Un dinamometro è un dispositivo per misurare una forza o una coppia . Utilizza una molla (caso di un modello semplice) di rigidità nota definita dal modulo di elasticità , oppure una cella con estensimetro . La cella di carico è il suo nome originale.
L'unità di forza è il newton (simbolo N) che prende il nome dal fondatore della teoria della gravitazione universale , Isaac Newton . I multipli più comunemente usati sono il decanewton (daN, un'unità simile nel valore del chilogrammo-forza ) e il kilonewton (kN). Il dyne (simbolo dyn) è un'antica unità di forza.
Oggi la maggior parte dei dinamometri sono digitali e tendono a sostituire i modelli meccanici , sia nella ricerca e sviluppo che nel controllo qualità .
I dinamometri meccanici utilizzano direttamente il principio della legge di Hooke . Infatti, poiché una molla ideale segue una relazione del tipo forza = rigidità × allungamento , da essa possiamo dedurre il valore di una forza misurando l'allungamento di una molla calibrata (cioè di cui conosciamo la rigidità). Tra i dinamometri meccanici più conosciuti, si possono citare le celle di carico e il dinamometro Poncelet (utilizzato nel XIX ° secolo, alla polizia di guida ). Il funzionamento di questo dispositivo, immaginato dal liutaio borgognone Edme Régnier , è stato perfezionato dal colonnello Raucourt , poi analizzato dagli ingegneri Saint-Venant e Poncelet : dal punto di vista della teoria dell'elasticità, possiamo vederlo come un caso speciale di un anello dinamometrico, la cui forma ellittica ne aumenta la sensibilità in estensione lungo il suo asse maggiore.
Diagramma schematico di un dinamometro a molla
Dinamometro Régnier (Conservatorio Nazionale di Arti e Mestieri, Parigi).
Un dinamometro digitale è uno strumento (portatile o fisso) composto da un sensore di forza , un dispositivo elettronico digitale e un display.
Il trasduttore di forza è il cuore del sistema. Può essere paragonato a una molla che si deforma in funzione della forza applicata. Quando questo sensore si deforma, gli estensimetri misurano le sollecitazioni applicate ed emettono una tensione elettrica proporzionale alla forza. L'elettronica del dinamometro quindi interpreta questa tensione per visualizzarla in unità di forza.
Gli estensimetri sono resistori che aumentano la resistenza elettrica varia con l'allungamento in una data direzione. Si fissano direttamente alla molla e la loro resistenza viene misurata utilizzando un ponte di Wheatstone . Le misurazioni sono ora possibili fino a una frequenza di 8 MHz , ma è necessaria la compensazione della temperatura e il comportamento a lungo termine lascia molto a desiderare a causa del creep . Generalmente distinguiamo:
Lo stato di sollecitazione in un metallo modifica in modo determinato la sua permeabilità magnetica µ ( magnetostrizione inversa). In pratica, questa variazione viene rilevata da quella del campo magnetico creato tra le bobine primaria e secondaria di un trasformatore.
Questo sensore supporta carichi pesanti. Questa tecnica, brevettata nel 1954, viene utilizzata nei sensori commercializzati da ABB con il nome Pressductor .
In un piezoceramico inserto , l'applicazione di una forza F genera una carica elettrica Q proporzionale alla forza.
Possiamo produrre sensori piezoelettrici molto duri e misurare variazioni a frequenze molto alte (oltre 100 kHz ) utilizzandoli. Nelle prove statiche o quasi statiche, è necessario prestare attenzione per garantire la stabilità del punto di applicazione delle forze. Si possono registrare le tensioni piane utilizzando un triplo strato di ceramica con un preciso orientamento di ogni strato.
Il principio qui è quello dell'altoparlante : una bobina mobile è immersa in un campo magnetico. Un servo con un sensore di spostamento mantiene la bobina in posizione e la corrente indotta nella bobina è proporzionale alla forza esercitata su di essa. Dall'espressione generale della forza di Lorentz , abbiamo:
con: B intensità del campo magnetico, i corrente elettrica indotta, l lunghezza effettiva del conduttore.Tuttavia, questi sensori consentono di misurare solo piccole forze (massimo 20-30 N ) e sono quindi utilizzati principalmente nelle bilance di precisione.
Il periodo di vibrazione di una fune tesa dipende dalla sua tensione T secondo la formula di D'Alembert :
con: m b densità lineare della fune in kg / m, l lunghezza libera della vibrazione, f frequenza naturale .La tensione di una cinghia può essere misurata determinando la sua frequenza di vibrazione con un frequenzimetro ottico.
Microscopio a forza atomica e guida d'onda Questo metodo consente di misurare le forze in biologia. Una guida d'onda risonante è inserita in un multistrato elastico. Se, per effetto della forza di adesione di una cella, la fibra superiore del sensore viene deformata localmente, la forza corrispondente può essere stimata misurando lo spostamento del picco di risonanza. La risoluzione è di 20 nN .
I dinamometri sono usati in molti campi oggigiorno.
Queste macchine per prove di trazione o compressione (presse) sono dotate di cella dinamometrica estensimetrica . Molto diffusi, sono progettati per fornire al laboratorio industriale o scientifico l'analisi delle proprietà meccaniche “quasi istantanee” dei materiali in funzione di molteplici parametri di prova ( deformazione , velocità di deformazione , temperatura, storia termica, ecc .).
I sensori di forza sono dotati di un cavo elettrico terminato da un connettore e sono rapidamente intercambiabili (ad eccezione dei modelli di grandi dimensioni). La frequenza della loro calibrazione è spesso annuale.
Le prime macchine erano collegate a un registratore grafico. I più recenti sono collegati tramite box interfaccia ad un PC dotato di software. Questo sistema permette il pilotaggio, l'acquisizione, la visualizzazione, l'analisi numerica e grafica, l'esportazione di file ASCII su foglio di calcolo , il salvataggio e la stampa dei dati di prova.
La traversa superiore è fissa. La traversa mobile è azionato da due viti laterali azionata da un motore - riduttore a DC . Il collegamento tra le viti e il riduttore è realizzato tramite pulegge e cinghia sincrona in elastomero rinforzato.
La velocità di deformazione (o sollecitazione) v è bassa ( v può variare da 0,1 a 500 mm / min ; in pratica v è spesso compresa tra 1 e 50 mm / min ).
I modelli rinforzati (con in particolare telaio meccanico, motore, trasmissione e cella di carico adattati) possono eseguire prove meccaniche che comportano forze elevate. Il loro trasduttore di forza può misurare diverse centinaia di kN (in tensione , compressione , flessione , ecc .).
Nota: deve essere presente un pulsante di arresto di emergenza .
L'applicazione più comune è la misura della forza a rottura (forza massima , F m , ottenuta prima del raggiungimento della rottura) in tensione per sapere se un prodotto e / o un assieme è conforme o meno. Le resistenze a trazione ( R m o σ m ) o al taglio (τ m ) hanno la dimensione di una sollecitazione e sono dedotte dalla forza di rottura; queste due resistenze sono spesso espresse in M Pa .
Ad esempio, si può determinare la forza richiesta per separare un connettore da un cavo, la forza di chiusura di una porta, una forza di interblocco elastico o valutare la qualità di una molla ammortizzatore.
Nota: una macchina di trazione può essere accoppiata ad un estensimetro (di tipo ottico, ad esempio) permettendo la registrazione delle curve di sollecitazione σ = f (deformazione ε) dei provini sottoposti a sollecitazione in trazione. È quindi possibile caratterizzare la flessibilità del materiale utilizzato dal valore dell'allungamento a rottura A %.
Valutazione della resistenza alla rottura TC di un giunto adesivo.
Elementi di fissaggio autobloccanti.
Uso del test TC preso come esempio.