Tenzometry patří do skupiny odporových snímačů. Používají se ve formě pásků nebo drátů k měření deformací nosných konstrukcí při statickém nebo dynamickém namáhání. Při průhybu nosných dílů se některé jejich části prodlužují a jiné zkracují a stejným způsobem se mění i délka měřicích pásků nebo drátů (tenzometrů) spojených s těmito nosnými díly. Jejich délkové změny ovlivňující napětí neboli tenzi materiálu jsou velmi malé (desetiny až desítky mikrometrů). Při natahování tenzometru narůstá jeho odpor, protože se zvětšuje jeho délka a zmenšuje se jeho průřez. Délku natahovaného tenzometru je možno zvětšit jeho klikatým meandrovým uspořádáním, při kterém se celkové prodloužení násobí počtem rovnoběžných drah vedoucích ve směru měřeného prodloužení. V příčném směru je naopak změna délky velmi malá. Tenzometry jsou k měřenému povrchu připevněny velmi tenkou vrstvou tmelu, který musí zároveň vytvářet dostatečný izolační odpor. Vlastnosti používaných tmelů mohou mít výrazný vliv na přesnost měření. Tenzometry se dělí do dvou skupin na kovové a polovodičové
Kovové tenzometry jsou většinou vyráběny z konstantanu (60% Cu a 40% Ni) nebo z chromniklové slitiny (80% Cr a 20%Ni). Základním parametrem tenzometru je koeficient k vyjadřující poměr mezi relativní změnou odporu a relativní změnou délky.
Funkce tenzometru je charakterizována vztahem:
DR/R0 =k.e
kde DR je změna elektrického odporu
R0 je jmenovitý odpor tenzometru
K je charakteristický koeficient snímače
e je relativní prodlouženíe=Dl/l, kde
Dl je změna délky snímače
l délka snímače
U kovových tenzometrů je hodnota koeficientu k přibližně 2. Elektrický odpor kovových tenzometrů bývá 120 až 600 W. Přesnost měření pozitivně ovlivňuje nízký teplotní součinitel elektrického odporu konstantanu.
Pro názornost lze uvést příklad jak se změní odpor 600 W tenzometru při poměrném prodloužení 1mm/m?
Řešení je: DR = R0 . k . e = 600 . 2 . 10-6 = 1,2 mW
Kovové tenzometry se uplatňují hlavně v aplikacích, kde je požadována velká přesnost. Jedná se zejména o měření povrchových deformací kriticky namáhaných součástí, dále měření zatížení, síly, tlaku a krouticího momentu. Např. v rozsahu teplot –10°C až 40°C je u nejlepších snímačů zatížení s kovovými tenzometry celková chyba vztažená ke jmenovité hodnotě zatížení menší než 10-2 %. Současné elektronické zesilovače neovlivňují přesnost měřených signálů, která je v řádu 10-5 V.
Polovodičové tenzometry jsou vytvořené difůzí nečistot do tenké vrstvy (15mm) čistého křemíku.
Deformací takto vytvořených rezistorů se mění výrazně pohyblivost nosičů nábojů a tím i vodivost. Tento jev se nazývá piezo-odporový efekt. Polovodičové tenzometry jsou malé a citlivé, ale silně teplotně závislé.
Polovodičové tenzometry jsou vyráběny nejprve mechanickým oddělováním (řezáním) z patřičně dotovaného monokrystalu křemíku, dále mechanickým opracováním směřujícím k žádanému tvaru a rozměrům a nakonec chemickým opracováním. Aktivní délka polovodičových pásků mezi zlatými vývody je 2 až 10 mm, šířka 0,2 až 0,4 mm a tloušťka 0,01 až 0,03 mm. Ohmický odpor je nejčastěji 120W nebo 350W. Nároky na tmel spojující polovodičové tenzometry s měřeným objektem jsou vyšší než u kovových tenzometrů.
Funkční vztah pro polovodičový tenzometr má tvar:
DR/R0 =C1.e + C2.e2
kde C1 a C2 jsou konstanty tenzometru
Orientační hodnoty jsou pro C1 130 a pro C2 5000.
Předností polovodičových tenzometrů je vysoká citlivost – až 60x větší než u kovových tenzometrů, která umožňuje konstruovat snímače velmi malých rozměrů s vysokou tuhostí jejich měrných členů. Tím lze dosáhnout i širokého frekvenčního rozsahu měření od statických hodnot až do několika kilohertzů. Sloučená chyba kolem 0,5% je pro praxi většinou vyhovující.
Výroba tenzometrických snímačů je technologicky velmi náročná. Důležitý je zejména výběr vhodného materiálu pro měrný člen, jeho tvar a následné mechanické a tepelné zpracování.
Požadavky minimální hystereze a dopružování jsou při zkoumání materiálů pro měrný člen získány většinou empiricky bez fyzikálního zdůvodnění.
Tenzometry se většinou zapojují do můstku. V praxi se nejčastěji používá poloviční můstkové zapojení nebo úplné můstkové zapojení. Použití pouze jednoho tenzometru – čtvrtinový můstek není vhodné z důvodu nezbytné teplotní kompenzace. Poloviční můstek používá dva tenzometry nalepené na měrném členu tak, aby se při jeho deformaci signály obou tenzometrů sčítaly. Další dva odpory můstku jsou rezistory s pevnými hodnotami odporu. Časté je použití půleného můstku při měření ohybu nosníku, kdy jsou dva tenzometry umístěny na protějších stranách namáhaného nosníku tak, že jeden z nich se prodlužuje (na straně namáhané tahem) a druhý se zkracuje (na straně namáhané tlakem). Naopak účinky celkového prodloužení nosníku, např. teplem se vzájemně kompenzují (vyruší). Úplné můstkové zapojení se dvěma natahovanými a dvěma stlačovanými tenzometry má vyšší citlivost a je teplotně kompenzované.
Měřicí můstky mohou být napájeny stejnosměrným nebo střídavým proudem. Stejnosměrně napájený můstek se dá jednodušeji vyvážit než střídavě napájený můstek. Při požadavků přesného měření musí být napájecí napětí můstku nezávislé na délce vedení a na okolní teplotě. Z tohoto důvodu se místo běžného čtyřvodičového připojení používá šestivodičové připojení. Dva tzv. testovací vodiče jsou pak využity pro korekci délky vedení udržováním stabilní hodnoty napájecího napětí pro můstek. V praxi je většinou používána měřicí elektronika s jedním snímačem, který má pevnou délku kabelu a proto stačí čtyřvodičové připojení. Měřený signál je pak zesílen měřicím zesilovačem a převeden na unifikovaný signál (10V, 20mA,…).
Střídavé měřicí přístroje používají k napájení můstku střídavého napětí s kmitočtem většinou 5kHz. Měřené výstupní napětí můstku pak moduluje napájecí napětí jako modulační signál nosnou vlnu při amplitudové modulaci. Ve skutečnosti je napájecí napětí modulováno změnami odporů měřicího můstku. Jedná se o tenzometrické měřicí přístroje s nosným měřicím kmitočtem. V těchto přístrojích musí být kompenzováno zkreslení velikosti napětí signálu (R-kompenzace) i zkreslení fázovým posunutím sinusového průběhu signálu (C-kompenzace). Výsledný signál lze získat fázově správnou demodulací.