Kuvvet fiziğin temel kavramlarından birisi olup, genel olarak bir cismin hareketine sebep olan, yani duran bir cismi hareket ettiren, hareket eden bir cismi durduran, doğrultu ve yönünü değiştiren, ona şekil değişikliği veren etkidir.
Fizikte, bir kuvvet serbest bir cismin hızında, yönünde ya da şeklinde değişiklik yaratan herhangi bir etkidir. Kuvvet , bir kütlenin hızını değiştirmeye neden olan bir itme veya çekme,ivmelendirme ya da şeklinde değişiklik meydana getirme olarak da tanımlanabilir. Bir kuvvetin, onu vektör olarak niceleyen şiddeti ve yönü vardır. Newton’un ikinci kanunu, sabit bir kütlesi olan bir nesne üzerine etki edecek net kuvvet ile orantılı olarak hızlandıracağını
belirtmektedir.
Üç boyutlu nesnelere uygulanan kuvvet de nesnenin dönmesine, şeklinin bozulmasına,basınçta değişime ve bazı durumlarda hacmin değişimine sebep olabilir. Bir eksen etrafında dönme hızında değişime sebep olan kuvvet eğilimine tork denir. Deformasyon(şekil değişikliği) ve basınç bir nesne dahilindeki zorlama kuvvetlerinin sonucudur.
Kuvvet ve sehim arasındaki bağlantı elastik bölgede Hooke kanunu ile gösterilmektedir. Esnek bir cisme esneklik sınırları içinde kalmak koşuluyla bir kuvvet uygulandığında cisimde oluşan boyut değişikliği uygulanan kuvvetle orantılıdır. Tek boyutlu kabul edilebilecek bir cisme F kuvvetinin uygulanması halinde boyutundaki ∆ℓ=y değişme miktarı :
F = ky
bağıntısı ile verilir. Newton’un üçüncü kanununa göre cisme etkiyen F kuvvetine cisim de eşit şiddetle fakat zıt yönlü tepki göstereceğinden, tepki kuvveti;
F ‘= -ky
şeklinde yazılabilir. Genellikle Hooke Kanunu olarak anılan 2.2 bağıntısındaki F’ kuvvetine geri getirici kuvvet denir. [2] Kuvvet birimi Newton’dur.Kısaca “N” ile gösterilir.
Kuvvet Ölçme Yöntemleri
Bilinmeyen bir kuvvet aşağıda belirtilen yöntemlerle ölçülebilir:
• Bilinmeyen kuvveti bir kaldıraç sisteminde standard kütleye karşı dengeleme
• Bilinen bir kütlenin ivmesini ölçme
• Bilinmeyen kuvveti akım taşıyan bir bobbin ve bir mıknatıs etkileşiminden üretilen manyetik kuvvete eşitleme
• Bilinmeyen kuvveti belirli bir alana dağıtarak basınç oluşturma ve basıncı ölçme
• Uygulanan kuvveti elestik bir elementin deformasyonuna çevirerek ölçme
Yukarıda bahsedilen kuvvet ölçme yöntemleri pek çok ölçme aletinin tasarımında kullanılmaktadır. Kuvvet ölçme cihazı tasarımında en önemli konu sensör tasarımıdır. Sensör tasarımında önemli olan konular, temel geometrik sınırlamalar ve uygulanan kuvvetin nasıl ölçülebilecek sinyal formuna dönüştürüldüğüdür.
Strain gage elamanları veya piezoelektrik kristal elemanlar, kuvvet ölçümünde yayın olarak kullanılmaktadır. Hem darbe kuvvetleri hem de zamanla değişimi yavaş olan kuvvetler bu sensörler kullanılarak belirlenebilir. Mevcut kuvvet ölçme yöntemlerinin bir alt grubu yük hücresi (load cell)’dir. Yük hücreleri genelde büyük, statik veya zamanla değişimi yavaş olan kuvvetlerin ölçümünde kullanılmaktadır.
Strain-Gage Yük Hücresi (Load Cell)
Yük hücresi bir kuvvet uygulandığında elastik olarak şekli bozulan bir yapı ve bu şekil değişikliğine orantılı olarak elektrik sinyali üreten bir strain gage ağından oluşmaktadır. Yaygın olarak kiriş (beam) ve halka (ring) tipi olmak üzere iki tipi vardır. Kiriş tipi yük hücreleri genellikle düşük seviyedeki yükleri ölçmek için kullanılmaktadır. Kiriş tipi yük hücresinde, basit bir konsol kiriş (cantilever beam) elastik eleman olarak kullanılmaktadır. Kirişin yatay ekseni boyunca üzerine yerleştirilmiş 4 adet strain gage (2 tanesi alt yüzeyde , 2 tanesi üst yüzeyde), birbirine Wheatstone köprüsü ile bağlanmıştır. Halka tipi yük hücreleri elastik eleman olarak halka içerirler. Halka elemanı, çok geniş bir aralıktaki yükleri ölçmek için halka çapı, kalınlığı , halka derinliği değiştirilerek tasarlanabilir. Strain gage,
doğrusal değişken diferansiyel dönüştürücü (LVDT) sensör ile de kullanılabilir. Uygulanan yük, doğrusal çıkış gerilimi ile doğru orantılıdır. LVDT sensörlü bir halka tipi yük hücresi duyarlılığı, halka geometrisine, halkanın üretildiği malzeme ve LVDT’nin karakteristik özelliklerine bağlıdır .
Şekil 1-(a)’da halka tipi strain gage, Şekil 1-(b)’de strain gage’lerin Wheatstone köprüsündeki yerleri ve Şekil 1-(c)’de strain gage’li LVDT sensör gösterilmektedir.
Piezoelektrik Yöntemler
Bir piezoelektrik malzeme, piezoelektrik etkisi olarak bilinen bir olgu sergiler. Bu olgu, asimetrik, elastik kristaller bir kuvvet ile şekil değişikliğine uğrarsa, bozuk kristal kafes içinde bir elektriksel potansiyel geliştirilecektir. Bu etkiyi tersine çevrilebilir. Bu potansiyel bir kristal yüzeyleri arasında uygulanırsa, onun fiziksel boyutlarını değiştirecektir.
Dirençsel yöntem (resistive method), yarı-iletken parçacıklar (genellikle karbon) arasındaki mesafe arasındaki birden fazla temas alanı ve parçacıklar arsındaki mesafe değiştiği zaman,toplam direnç değişmiş olduğu gerçeğini kullanır. Bu tür dönüştürücülerin tasarımı, bir kuvvet uygulandığında çok küçük bir şekil değişimi oluşacak şekildedir. Bir dönüştürücü, hareketli bir elektrot ve sabit bir elektrot arasına yerleştirilmiş 2-60 ince karbon diskten oluşabilir.
Hareketli elektroda bir kuvvet uygulandığında karbon diskleri de beraber hareket eder Uygulanan kuvvete karşı direnç transfer fonksiyonu oldukça hiperbolik yani doğrusal olmayan özelliktedir. Bu nedenle oluşan histerisis ve sürtünmeyi azaltmak için, diskler yerine halkalar kullanılır. Halkalar, ana çekirdeğe monte edilir ve öngerilemeleri alınır. Bu neredeyse tamamen enine duyarlılık hatayı ortadan kaldırır.
Endüktif metod, bir ferromanyetik malzemede oluşan bir mekanik gerilim değişiklikliğinin malzemenin geçirgenliğini değiştirmesi prensibine dayanır. Manyetik akıdaki değişiklikler,hareket gerçekleştikçe bobinde indüklenen gerilime dönüştürülür. Bu kural Villari etkisi olarak bilinir. Villari etkisi kullanan transdüserler manyetostriktif malzemeden bir çekirdek üzerinde sarılmış bir bobinden oluşur. Bu çekirdek üzerinde uygulanan ölçülecek kuvvet , çekirdek üzerinde mekanik gerilme yaratır ve geçirgenlik ve indüktans üzerinde bir değişiklikliğe neden olur . Bu değişim uygulanan kuvveti ölçmek için kullanılır.
Bu tip transdüser için geçerli aralık, çekirdeğin kesit alanı bir fonksiyonudur. Cihazın doğruluğu, bir kalibrasyon işlemi ile belirlenir. Bu dönüştürücünün doğrusallığı azdır ve histerezise tabidir. Bir manyetostriktif malzemenin, geçirgenliği yönden bağımsız olarak sadece burulmaya tabi olduğunda artar . Piezo transistör metodu kullanan cihazlar anizotropik gerilme etkisininden faydalanırlar. Bu etkide, p-n diyodlarının üst yüzeyleri yerel bir gerilmeye maruz kalırsa bağlantıdaki akımda bir geri dönüşümlü değişiklik meydana gelir. Bu bağlantı, üst yüzeyinde yerleştirilmiş bir diyaframa mekanik olarak bağlıdır. Bir basınç veya kuvvet diyaframa uygulandığında, elektronik yük üretilir. Bu yarı iletken malzemeler de ısı farkları ile elektrik özelliklerini değiştirdiğinden sabit bir sıcaklıkta bu kuvvet ölçüm araçlarının kullanılması tavsiye edilir.
Piezotransistörlerin önemli bir özelliği, uygulanan kuvvete karşı aşırı dayanıklı olmasıdır. Sensör olarak kuartz kristal kullanan çok elementli dinamometreler kuvvet ölçümleri için direk olarak piezo etkisi kullanılır. Eksenel yöndeki direk etki basma kuvvetlerini, kesme etkisi ise kesme kuvvetlerini ölçer. Örneğin eksenel yöndeki basma kuvvetine dik yerleştirilmiş bir kuartz kristalden bir disk, nominal seviyesi, yaklaşık 2.26 pC/N olan bir elektrik yük
oluşturur.
Kapasitans değişimini kullanan bir transdüser, kuvvet ölçmek için kullanılabilir. Bir diyaframa uygulanan kuvvet, diyaframın elastik sehiminin kapasitans ile ölçülmesi ile belirlenebilir. Kapasitif transdüserin çok küçük sehimleri bile tespit etmesi sayesinde son derece hassas kuvvet transdüseri yapılabilir. Bu tip uygulamada elektronik bir devre, kapasitans değişimlerini dc-voltaj değişimlerine dönüştürür.
Kuvvet Algılayan Dirençler (İletken Polimerler)
Kuvvet algılayan dirençler ( Force Sensing Resistor,FSR), bazı kalın film polimer kullanan cihazların artan kuvvet karşısında azalan direnç göstermesi prensibine dayanır. Bir kuvvet algılayan direnç, bir film üzerindeki direnç malzemesi ve diğer filme uygulanan bağlantı noktalarını içeren kısım olmak üzere iki ana parçadan oluşur. Dirençli malzeme, diğer film üzerindeki iki iletken seti arasındaki elektrik devresini tamamlar. Bu sensöre bi kuvvet uygulandığında bağlantılar arasında daha iyi bir bağlantı oluşur ve dolayısıyla iletkenlik artar. Pek çok kuvvet aralığında iletkenliğin kuvvetin doğrusal bir fonksiyonu olduğu gözlenmektedir. Kuvvet algılayan dirençler, kendi aralarında %15-%25 aralığında direnç değişimi gösterdikleri için hassas kuvvet ölçümleri için kullanılmamalıdır. Ancak kuvvet algılayan dirençler, diğer pahalı ölçüm cihazları ile karşılaştırıldığında çok az histerisize sahiptir. Piezofilm ile karşılaştırıldıüında titreşim ve ısıya çok az duyarlıdır. Şekil-2’de kuvvet algılayan dirençlere örnek verilmiştir.
Manyetik Kuvvet Algılayıcıları
Manyeto-resistif kuvvet algılayıcılarının çalışma prensibi, düşük sıcaklıklarda soğutulmuş metallerin manyetik alana maruz kaldıklarında direnç değişikliği göstermesine dayanmaktadır. Bizmut metali bu konuda oldukça hassastır. Uygulamada bu cihazların kullanımı, ortam sıcaklığı değişimlerine aşırı uyarlılıkları nedeniyle oldukça sınırlıdır.
Manyeto elastik transdüserler , manyetik alana maruz kalan bir ferromanyetik bir malzemenin boyutlarının değişmesine dayanan Joule etkisi prensibine göre çalışırlar. Başlangıçta dalga kılavuzu (wave guide) içindeki iletkene bir akım darbesi uygulanır. Bu dalga kılavuzunda tüm uzunluğu boyunca bir manyetik alan oluşturur. Başka bir mıktanısın bulunduğun alanda oluşan bir diğer manyetik alan da vardır. Bu iki manyetik alan, mıknatıs yakınında helisel bir alan oluşturmak için vektörel olarak birleşirler. Bu manyetik alan birleşimi Wiedemann etkisi olarak bilinen burulma zorlanması veya mıknatısın bulunduğu yerde bir dönmeye neden olur.[5] Manyeto elastik kuvvet trasdüserleri 20kHz civarında yüksek frekans cevabına sahiptir. Manyeto elastik özellik gösteren malzemelerden bazıları monel (nikel-akır alaşımı), permalloy (mıknatıslanma oranı yüksek nikel-demir alaşımı ) gibi malzemelerdir. Bu transdüserlerin dezavantajları aşırı gerilme ve yaşlanmanın kalıcı değişikliklere neden olabileceği gerçeği, sıcaklığa duyarlılıktan kaynaklı duyarlılık değişimleri ve histerisiz hatalarıdır.
Burulma Terazisi
Bir yayın şekil değiştirmesinden yararlanan teraziler kuvvet ölçmek için kullanılabilir. Burulma terazileri eşit kollu kuvvet ölçme araçlarıdır. Miller ve yataklar yerine yatay çelik bantlardan oluşurlar. Çalışma prensibi, bir kola uygulanan kuvvetin burulma yayının şeklini orantısal olarak değiştirmesine dayanır. Bu tip bir cihaz histerisiz hataları ve sıcaklık hatalarına duyarlı olduğundan hassas ölçümler için kullanılamaz.
Kuvvet Ölçüm Uygulamaları
Kuvvet algılayıcılarının tipik kullanım alanları, darbe kuvvetlerinin izlenmesi, çarpışma testleri, pres kuvvetlerinin izlenmesi, kuvvet kontrollü zorlanmış titreşimlerin izlenmesi, mekanik empedans, talaşlı imalat, düşürme testleri, titreşim uyaranları, nüfuz etme (penetrasyon) testleri, mukavemet testleri, kopma noktası testleri ve benzeri uygulamalardır.
