تعریف استرین گیج و انواع آن

استرین گیج:
استرین گیج در سال 1938 توسط دو دانشمند به نام های «ادوارد سایمون» (Edward E Simmons) و «آرتور راگ» (Arthur C Ruge) اختراع شد.

یک استرین گیج معمولا «کشش» (Strain) را با استفاده از «فشار» (Stress) اندازه می گیرد.

استرین گیج به صورت مستقیم برای اندازه گیری بار و به صورت غیر مستقیم برای اندازه گیری جابه جایی مورد استفاده قرار می گیرد.

این وسیله اندازه گیری به عنوان ترانسدیوسر ثانویه در بسیاری از آشکارسازها و ترانسدیوسرهایی مانند «لود سل ها» (Load Cells)، «گشتاور سنج ها» (Torque Meters)، «سنسورهای دما» (Temperature Sensors) و شتاب سنج ها به کار گرفته می شود.

انواع استرین گیج:
استرین گیج ها انواع مختلفی دارند و عموما آن ها را به گروه های زیر طبقه بندی می کنند.

استرین گیج فلزی نامحدود:
«استرین گیج فلزی نامحدود» (Unbounded Metal Strain Gauge) یک نوع استرین گیج است که در آن یک قطعه سیم در یک واسط عایق بندی شده بین دو نقطه مورد کشش واقع می شود.

واسط عایق بندی شده می تواند هوا باشد. همچنین جنس سیم می تواند از آلیاژهایی مانند نیکل مس، نیکل کروم و نیکل آهن و با قطر حدود 0٫003 میلی متر باشد.

پارامتر گیج برای این گروه از استرین گیج ها در حدود 2 تا 4 است و می تواند نیرویی برابر با 2 میلی نیوتون را تحمل کند.

این نوع از استرین گیج ها به صورت انحصاری در کاربردهای ترانسدیوسر مورد استفاده قرار می گیرند که در آن ها سیم های با مقاومت پیش بارگذاری شده در یک پیکربندی پل وتسون متصل شده اند.

استرین گیج سیمی محدود:
در ساختار ترانسدیوسرها، از یک «استرین گیج سیمی محدود» (Bonded Wire Strain Gauge) برای آنالیز تنش استفاده می شود.

یک استرین گیج سیمی مقاومتی، از یک سیم با قطر 0٫25 میلی متر یا کمتر تشکیل شده است.

«شبکه سیمی مقاومتی» (Grid of Resistance Wire) به یک حامل محکم متصل شده است که می تواند یک صفحه نازک کاغذ و یا یک صفحه تفلون باشد. در تصویر زیر نمایی از یک استرین گیج سیمی محدود نشان داده شده است.

برای جلوگیری از آسیب دیدن مکانیکی سیم ها، روی آن ها با یک صفحه نازک فلزی پوشانده شده است.

گسترده شدن سیم ها در یک صفحه باعث می شود که توزیع یکنواختی از تنش در سرتاسر شبکه به دست آید.

حامل به وسیله یک ماده چسبناک به صورت محکمی به جسم مورد اندازه گیری می چسبد. به همین دلیل تبادل کشش بسیار خوبی از حامل به صفحه سیمی انجام می گیرد.

یک استرین گیج سیمی مقاومتی برای اینکه دارای عملکرد مطلوب باشد، باید مشخصه های زیر را در خود داشته باشد:

استرین گیج باید پارامتر گیج با مقادیر بزرگی داشته باشد؛ زیرا پارامتر گیج بزرگ نشان دهنده تغییرات بزرگ در مقاومت است که منجر به حساسیت بالا می شود.

مقاومت گیج باید بالا باشد تا از اثر تغییرات نامطلوب مقاومت در مدار اندازه گیری کاسته شود. معمولا مقدار مقاومت استرین گیج 120، 350 یا 1000 اهم است. البته مقدار مقاومت بزرگ منجر به حساسیت کمتر می شود. بنابراین برای داشتن حساسیت بالا، باید از ولتاژ پل بزرگ تری استفاده شود.

یک استرین گیج باید دارای ضریب حرارتی مقاومت پایینی باشد.

استرین گیج باید منحنی مشخصه خطی داشته باشد تا در تمام طول بازه خود از ثبات کالیبراسیون برخوردار باشد.

استرین گیج باید دارای پاسخ فرکانسی خوبی باشد و خطی بودن باید در تمام محدوده دقت حفظ شود.

استرین گیج فویل فلزی محدود:
این گروه از استرین گیج ها یک نوع توسعه یافته از استرین گیج های سیمی محدود قبلی به شمار می آیند. استرین گیج فویل فلزی محدود از مواد مشابه با استرین گیج های سیمی محدود استفاده می کند.

کاربرد اصلی این نوع از استرین گیج ها در آنالیز تنش و نیز بسیاری از انواع ترانسدیوسرها است. در تصویر زیر نمایی از یک استرین گیج فویل فلزی محدود نشان داده شده است.

استرین گیج های نوع فویلی بازه دما عملکرد بالاتری دارند. دلیل این ویژگی این است که در مقایسه با استرین گیج نوع سیمی محدود از توانایی اتلاف حرارتی بالاتری برخوردار هستند؛ زیرا به ازای حجم برابر، دارای ناحیه سطح بزرگ تری هستند. داشتن ناحیه سطح بزرگ تر منجر به پیوند بهتر می شود.

استرین گیج نیمه هادی:
عملکرد یک استرین گیج نیمه هادی به اثر پیزو رزیستیو بستگی دارد. به عبارت دیگر، تغییر در مقاومت ویژه باعث تغییر در مقاومت کلی می شود. این نوع از استرین گیج ٰها اساسا در شرایطی مورد استفاده قرار می گیرند که پارامتر گیج بزرگ و پوش های کوچک مورد نیاز باشند.

مقاومت نیمه هادی متناسب با کشش اعمال شده به استرین گیج تغییر می کند. در تصویر زیر نمایی از استرین گیج نوع نیمه هادی و اجزای مختلف آن نشان داده شده است.

همان طور که از نام این استرین گیج ها نیز مشخص است، در ساختار آن ها از مواد نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم استفاده شده است.

استرین گیج های معمولی دارای یک ماده کریستالی در ساختار خود هستند که حساس به کشش است و در طول پایه ها به صورت محافظتی قرار گرفته است.

استرین گیج های نیمه هادی دارای مزایای زیر هستند:

• این نوع از استرین گیج ها دارای پارامتر گیج بالاتری در حدود±130هستند.
• استرین گیج نوع نیمه هادی از مشخصه هیسترزیس مربوط به نیمه هادی ها برخوردار است.
• استرین گیج های نوع نیمه هادی طول های بسیاری کوچکی در بازه 0٫7 تا 7 میلی متر دارند.
• این نوع از استرین گیج ها در اندازه گیری کشش محلی بسیار مفید هستند.
• استرین گیج های نیمه هادی معایبی نیز دارند که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• یکی از مهم ترین معایب این نوع از استرین گیج ها این است که نسبت به تغییرات دمایی بسیار حساس هستند.
• خطی بودن پاسخ در استرین گیج نیمه هادی بسیار کم و ضعیف است.

استرین گیج پخش شده (Diffused):
این گروه از استرین گیج ها معمولا در ترانسدیوسرها مورد استفاده قرار می گیرند و در آن ها فرایند دیفیوژن اعمال شده است که در تکنولوژی ساخت IC مورد استفاده قرار گرفته است.

در ترانسدیوسرهای فشار، از این نوع استرین گیج ها به عنوان المان اندازه گیری استفاده می شود.