De keuze voor de juiste geometrie van een rekstrookje hangt af van de rekrichtingen die moeten worden gemeten en of deze richtingen al bekend zijn. In dit artikel bespreken we de belangrijkste configuraties van rekstrookjes: van lineaire rekstrookjes en T rozetten tot drie elements rozetten en speciale geometrieën voor torsie, rekverdelingen en volledige brugschakelingen.
Welke geometrie van een rekstrookje is geschikt voor welke meettoepassing?
Rekstrookjes meten rek in de richting van hun meetrooster. De keuze voor de juiste geometrie hangt daarom vooral af van het aantal rekrichtingen dat moet worden gemeten en of de hoofdrekrichtingen op het meetpunt al bekend zijn.
Bij een bekende uniaxiale rekrichting is een lineair rekstrookje meestal voldoende. Wanneer de rek in twee loodrecht op elkaar staande richtingen moet worden gemeten, is een T rozet geschikt. Als zowel de grootte als de richting van de hoofdrekken onbekend zijn, worden drie elements rozetten gebruikt. Daarnaast zijn er speciale geometrieën beschikbaar voor het meten van torsie, buiging en rekgradiënten en voor het realiseren van volledige brugschakelingen.
De keuze voor de juiste configuratie hangt af van de meettoepassing, geometrie van het onderdeel, het materiaal, de omgevingsomstandigheden en de te meten grootheid. Daarbij is het ook belangrijk om te bepalen of u lokale rek, rekverdelingen of op basis van de meetwaarden berekende mechanische spanningen wilt bepalen.
Bij metingen onder wisselende temperaturen moet bovendien worden gecontroleerd of het rekstrookje is afgestemd op de thermische uitzetting van het materiaal waarop het wordt aangebracht. In het artikel Temperatuurcompensatie voor rekstrookjes leest u hoe u zelftemperatuurgecompenseer
De juiste geometrie voor een rekstrook selecteren
Voordat u een rekstrookje selecteert, moet worden bepaald welke rektoestand op het meetpunt wordt verwacht. Hiervoor kunt u gebruikmaken van analytische berekeningen, FEM simulaties, empirische gegevens of voorafgaande tests. De uiteindelijke meting wordt vaak gebruikt om deze aannames te verifiëren en waar nodig bij te stellen.
De belangrijkste vraag is of de hoofdrekrichting bekend is. Als deze bekend is, kan een lineair rekstrookje of een T rozet voldoende zijn. Wanneer de richting onbekend is of sprake is van een complexe vlakke rektoestand, is een drie elements rozet nodig.
Naast de geometrie spelen ook andere selectiecriteria een rol. Denk hierbij aan de beschikbare meetruimte, de lengte van het meetrooster, de nominale weerstand, het temperatuurbereik, het materiaal van het onderdeel en het type belasting. Bij dynamische metingen zijn daarnaast de vermoeiingsbestendigheid, de aansluitmethode en de kwaliteit van de installatie van het rekstrookje van belang.
Lineaire rekstroken
Een lineair rekstrookje heeft één meetrooster en meet de rek in de lengterichting van dit rooster. Dit type rekstrook is geschikt voor metingen waarbij de hoofdrekrichting bekend is en er hoofdzakelijk sprake is van een uniaxiale rektoestand.
Typische toepassingen zijn trekproeven, drukproeven en lokale rekmetingen aan onderdelen waarbij de richting van de belasting bekend is. Een lineair rekstrookje kan ook worden gebruikt bij aanpassingen aan onderdelen of voor vergelijkende metingen wanneer de kritische meetpunten en belastingsrichtingen al bekend zijn.
Om de maximale rek correct te meten, moet het rekstrookje zo nauwkeurig mogelijk in de rekrichting worden uitgelijnd. Wanneer de as van het meetrooster afwijkt van de werkelijke hoofdrekrichting, ontstaat een meetfout. Een lineair rekstrookje is daarom niet geschikt wanneer de rekrichting onbekend is of sterk varieert.
De lengte van het meetrooster moet worden afgestemd op de meettoepassing. Korte meetroosters zijn geschikt voor kleine meetpunten en het meten van lokale rekgradiënten. Langere meetroosters meten de gemiddelde rek over een groter oppervlak en zijn bijvoorbeeld geschikt voor beton, composietmaterialen en andere inhomogene materialen.
T rozet
Een T rozet bestaat uit twee meetroosters die loodrecht op elkaar zijn geplaatst, meestal in een hoek van 0° en 90°. Deze configuratie wordt gebruikt wanneer twee relevante rekrichtingen bekend zijn of wanneer de langsrek en dwarsrek gelijktijdig moeten worden gemeten.
Een typische toepassing is een trekproef. Eén meetrooster meet de rek in de belastingsrichting, terwijl het tweede meetrooster de dwarsrek meet. Onder de juiste omstandigheden kunnen hiermee ook de dwarscontractie en de Poissonverhouding worden bepaald.
T rozetten zijn ook geschikt voor biaxiale rektoestanden wanneer de hoofdrekrichtingen al bekend zijn. Voorwaarde is dat de rozet correct ten opzichte van deze richtingen wordt uitgelijnd. Wanneer de hoofdrekrichtingen onbekend zijn, is een T rozet niet voldoende. In dat geval is een drie elements rozet nodig.
Rekstrookjes voor afschuiving en torsie
Voor het meten van torsie en afschuiving worden rekstrookjes gebruikt waarbij de meetroosters doorgaans onder een hoek van +45° en −45° ten opzichte van de referentieas zijn geplaatst. Bij een as die aan torsie wordt blootgesteld, treden de maximale rekken in deze richtingen op. Door de rekstrookjes op de juiste manier te plaatsen en elektrisch te schakelen, kan torsie gericht worden gemeten, terwijl de invloed van andere belastingen, zoals buiging of trek, gedeeltelijk kan worden gecompenseerd.
Rekstrookjes voor afschuiving en torsie worden onder andere toegepast voor koppelmetingen aan assen, in testopstellingen en in klantspecifieke koppelsensoren.
Drie elements rozetten
Wanneer de hoofdrekrichtingen op het meetpunt onbekend zijn, wordt de rek in drie verschillende richtingen gemeten. Aan de hand van deze drie meetwaarden kunnen de maximale en minimale hoofdrek en de bijbehorende richtingen worden berekend.
Een drie elements rozet meet geen willekeurige driedimensionale spanningstoestand. Deze configuratie wordt doorgaans gebruikt om een vlakke rektoestand aan het oppervlak van een onderdeel te analyseren.
Elk meetrooster meet de normale rek in de richting van zijn eigen as. Vervolgens worden de drie meetwaarden met behulp van rektransformatievergelijkingen of specifieke rozetvergelijkingen verwerkt. De meetroosters compenseren elkaar hierbij niet. Samen leveren ze de meetgegevens die nodig zijn om de hoofdrekken en hun richtingen te berekenen.
Rechthoekige rozet
Een rechthoekige rozet bestaat uit drie meetroosters die onder hoeken van 0°, 45° en 90° ten opzichte van elkaar zijn geplaatst. Dit is een van de meest gebruikte rozetconfiguraties voor experimentele spanningsanalyse.
Uit de drie gemeten rekrichtingen kunnen de hoofdrekken, de hoofdrekrichtingen en de maximale schuifrek worden bepaald. Wanneer de materiaaleigenschappen bekend zijn en een geschikt materiaalmodel wordt toegepast, kunnen op basis van deze meetwaarden ook de hoofdspanningen worden berekend.
Een rechthoekige rozet is vooral geschikt wanneer de rekrichtingen op het meetpunt vooraf niet of onvoldoende bekend zijn.
Delta rozet
Een delta rozet bestaat uit drie meetroosters die onder hoeken van 0°, 60° en 120° zijn geplaatst. In principe heeft deze configuratie hetzelfde doel als een rechthoekige rozet: het bepalen van onbekende hoofdrekken en de bijbehorende richtingen.
Welke van beide rozetconfiguraties het meest geschikt is, hangt onder andere af van de beschikbare meetruimte, de plaatsing en aansluiting van de bedrading, de rekgradiënt en de eisen aan de verwerking van de meetgegevens.
Vlakke en gestapelde rozetten
Rozetten zijn verkrijgbaar in een vlakke of gestapelde uitvoering. Bij een vlakke rozet liggen de meetroosters naast elkaar in hetzelfde vlak. Deze uitvoering is relatief dun en biedt doorgaans een gunstige warmteafvoer. Een nadeel is dat de afzonderlijke meetroosters de rek niet op exact hetzelfde geometrische punt meten.
Bij een gestapelde rozet liggen de meetroosters boven op elkaar. Hierdoor wordt de rek in alle richtingen vrijwel op hetzelfde punt gemeten. Dit is vooral een voordeel wanneer er sprake is van sterke lokale rekgradiënten. De constructie is echter dikker en kan gevoeliger zijn voor zelfopwarming.
De keuze tussen beide uitvoeringen hangt daarom onder andere af van de beschikbare meetruimte, de verwachte rekgradiënt en de thermische omstandigheden tijdens de meting.
Dubbele lineaire rekstrookjes
Dubbele lineaire rekstrookjes hebben twee parallelle meetroosters op één gezamenlijke drager. Ze worden gebruikt wanneer de rek op twee dicht bij elkaar gelegen meetpunten moet worden vergeleken of lokale rekverschillen moeten worden gemeten.
Typische toepassingen zijn het onderzoeken van buiging, het meten van rekgradiënten en het vergelijken van twee meetpunten wanneer er slechts beperkte ruimte beschikbaar is voor de installatie.
Rekstrookreeksen
Rekstrookreeksen bestaan uit meerdere meetroosters die op vaste afstanden van elkaar op één gezamenlijke drager zijn geplaatst. Hiermee kan de rekverdeling langs een lijn worden gemeten.
Deze configuraties zijn vooral geschikt voor gebieden met sterke lokale veranderingen in de rek, bijvoorbeeld bij inkepingen, scheuren, lasnaden of geometrische overgangen. Rekstrookreeksen zijn daarnaast geschikt voor het onderzoeken van spanningsconcentraties.
Full bridge rekstrookjes
Full-bridge rekstroken bevatten vier meetroosters die zo zijn gerangschikt dat ze samen een complete Wheatstonebrug vormen. Afhankelijk van de geometrie kunnen deze rekstrookjes worden uitgevoerd voor het meten van buiging, trek, druk of torsie.
Deze worden veel toegepast bij de productie van sensoren en meetopnemers, bijvoorbeeld voor kracht, gewicht en koppel. Door de vier meetroosters zorgvuldig op elkaar af te stemmen, kan een hoge gevoeligheid worden bereikt en kunnen ongewenste invloeden effectief worden gecompenseerd.
Relatie tussen rek en mechanische spanning
Een rekstrook meet in eerste instantie rek. De mechanische spanning wordt vervolgens berekend op basis van de gemeten rek en de materiaaleigenschappen. Bij een biaxiale spanningstoestand moet daarnaast rekening worden gehouden met onder andere het Poissongetal , de hoofdrekken en het veronderstelde materiaalgedrag.
Een rozet meet de hoofdspanningen dus niet rechtstreeks. Deze worden berekend aan de hand van de gemeten rekwaarden en de relevante materiaaleigenschappen.
Voor een uniaxiale elastische spanningstoestand geldt bij benadering de formule die hiernaast is weergegeven.
Samenvatting rekstrookconfiguraties
- Bekende uniaxiale rekrichting → lineair rekstrookje
- Langsrek en dwarsrek → T rozet
- Bekende biaxiale hoofdrekrichtingen → T rozet
- Onbekende hoofdrekrichting → rechthoekige rozet of delta rozet
- Torsie of afschuiving → rekstrookje voor torsie of afschuiving
- Rekverschillen tussen twee dicht bij elkaar gelegen meetpunten → dubbel lineair rekstrookje
- Rekverdeling langs een lijn → rekstrookreeks
- Kracht, buiging of koppel meten met een meetopnemer → rekstrook voor een volledige brugschakeling
Aanvullende selectiecriteria
De geometrie alleen bepaalt niet of een rekstrookje geschikt is voor een bepaalde meettoepassing. Ook de lengte van het meetrooster, de nominale weerstand, zelftemperatuurcompensatie, de legering van het meetrooster en het dragermateriaal spelen een belangrijke rol.
Een lage nominale weerstand, zoals 120 Ω, wordt veel toegepast, maar is gevoeliger voor de invloed van kabelweerstand en zelfopwarming. Hogere weerstandswaarden, zoals 350 Ω of 1.000 Ω, kunnen voordelen bieden bij lange aansluitkabels, beperkte warmteafvoer of temperatuurgevoelige materialen. Voorwaarde is dat de gebruikte meetversterker geschikt is voor de betreffende weerstandswaarde.
Ook de omgevingsomstandigheden moeten worden meegenomen bij de selectie. Vocht, water, hoge of lage temperaturen, agressieve media en langdurige belasting zijn van invloed op de keuze van het rekstrookje, de lijm, de aansluitdraden en de beschermende coating.
Veelvoorkomende selectiefouten
Veelvoorkomende fouten ontstaan wanneer een lineair rekstrookje wordt gebruikt terwijl de hoofdrekrichting onbekend is, of wanneer een rozet niet correct wordt uitgelijnd. Ook een ongeschikte lengte van het meetrooster kan het meetresultaat beïnvloeden. Is het meetrooster te lang, dan worden lokale piekwaarden uitgemiddeld. Is het te kort, dan kunnen lokale inhomogeniteiten juist te sterk naar voren komen.
Bij sterke rekgradiënten moet bovendien worden beoordeeld of een vlakke rozet voldoende nauwkeurigheid biedt of dat een gestapelde rozet geschikter is. Wanneer op basis van rozetmetingen mechanische spanningen worden berekend, moeten de gebruikte materiaaleigenschappen en aannames in het materiaalmodel aansluiten bij de betreffende toepassing.
De juiste geometrie van een rekstrookje hangt af van welke rekrichtingen moeten worden gemeten en in hoeverre de rektoestand op het meetpunt bekend is. Een lineair rekstrookje is geschikt voor een bekende uniaxiale rekrichting. T rozetten meten de rek in twee loodrecht op elkaar staande richtingen, terwijl rechthoekige rozetten en delta rozetten worden gebruikt om onbekende hoofdrekken en hun richtingen te bepalen. Rekstrookjes voor afschuiving en torsie, rekstrookreeksen, dubbele lineaire rekstrookjes en rekstrookjes voor volledige brugschakelingen bieden aanvullende mogelijkheden voor specifieke meettoepassingen.
Een betrouwbare selectie gaat echter verder dan alleen de geometrie. Ook de lengte van het meetrooster, het materiaal, het temperatuurbereik, de nominale weerstand, het type belasting, de beschikbare meetruimte en de vereiste methode voor het verwerken van de meetgegevens spelen een belangrijke rol.
Heeft u vragen
Wij helpen u graag de juiste rekstrook te vinden voor uw toepassing.