, odległości między
siatką oporową a badanym elementem
oraz od promienia wygięcia drutu na
początku i końcu siatki.
Siła P rozciągająca druciki siatki
tensometru wynosi zero na początku i końcu płytki tensometru a maksimum w
środku drucików:
2Ąr
P = �m(1 - e�x) (od x = 0 do x =L/2)
�
Średnia wartość współczynnika czułości tensometru ks jest mniejsza od k:
�ł 2 2 �ł �ł 2 �ł
ks = �ł1 - + �" e-��"L / 2 �ł �" k H" �ł1 - �ł �" k
� �" l � �" l � �" l
�ł łł �ł łł
Na wartość współczynnika ks wpływają także rozmiary i kształt podkładki
nośnej tensometru.
7
Zasada działania tensometru oporowego
Wpływ temperatury
Pod wpływem zmiany temperatury od T do T0 zmianom ulegają:
- długości drucików siatki oporowej od L do Lt:
Lt = L �"[1 + ąt �" (T - T0)]
- długość odcinka na elemencie badanym odpowiadający bazie tensometru L
od L do Lp:
Lp = L �"[1 + ąp �" (T - T0 )]
ąt, ąp  współczynniki temperaturowe rozszerzalności cieplnej odpowiednio
materiału drutu oporowego i materiału badanego elementu
Obydwa wydłużenia wywołują względną zmianę rezystancji tensometru:
"Rp
= (ąp - ąt ) �" (T - T0�")k
R
Zmiana rezystancji siatki tensometru zależna tylko od zmiany temperatury:
Rr = R �"[1 + ą� �" (T - T0)] czyli
"Rr
= ą� �" (T - T0)
R
Zatem całkowita względna zmiana rezystancji siatki tensometru wynikająca ze
zmiany temperatury od T0 do T:
�ł �ł
"RT �ł ą�
�ł
= �" ąp - ąt �ł �" (T - T0) �" k
�ł
R k
�ł łł
Pozorne wydłużenie względne (błąd pozornego wydłużenia):
�ł ą�
�ł
�ł �ł
�p = + ąp - ąt �ł �" (T - T0)
�ł
k
�ł łł
Kompensacja wpływu temperatury:
�ł ą�
�ł
�ł �ł
+ ąp - ąt �ł = 0
�ł
k
�ł łł
Taki warunek dobrać można tylko dla jednego materiału tensometru i materiału
badanego elementu.
8
Zalety tensometrii oporowej
1. Duża czułość i dokładność pomiaru:
- zakres liniowy (k = const) zwykłe tensometry � do 50 = 0.005
czyli do � = 1000 MPa dla stali
- minimalne odkształcenia i naprężenia � H" 10-6 czyli � = 0.2 MPa dla stali
2. Pomiary są uniezależnione od bazy pomiarowej L (bazy tensometru), gdyż
odczyt dokonywany jest bezpośrednio w jednostkach � = "L/L
3. Możliwość pomiarów statycznych i dynamicznych o dużych
częstotliwościach przez długie okresy czasu
4. Małe wymiary i mała masa eliminują wpływ tych wielkości na dokładność
przeprowadzonych pomiarów  duże znaczenie w badaniach obiektów
obciążonych dynamicznie
5. Niewrażliwość na wstrząsy  ważne w badaniach dynamicznych
6. Bezpośrednie przekazywanie odkształceń na drut oporowy
7. Możliwość bardzo łatwego stosowania układów rozetowych  badania
dwuosiowego stanu naprężeń
8. Możliwość jednoczesnego przeprowadzania pomiaru w bardzo wielu
punktach
9. Możliwość pomiaru na niewielkich, bardzo zakrzywionych powierzchniach
10. Możliwość wykonywania z jednego miejsca pomiarów na odległych od
siebie przedmiotach
11. Możliwość dogodnego i bezpiecznego wykonywania pomiarów na trudno
dostępnych i zagrażających awarią obiektach maszynowych
12. Możliwość przeprowadzania pomiarów na elementach ruchomych
13. Duża łatwość automatyzacji pomiaru i łatwość rejestracji danych
14. Niskie koszty produkcji
9
Wady tensometrii oporowej
1. Wrażliwość na wilgoć i temperaturę
2. Niszczenie tensometru przy zdejmowaniu z badanego elementu 
konieczność cechowania kontrolnego na drodze porównawczej, na
wybranych tensometrach z danej partii produkcyjnej
3. Zjawisko histerezy (po odciążeniu odkształcenie tensometru nie wraca
dokładnie do wartości zerowej)  znika całkowicie po kilku cyklach
obciążenia
4. Stosunkowo długi okres przygotowawczy  przygotowywanie powierzchni
badanej, klejenie i suszenie, mocowanie przewodów elektrycznych,
zabezpieczanie przed wilgocią i przypadkowym uszkodzeniem.
Zjawisko histerezy
 polega na nieco odmiennym przebiegu
zależności "R/R vs. � przy obciążaniu i
odciążaniu tensometru, zazwyczaj znika po
kilku cyklach obciążenie-odciążenie
10
Wymagania stawiane materiałom używanym do wyrobu
tensometrów oporowych
Drut oporowy powinien odpowiadać następującym wymaganiom:
1. Stała wartość współczynnika czułości odkształceniowej tensometru
k=const w możliwie szerokim zakresie naprężeń
2. Możliwie duża wartość współczynnika czułości k (ma wpływ na czułość i
dokładność pomiarów)
3. Możliwie duża rezystancja właściwa  daje większe sygnały "R/R, pozwala
na budowę małych czujników
4. Najmniejsza możliwa histereza odkształceń
5. Najmniejszy możliwy współczynnik termicznej zależności rezystancji
6. Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej powinien być maksymalnie
zbliżony do współczynnika materiału badanego elementu  eliminacja
naprężeń termicznych
7. Niewielkie napięcie termoelektryczne względem miedzi, odgrywa dużą rolę
przy pomiarach statycznych z użyciem prądu stałego  napięcie
termoelektryczne pojawia się jeśli połączenia (styki) dwóch przewodników z
różnych materiałów znajdują się w różnych temperaturach
8. Dobra lutowność i spawalność  potrzebna do przymocowania drutów
zewnętrznych
Najwięcej wymagań spełnia konstantan, dlatego jest najpowszechniej
stosowanym materiałem na druty oporowe tensometrów.
Wady konstantanu: - stosunkowo duży współczynnik napięcia
termoelektrycznego względem miedzi ok. 43 �V/K
(ma to znaczenie tylko przy pomiarach stałoprądowych
i gdy lutowane połączenia konstantan-miedz

znajdują się w różnych temperaturach)
- stosunkowo niewielka wartość k H" 2 (istnieją stopy
metali o znacznie większej wartości k)
11
Wymagania stawiane materiałom używanym do wyrobu
tensometrów oporowych
Podkładka nośna  element pośredniczący w przenoszeniu naprężeń z
przedmiotu badanego na drut oporowy tensometru, jej własności współdecydują
o jakości tensometru:
Wymagania:
1. Brak pełzania  zachowywanie właściwości mechanicznych z czasem
2. Brak histerezy
3. Niewrażliwość na wilgoć
4. Niewrażliwość na temperaturę
5. Dobra przylepność do stosowanych klejów
6. Giętkość
7. Odpowiednia wytrzymałość mechaniczna
8. Duża zdolność izolacyjna (> 50 M&!, wobec standardowej oporności
tensometru rzędu 100 &!)
Podkładki nośne wykonywane są z tworzyw sztucznych (np. żywice fenolowe)
ograniczenie pomiarów temperaturowych do ok. 200�C.
Klej  wymagania:
1. Brak pełzania
2. Dobra przyczepność
3. Brak histerezy
4. Niewrażliwość na wilgoć
5. Niewrażliwość na temperaturę
6. Nieaktywny chemicznie
7. Duża zdolność izolacyjna
8. Krótki czas schnięcia (twardnienia, osiągnięcia właściwych parametrów)
Stosuje się kleje samoutwardzalne np. nitrocelulozowe (aceton) lub
polimeryzujące np. bakelitowo-fenolowe, typu cyjanopan itd.
12
Wymagania stawiane tensometrom oporowym
Wymagania dla tensometrów jako elementów pomiarowych:
1. Małe wymiary  zwłaszcza do badania małych przedmiotów i spiętrzenia
naprężeń
2. Jak największe maksymalne dopuszczalne odkształcenie  zakres pracy
dający wyniki powtarzalne, brak uszkodzeń mechanicznych tensometru
3. Duża wytrzymałość zmęczeniowa (liczba cykli pracy tensometru, dla której
jego wskazania uznaje się za dobre)
4. Możliwość stosowania stosunkowo dużych prądów pomiarowych aby
zwiększyć czułość  czyli duża przewodność cieplna aby odprowadzać
wydzielane ciepło.
5. Niewrażliwość na odkształcenia poprzeczne w stosunku do kierunku
odkształceń mierzonych
6. Jak najmniejsze pełzanie  różnica wskazań tensometru w różnym czasie na
elemencie poddanym stałemu obciążeniu
7. Dobra mechaniczna i termiczna osłona drutu oporowego
8. Widoczność siatki oporowej w celu ułatwienia właściwego umieszczenia
tensometru na powierzchni badanego przedmiotu.
9. Wysoka dopuszczalna górna częstotliwość graniczna
13
Rodzaje tensometrów rezystancyjnych
Wężykowe
1  siatka rezystancyjna (wężyk)
2  klej
3  podkładka nośna
4 - przewody doprowadzające
5  nakładka ochronna
Główne wady: - wrażliwość na odkształcenia boczne
- zależność czułości tensometru k od długości czynnej (całej)
drutu oporowego, zależność od stosunku części podłużnej do
części porzecznych drutu
Grubość drucików oporowych jest rzędu 0.025 mm = 25 �m
Kratowe
1  drut rezystancyjny
2  tasiemka miedziana
odpowiednio poprzecinana
3  podkładka nośna
4  nakładka ochronna
5  przewody doprowadzające
Budowa tensometru (tasiemki miedziane) w znacznym stopniu eliminuje wady
tensometru wężykowego.
Foliowe
1  siatka rezystancyjna w postaci
cienkiej folii metalicznej
(mniej niż 0.004 mm = 4 �m)
wprasowana w podkładkę
2  podkładka nośna
3  nakładka ochronna
4  zakończenia
5  klej
14
Rodzaje tensometrów rezystancyjnych
Zalety tensometrów foliowych w stosunku do drucikowych:
1. Możliwość wykonania siatki oporowej lub rozety tensometrycznej w
dowolnym kształcie, wielkości (z bazą poniżej 1 mm) i z dużą precyzją
- metodą fotochemiczną
2. Lepsze powiązanie z badanym podłożem (lepsze przyleganie)
3. Lepsze odprowadzanie wydzielanego ciepła (ze względu na lepsze
powiązanie z podłożem, relatywnie szerokie ścieżki przewodnika w
stosunku do grubości)  czyli większe prądy pomiarowe
4. Mniejsza skłonność do pełzania pod obciążeniem
5. Mniejsza histereza
6. Większa stałość punktu zerowego
Przykładowe tensometry foliowe lub ich rozety
Pojedyncze
wzdłużny z bocznymi poprzeczny jednostronny
wyprowadzeniami
l = 1.2 mm l = 3 mm l = 9 mm
a = 1.3, b = 4.5 mm a = 4, b = 13 mm a = 3.5, b = 12 mm
R = 120 &! R = 120 &! R = 120 &!
15
Przykładowe tensometry foliowe lub ich rozety
Rozety
dwugałęz
ny dwugałęz
ny
do pomiaru naprężeń stycznych do pomiaru naprężeń przy
kąt między gałęziami 45� skręcaniu kąt 90�
l = 5 mm l = 3.5 mm
opór każdej gałęzi 120 &!
typu delta typu delta
kąty między siatkami 120� l = 2.5 mm
a = 12 mm, l = 17 mm
opór każdej gałęzi 120 &!
Żywotność tensometrów 107 cykli obciążeń symetrycznych o amplitudzie �=10-3
Zakres odkształceń do �=4�10-3 (błąd nieliniowości < 0.1%)
16
Tensometria oporowa
Inne rozwiązania
Tensometr płytkowy
1  tensometr foliowy 2  płytka stalowa 3  ramka
4  powierzchnia elementu 5  końcówka przewodu 6  przepust
Zasada działania
1. Tensometr lub układ tensometrów (rozeta) przymocowany jest do płytki
metalowej a nie do badanego elementu.
2. Płytka łączy się z elementem przez ramkę dystansową. Stosuje się
zgrzewanie płytki do ramki i ramki do badanego elementu.
3. Ramka i płytka przenoszą odkształcenia na tensometr.
4. Zalety: bardzo mała wrażliwość na zakłócenia elektryczne z zewnątrz,
dobra izolacja termiczna
Tensometry półprzewodnikowe
1  pasek krzemowy (grubość 0.02�0.1 mm)
2  podkładka nośna
Główna zaleta tensometrów półprzewodnikowych:
- bardzo duża wartość współczynnika czułości odkształceniowej
k = 40�300 (zależy od domieszkowania)
Ponadto: - dobrze znoszą podwyższone temperatury, do 300�C
- jednakowo znoszą obciążenia statyczne i dynamiczne
Wady:
- współczynnik k silnie zależy od temperatury i wydłużenia względnego �
17
Wzorcowanie tensometrów rezystancyjnych
Zadaniem wzorcowania tensometrów jest wyznaczenie wartości współczynnika
czułości odkształceniowej (stałej tensometru) k:
"R
R
k =
�
Przyrząd do wzorcowania tensometrów oporowych
1  zginana belka
2, 3  dz
wignie
4  cięgna
5  pokrętło
6  cięgno gwintowane
7  tensometry
8  podpory
9  czujnik zegarowy
Urządzenie umożliwia
dokładne określenie
wielkości odkształcenia
Belka o przekroju prostokątnym b�h i module Younga E, na długości L ulega
ugięciu o promieniu stałym  w dowolnym przekroju poprzecznym moment
gnący M jest taki sam.
M �" L2
strzałka ugięcia: f =
8 �" E �" IZ
b �" h3
IZ = - moment bezwładności przekroju poprzecznego belki
12
W skrajnych warstwach belki (gdzie przylepione są tensometry) naprężenie jest:
M b �" h2
� = ą = ą� �" E WZ = - wskaz
nik przekroju przy zginaniu
WZ 6
Wydłużenie względne skrajnych warstw jest stałe wzdłuż odcinka L belki:
4 �" f �" h
� = ą odkształcenie tensometru wyznacza się tylko przez
L2
pomiar strzałki ugięcia
18
Wzorcowanie tensometrów rezystancyjnych
Przyrząd do wzorcowania tensometrów oporowych
- prostszy w użyciu, mniej dokładny
1  belka wspornikowa
2  pokrętło
3  czujnik zegarowy
4  naklejone tensometry
h  grubość belki
b  szerokość belki liniowo
zmienna
f  strzałka ugięcia
Z teorii ugięcia belek wynika, że dla tego przypadku wydłużenie względne
warstwy skrajnej jest stałe na całej długości belki i wynosi:
f �" h
� =
L2
Wyznaczenie � sprowadza się do zmierzeni strzałki ugięcia.
"R
Mierząc jednocześnie każdego tensometru wyznacza się wartości k.
R
Dodatkowe uwagi:
1. Czułość tensometru w kierunku poprzecznym wyznacza się przez
wyznaczenie wskazań 2 tensometrów naklejonych obok siebie, z których
jeden jest skierowany wzdłuż włókien belki, drugi zaś prostopadle.
2. Tensometr nie może być ponownie użyty po odklejeniu go z badanego
elementu (ulega zniszczeniu). Cechowanie tensometrów odbywa się w
sposób statystyczny na pewnej liczbie (próbie) tensometrów
wyprodukowanych w danej partii.
19
Tensometryczne układy pomiarowe
1. Zadanie układu pomiarowego: wyznaczenie zmian rezystancji tensometru,
wywołanych odkształceniami przedmiotu, do
którego został przymocowany
2. Zmiany rezystancji tensometru są bardzo małe najwyżej rzędu <" 1 0
- należy stosować przyrządy bardzo czułe lub wzmacniać sygnały
3. Ogólny schemat blokowy tensometrycznego układu pomiarowego:
M  mostek tensometryczny
P  przyrząd pomiarowy
W  wzmacniacz
Z  zasilacz
R - rejestrator
4. Pomiary odkształceń tensometrów oporowych dają się łatwo zautomatyzować:
20
Tensometryczne układy pomiarowe
Mostek Wheatstone a
podstawowy układ pomiarowy niewielkich zmian oporności
I  tensometr czynny o oporze R1
II  tensometr kompensacyjny
o oporze R2
III, IV  dwa elementy o
rezystancjach R3 i R4
Z  z
ródło zasilania
P  przyrząd pomiarowy
o nieskończonym oporze
(np. galwanometr)
U - napięcie z
ródła zasilania
"U  napięcie wyznaczone przez P
�ł �ł
R1 R3 R1 �" R4 - R2 �" R3
�ł �ł
"U = U �" - = U �"
�ł
R1 + R2 R3 + R4 �ł (R1 + R2) �" (R3 + R4)
�ł łł
Metoda zerowa pomiaru odkształceń:
Mostek jest w stanie równowagi, gdy:
"U = 0 "! R1�R4 = R2�R3
Po obciążeniu tensometru czynnego I jego oporność zmienia się na R1 .
Aby zachować warunek równowagi należy zmienić oporność jednego z
pozostałych oporników, np. opornika III do wartości R3 , tak, aby:
R
2
'
"R1 = �" (R' - R )
R1 �" R4 = R2 �" R'
3 3
3
R
4
"R1 R2
� = = �" (R' - R3)
3
R1 �" k R1 �" R4 �" k
Regulację oporności R3 wykonuje się przy użyciu wysokoomowego bocznika.
21
Mostek Wheatstone a
podstawowy układ pomiarowy niewielkich zmian oporności
Regulacja oporności w gałęzi III
(ułamek ohma):
wprowadzenie bocznika (równoległej do R3
rezystancji o bardzo dużej oporności R3 ):
stosunkowo duże zmiany oporności R3
wywołują małe zmiany RIII.
1 1 1
= +
RIII R3 R'
3
Uwaga:
Zasilając układ mostka Wheatstone a prądem zmiennym, równoważenie układu
może być dokonywane także członami pojemnościowymi lub indukcyjnymi.
Przypadek niezrównoważonego mostka Weatstone a
Metoda wychyłowa:
Przez przyrząd pomiarowy (galwanometr) płynie prąd ip:
R1 �" R4 - R2 �" R3
ip = U �"
Rp �" (R1 + R2) �" (R3 + R4) + R1 �" R2 �" (R3 + R4) + R3 �" R4 �" (R1 + R2)
Jeśli wszystkie wartości oporności są tego samego rzędu (Rp - oporność
przyrządu pomiarowego), to dla typowych wielkości odkształceń tensometru
zachodzi praktycznie liniowa zależność pomiędzy:
"R1
ip <" "R1 <" <" �
R1
Mierząc wartość prądu płynącego przez galwanometr wyznacza się wartość
względnego odkształcenia tensometru.
22
Mostek Wheatstone a  układ do pomiarów małych zmian oporności
R1 �" R4 - R2 �" R3
"U = U �"
(R1 + R2) �" (R3 + R4)
Wszystkie cztery gałęzie mostka Wheatstone a mogą zawierać taki sam
tensometr
1) 2)
"U 1 "R "U
H" �" = 0
U 4 R U
3) 4)
"U "R "U 1 "R
H" H" �"
U R U 2 R
5) 6)
"U 1 "R "U
H" �" = 0
U 2 R U
Układ 3 wzmacnia 4-krotnie, a układy 4 i 5 wzmacniają 2-krotnie sygnał
wyjściowy na mostku w stosunku do sygnału od tensometru pojedynczego (1).
Układy mostkowe niereagujące na zmiany oporności tensometru: 2 i 6:
są wykorzystywane do kompensacji niepożądanych wpływów innych
parametrów (temperatur, różnic temperatur, przypadkowych obciążeń)
23
Mostek Wheatstone a
Przykład wykorzystania układów takich samych tensometrów niereagujących
na zmiany oporności poszczególnych składników.
1. Układ mostka reagujący na zginanie od siły P z pełną kompensacją wpływu
siły rozciągającej (ściskającej) S i przyrostu temperatury "T
"U 1 "R
H" �" - sygnał zależy tylko od zmiany oporności tensometru
U 2 R
wywołanej zginaniem siłą P
2. Układ mostka reagujący na zginanie momentem Mg z pełną kompensacją
skręcania momentem MS, rozciągania siłą S i zmiany temperatury "T
"U "R
H" - sygnał zależy tylko od zmiany oporności tensometru
U R
wywołanej zginaniem momentem Mg
24
Czułość wskazań układu mostka Wheatstone a
Mostek niezrównoważony: ip `" 0
dip
Czułość prądowa: wi =
dR1
dU0
Czułość napięciowa: wu =
dR1
Dokładność i czułość mostka Wheatstone a w stanie niezrównoważonym,
metoda wychyłowa, zależy od:
- napięcia z
ródła zasilającego U
- rezystancji galwanometru Rp
- rezystancji wszystkich gałęzi mostka
Wpływ rezystancji galwanometru Rp:
- Rp " czułość napięciowa jest najlepsza
- Rp 0 czułość prądowa jest najlepsza
Analiza zależności związanych z wartością sygnału pomiarowego
odpowiadającego odkształceniu względnemu �:
U �" R1 U �" R4
U0 = i2 �" R1 - i1 �" R4 = - różniczkując otrzymujemy
R1 + R2 R3 + R4
dU0 R2 R2
= U �" "U0 = U �" �" "R1 (małe "R1)
dR1
(R1 + R2)2 (R1 + R2)2
R2 �" R1
"R1 = R1 �" � �" k "U0 = U �" �" � �" k
(R1 + R2)2
Dla wartości rezystancji R1 = R2:
R2
U
1
"U0 = U �" �" � �" k = �" � �" k
2
4
4 �" R1
Sygnał na wyjściu mostka jest niezależny od rezystancji i pokazuje bezpośrednio
wartość odkształcenia �.
25