نیروسنج ابزاری است که به منظور اندازه گیری نیرو بوسیله آزمایش های کشش و فشار با دقت بالا و پاسخ دهی سریع بکار می رود که نیروسنج ها در صنایع مختلف نیروگاهی، آزمایشگاهی، خودروسازی و بازرسی جهت مصارف آزمایشگاهی ، کنترل کیفیت، طراحی و مهندسی و واحد های پژوهشی بکار می رود. نیرو سنج ها به دو صورت سنسور داخل و سنسور بیرونی طراحی می شوند، در نوع اول سنسور اندازه گیری نیرو در داخل دستگاه تعبیه می شود ولی در نوع دوم که بیشتر برای ظرفیت های بالا استفاده می شود، سنسور در خارج از دستگاه می باشد.
مفهوم نیرو و نیروسنجی یکی از مفاهیم اصلی فیزیک و دنیای اطراف ماست که طبق فرمول های مربوطه روابطی با شتاب و و گرانش دارد. براي مثال براي بررسي ميزان پايداري و مقاومت يک پل و نیروی وارد آمده به اجزاء آن که خودروهای سنگینی بر آن عبور میکنند بايستي ميزان نيروهاي وارد بر آن سنجیده و اندازه گیری شود. اندازه‌گيري نيروي هاي وارد بر يک جسم از طریق حسگرهايي نيروسنج انجام می گردد و در عمل برای اندازه گیری نیروی برای مثال کشش یک سیم و یا نیروی وارد شده بر یک جسم از یک نیروسنج استفاده می گردد. نیروسنج ها در مدل های آزمایشگاهی از به صورت مکانیکی و از فنر و یک قلاب درست می شوند ولی در مدل های دیجیتال و پیشرفته از همان سنسورهای استرین گیج و لودسل درست می شوند .
. همچنین در تقسیم بندی دیگر نیرو سنج ها به دو دسته عقربه ای و دیجیتال تقسیم بندی می شوند.
- نیروسنج عقربه ای ( نیروسنج آنالوگ)
نیروسنج های عقربه ای برای کاربرد دستی طراحی شده اند. معمولا برای تنش ابتدایی وآزمون فشرده سازی زمانی
که دقت آزمایش از اهمیت چندانی برخوردار نیست از نیروسنج های عقربه ای استفاده می شود. نیروسنج های عقربه ای معمولا با قابلیت پیک هولد وتبدیل واحد، از یک سر کششی و از سر دیگر فشاری می باشند. این نوع از نیروسنج ها نسبت به نیروسنج های دیجیتالی از قیمت پایین تری برخوردار هستند.
نیروسنج های عقربه ای کمی محدودیت دارند. اول اینکه در حالی که با تغییر نیرو نتیجه را روی نمایشگر عقربه ایی نمایش می دهند، قادر به نمونه برداری و ذخیره مقادیر در طی زمان نیستند. اکثر دستگاهها تنها میتوانند مقدار پیک را نگه دارند. بعلاوه عقربه برای نمایش یک سیستم اندازه گیری و یا واحد اندازه گیری ماندد نیوتن تنظیم شده است. این موضوع مستلزم اینست که یا چند نیرو سنج داشته باشیم و یا به واحد مورد نظر آنرا تبدیل کنیم. معمولا برای تنش ابتدایی و آزمون فشرده سازی که دقت آزمایش از اهمیت چندانی برخوردار نیست از نیروسنج های عقربه ای استفاده می شود. نیروسنج های عقربه ای معمولا با قابلیت نگهداری پیک و تبدیل واحد و همچنین بصورت کششی و فشاری وجود دارند. این نوع از نیروسنج ها نسبت به نیروسنج های دیجیتالی قیمت پایین تری دارند.
- نیروسنج دیجیتالی
به جای صفحه مدرج و عقربه در نیروسنج های مکانیکی، نیروسنج های دیجیتالی از یک لودسل یا فشارسنج استفاده می کنند که اندازه نیروی اعمالی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل ک رده که می تواند کمی، کالیبره، و دیجیتالی شود و مستقیما نمایش داده شود. در حالی که نیروسنج های دیجیتال گرانتر بوده و برای کار نیازمند باتری هستند، دارای توانایی نمونه برداری، ثبت و ذخیره داده های مقادیر اندازه گیری شده در طول زمان هستند. آنها همچنین می توانند اندازه گیری مقدار متوسط و پیک نیرو را ارائه دهند و برای اندازه گیری مقادیر نیرویی که به سرعت تغییر می کنند مانند تست ضربه مناسب ترند. علاوه بر این، بسیاری از مدل ها این قابلیت را برای کاربر دارند که واحد اندازه گیری دلخواه خود را انتخاب کنند. به همین منظور، از نیروسنج دیجیتال بیشتر استفاده می شود.
انواع نیروسنج دیجیتالی
1- نیروسنج دیجیتالی زیر ۱۰۰۰ نیوتن
در این نوع نیروسنج ها لودسل ( نشانگر وزن) در داخل دستگاه تعبیه شده است.
2 – نیروسنج دیجیتالی بالای ۱۰۰۰ نیوتن
در این نوع نیروسنج ها لودسل ( نشانگر وزن) در خارج دستگاه تعبیه شده است.
لودسل، دستگاه الکتریکی است که نیرو را بوسیله استرن گیج به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. نرم افزار و قسمت الکتریکی نیروسنج، ولتاژ لودسل را به مقدار نیروی معادل تبدیل می کند.
اجزای سازنده نیروسنج ها عبارتند از:
لودسل، قلاب کشش و فشار، صفحه نمایشگر، کلید ها، پورت سریال RS232، سوکت نصب کابل لودسل، بدنه دستگاه و کلید روشن و خاموش و شارژر می باشد
موارد مهم در انتخاب یک نیروسنج
در انتخاب یک نیروسنج می بایست با توجه به نوع کاربری به موارد زیر توجه کرد:
• رنج کاری نیروسنج
• نوع نیروسنج (آنالوگ، دیجیتال)
• سرعت نمونه برداری و قابلیت تنظیم زمان پاسخ
• قابلیت اندازه گیری در دو وضعیت فشار و کشش
• نحوه اتصال و به کارگیری نیروسنج
• دقت اندازه گیری نیروسنج
• خروجی و نوع خروجی نیروسنج
• امکان استفاده دستی یا نصب بر روی پایه
• قابلیت نصب کارت حافظه
• قابلیت تبدیل داده ها بر حسب واحدهای مختلف ( g/oz/Newton))
موارد استفاده ازنیروسنج ها
موارد زیادی برای استفاده از نیروسنج ها در انواع صنعت وجود دارد – مثال های زیر در مورد نحوه استفاده از این دستگاه ها را ارائه می دهند.
ورزش : ورزشکاران حرفه ای مانند بوکسورها از نیروسنج برای اندازه گیری قدرت عضله و قدرت مشت زدن آنها استفاده می کنند.
اندازه گیری مقاومت مواد : از نیروسنج ها برای تعیین اینکه آیا مواد مقاومت کافی برای تحمل تنش هایی را که در حین حمل و نقل و یا در معرض آن قرار دارند استفاده می شود. به عنوان مثال ، ممکن است یک بطری آب تحت آزمایش فشرده سازی قرار گیرد تا مشخص شود آیا نیروهای فشرده سازی انتظار می رود در هنگام حمل و نقل باعث از کار افتادن بطری آب و نشت محتوای آن شود. در مثالی دیگر ، ممکن است فلزات با قرار دادن فلز در برابر نیروهای فشاری و کششی و مشاهده عملکرد مواد ، مقاومت در برابر کشش و مقاومت آنها را تأیید کنند.
ارگونومی : هنگامی که کاربران با یک محصول درگیر می شوند ، می توان از نیروسنج ها استفاده کرد تا ارزیابی کنند آیا طراحی محصول از منظر تعامل انسانی کارایی دارد یا خیر – به این معنی که آیا نیروی مورد نیاز برای تعامل با محصول ، نیرویی قابل قبول و قابل دریافتی برای توانایی های بیشتر مردم است. این روش می تواند در شرایط مختلفی مانند باز کردن دستگیره درب اتومبیل ، فشار دادن کلیدهای صفحه کلید کامپیوتر یا باز و بسته شدن درپوش بطری داروهای تجویز شده اعمال شود.
اندازه گیری ثابت فنر : سازندگان فنرهای مکانیکی از نیروسنج استفاده می کنند تا ثابت کنند فنرهای تولید شده دارای ثابت فنر مناسب (k) هستند ، که نیرویی را که فنر می تواند ایجاد کند به جابجایی آن از موقعیت تعادل مربوط می کند.
تولید چسب : تولید کنندگان چسب ممکن است از یک نیروسنج استفاده کنند تا مقاومت باند چسب ها را با گرفتن نمونه و ثبت حداکثر نیرویی که نمونه آزمایش قبل از جدا شدن مواد پیوسته می تواند آزمایش کند.
ایمنی – طراحان و مهندسان ممکن است از نیروسنج برای آزمایش ظرفیت بار اتصال دهنده های مختلف محافظت کننده اشیا، ، مانند نرده ها و نرده ها اطمینان حاصل کنند که اتصال دهنده ها چسبندگی کافی به محصول را ایجاد می کنند تا استفاده و عملکرد ایمنی را تضمین کند.
اندازه های نیروسنج و مشخصات آن
نیروسنج ها معمولا بوسیله ی چندین پارامتر متداول طبقه بندی و مشخصه گذاری می شوند. که این مشخصات دستگاه ها می تواند از سازنده ای به سازنده ی دیگر متفاوت باشد. همچنین این مشخصات بسته به نوع نیروسنج قابل تغییر است، داشتن درک اساسی از این مشخصات باعث می شود که تعیین و تهیه مدل موردنظر آسان تر باشد.
- سایز یا ظرفیت : حداکثر مقدار نیرویی که دستگاه قادر به ثبت است را مشخص می کند.
- درجه بندی : برای دستگاه های آنالوگ، به تعداد خطوطی که در مقیاس اندازه گیری دستگاه دیده می شود، اشاره دارد. خطوط بیشتر امکان اندازه گیری دقیق تری را فراهم می کنند.
- رزلوشن : درجه دقتی است که می توان اندازه گیری را انجام داد و مربوط به ظرفیت و درجه بندی است. برای مثال یک نیروسنج آنالوگ با ظرفیت 500 نیوتن و 100 خط درجه بندی، رزلوشن N 011/911 را دارد.
- دقت اندازه گیری نیروسنج : میزانی که مقدار اندازه گیری شده از مقدار واقعی نیرو منحرف می شود. دقت معمولا به عنوان یک درصد +/- از مقیاس کامل اندازه گیری تعریف می شود
- واحدهای اندازه گیری : بسته به نوع دستگاه، نیروسنج ها قادر به اندازه گیری و نمایش مقادیر نیرو در واحدهای متریک یا امپریال هستند. مدل های آنالوگ معمولا یک واحد اندازه گیری مشخص دارند در حالی که نیروسنج های دیجیتال اغلب به کاربر اجازه می دهند از بین واحدهای مختلف، واحد اندازه گیری دلخواه را انتخاب نماید.
- 6. آپشن ها : بیشتر نیروسنج ها شامل مجموعه ای از آپشن ها (گزینه ها) از جمله قلاب ها، افزونه ها، و پراب ها با اشکال نوک مسطح، نوک مخروطی، نوک اسکنه ای، و نوک شکافدار متناسب با انواع کاربردها هستند.
میزان حرکت – نمایانگر حداکثر حرکت پیستون (PLUNGER) یا پراب مکانیکی است که برای اندازه گیری نیروی فشار/کشش استفاده می شود
- نوع نمایش : برای دستگاههای آنالوگ، نمایشگر معمولا یک صفحه مدرج با یک عقربه است. برای مدل های دیجیتالی، گزینه های صفحه نمایش می تواند شامل LCD ، LED یا صفحه نمایش رنگی با وضوح بالا باشد.
- ارقام نمایش داده شده : برای نیروسنج های دیجیتال، تعداد ارقام نمایش داده شده توسط دستگاه را نشان می دهد. به عنوان مثال، این پارامتر ممکن است 4 رقم باشد و سه عدد آن در سمت راست اعشاری باشد. با افزایش ظرفیت مدل، ممکن است تعداد ارقام یکسان بماند، اما رقم های بیشتر در سمت چپ اعشار نشان داده شود. همچنین رزلوشن در ظرفیت های بالاتر کاهش می یابد.
- نرخ نمونه برداری : نمایانگر سرعت نمونه برداری از مقدار نیرو است که معمولا به واحدهای هرتز (Hz) نشان داده می شود. عموما نرخ نمونه برداری بالاتر اجازه می دهد تا مقادیر اندازه گیری شده ای که ممکن است در سرعت نمونه برداری پایین پراکنده هستند، ثبت شود
- پیکر بندی : در حالی که بسیاری از نیروسنج ها دستی هستند، برخی مدل ها برای اتصال به استندهای خاصی در کاربردهای رومیزی طراحی شده اند.
- عمر باتری : تعداد ساعت تخمینی که دستگاه می تواند قبل از نیاز به شارژ دوباره باتری کار کند.
- سایر ویژگی ها : برخی از نیروسنج های دیجیتال ممکن است دارای سنسورهای از راه دور باشند که اجازه می دهد قسمت نمایشگر دستگاه به راحتی دور از جسم اندازه گیری شونده قرار گیرد. سایر مدل ها ممکن است داری پراب ها یا سنسورهای قابل تعویض باشند که می توان از آنها علاوه بر اندازه گیری نیرو برای اندازه گیری مثلا گشتاور نیز استفاده کرد. طیف وسیعی از اپشن های دیگر مانند اپشن های حرکتی، تجهیزات مکانیکی یا پنوماتیکی وجود دارد.