Тензометрические датчики веса: назначение устройства, разновидности, принцип работы

Тензометрические датчики: виды, принцип работы

Системы контроля производят постоянное наблюдение за состоянием различных механизмов и, в том числе, контролируют вес. Для проведения измерений на многих предприятиях широко востребованы тензодатчики. Основным компонентом прибора выступает тензорезистор. Он преобразует величину упругой деформации в удобный для измерения сигнал, в основном — в электрический.

Процесс происходит при изменении сопротивления измерительной решетки тензорезистора при его растяжении или сжатии. Конструктивно резистивный преобразователь можно представить в виде тонкой упругой проволоки из константана или пленки (фольги), распределенной по контролируемой поверхности. Устройство позиционируется как один из основных составляющих высокоточного оборудования для взвешивания. Его используют в любых весах электронного типа: от бытовых напольных до сверхточных лабораторных.

  1. Виды:
    • Фольговый тензорезистор
    • Пленочный тензорезистор
    • Проволочный тензорезистор
  2. Принцип действия тензодатчиков
  3. Принцип действия датчиков силы
  4. Преимущества тензометрических датчиков
  5. Подключение тензометрических датчиков к индикатору веса

Ассортимент тензометрических датчиков очень большой, их выбирают с учетом сферы использования: измеряют силу и нагрузку; контролируют давление; контролируют момент для станков, моторов автомобилей.

Чаще всего для определения веса используются следующие модели:

  • мембранные — широко используются в вагонных и автомобильных весах, для взвешивания цистерн, баков;
  • колонные — для многотонных весов — автомобильных, вагонных, бункерных, а также для модернизации механического весового оборудования;
  • S-образные — для подвесных, бункерных измерительных приборов, дозаторов массы.

Кроме классификации по форме, тензорезисторы различают по конструкционному чувствительному элементу. Рассмотрим эти разновидности подробнее.

Получили наибольшее распространение. Производят методом фотохимического травления.

Решетка тензорезистора выполняется из разных металлосплавов, обеспечивающих достаточную чувствительность и в то же время имеющих хорошую адгезию с изоляционной основой, на которой выполняется устройство. Толщина проводящего покрытия 3–15 мкм. Сопротивление находится в пределах 30–2000 Ом. Для защиты от внешней среды датчик покрывается специальным слоем.

Основные преимущества изделий — наибольшая чувствительность по сравнению с проволочными устройствами, прочные выводы и сложная конфигурация решетки.

Изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

Малая толщина таких тензодатчиков (15–30 мкм) предоставляет существенный плюс при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур. Тензометрический коэффициент преобразователя равен 2–4, а его сопротивление варьируется в пределах 100–1000 Ом.

datchiki vidy 4

Представляет собой тонкую проволоку диаметром d 0 002н–0 5 мм, которая укладывается в виде петель длиной 5–25 мм, шириной 8–10 мм и приклеивается к бумаге. К ее концам припаиваются выводы 3 из более толстой проволоки, при помощи которых тензорезистор включается в цепь измерительной системы. Проволока должна соответствовать высокому удельному сопротивлению и малому температурному коэффициенту.

datchiki vidy 6

Принцип действия тензодатчиков

Суть работы довольна проста: на вход подается питание, с выхода снимается сигнал. Выходное напряжение зависит от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов.

На практике используют несколько типов весоизмерительных датчиков — четырех-, и шестипроводные. Предлагаем рассмотреть подробнее принцип действия на самом простом — первом варианте.

datchiki vidy 3

Четырехпроводной и шестипроводной тензодатчик работает по принципу моста Уитстона. Измерительная схема следующая: на гибкой подложке расположены четыре тензорезистора. Для обеспечения на выходе в состоянии покоя нулевого значения разности потенциалов в точках + S и – S все элементы имеют равное сопротивление. Ток не протекает в выходной цепи измерительного прибора, если считать тензорезистор идеальным. На практике из-за конструкционных особенностей и температурных перепадов все равно наблюдается токовая нагрузка.

При механическом воздействии нагрузки на тензодатчик гибкое основание деформируется. В результате в мостовой измерительной схеме изменяются рабочие параметры 4 резисторов, в том числе сжатие и растяжение. Обратите внимание на рисунок ниже.

Стрелка гальванометра отклоняется, что свидетельствует о том, что равновесие электроцепи нарушается, и ток начинает протекать через выход тензорезистора. Гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост придет в равновесие, как только нагрузка прекратится.

datchiki vidy 2

По факту, тензорезистор меняет параметр омического сопротивления по отношению к прилагаемой силе. На практике устройства широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах.

Принцип действия датчиков силы

Специальные устройства предназначены для измерения показателей силы или получения параметров момента действующей силы. Они определяют усилие либо силу, с которой один объект действует на другой.

Наличие датчиков силы в весах обуславливает возможность автоматизировать техпроцесс на производстве. Они востребованы в различных сферах — в с/х, строительстве и металлургической промышленности.

Принцип работы: весовая нагрузка деформирует упругий элемент. В месте возникновения деформации возрастает сопротивление, что приводит к изменению силы тока. Последняя пропорциональна величине деформации и, соответственно, действующей на датчик силе. Модели тензометрических датчиков характеризуются высокой точностью, обладают минимальными габаритами и весом.

Читайте также:
Строим перегородки в деревянном доме своими руками

Высокоточные малогабаритные устройства предназначены для измерения усилий сжатия и расширения. Самое широкое распространение получили датчики с металлическими тензометрами за свою универсальность, достаточную точность, простоту обработки выходного сигнала и приемлемую цену. Кроме того, они универсальны — подходят для измерения статических и динамических сил.

Преимущества тензометрических датчиков

К преимуществам тензодатчиков следует отнести:

  • малый вес и размеры. Современные устройства компактные и не такие громоздкие, как раньше;
  • простоту конструкции и крепления датчиков к изделиям. Процесс взвешивания гораздо упростился, а фиксация возможна как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
  • способность измерять статические и динамические деформации. Это очень востребовано при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
  • возможность проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -50 до +50 ˚С.

У нас вы можете купить тензометрические датчики для различных, в том числе больших нагрузок — до 200 т. Устройства работают результативно и обладают максимальной точностью измерения показателей. Подберем для вас нужную конструкцию исходя из области использования — S-образный, колонный, консольный, мембранный, балочный.

Подключение тензометрических датчиков к индикатору веса

В зависимости от пожеланий заказчика и технического задания мы можем изготовить устройства, которые могут иметь 4-х проводный или 6-ти проводный кабель для подключения к весовому индикатору.

Посмотрите на рисунок, где указаны эти две схемы:

datchiki vidy 1

Если промышленные весы имеют сразу несколько тензодатчиков, то они должны быть подключены параллельно, желательно с использованием специализированных соединительных коробок. Также они позволят сбалансировать систему, состоящую из множества устройств.

Например, для автовесов используют сборную конструкцию грузоприемного устройства. Платформа состоит из двух полуплатформ. Каждая платформа размещается на четырех тензодатчиках. Для подключения группы тензометрических датчиков применяют соединительные коробки. Они позволяют не только объединить сигналы с тензометрических датчиков, но и произвести выравнивание угловых нагрузок за счет добавочных резисторов, которые включаются в цепь сигнала датчиков.

В комплектацию устройств входит кабель. Если изменить его длину, то требуется обязательная калибровка весового индикатора, иначе показания могут быть недостоверными. Например, удлинение и укорачивание кабеля всегда приводят к потере точности определения массы. Отметим, что сколько бы проводов не было, датчик должен соответствовать требованиям ГОСТ.

Тензометрические датчики веса и силы: принцип работы

Тензометрические датчики веса

Ни одно промышленное предприятие не обходится без устройства для измерения точного веса и силы растяжения различных деталей и металлоконструкций. Тензометрические датчики веса и давления преобразовывают величину деформации в наиболее подходящий для замера сигнал. В основном сигнал бывает электрический. Поэтому производители, изготовив металлические изделия, проверяют их максимальную степень сжатия и растяжения.

Назначение устройства

Приборы для вычисления деформации изготавливаются из тензорезисторов и тензоматериалов, которые имеют наивысшую чувствительность. Основная деталь устройства — алюминиевый провод мелкого диаметра. Иногда производители датчиков делают проволоку из фольги. Принцип действия всех весовых аппаратов практически одинаковый: в процессе работы резисторы начинают реагировать на колебания сжатия и растяжения, вследствие чего сигнал передается на контакты.

Существуют датчики, предназначающиеся для разных отраслей: металлургических, фармацевтических и атомных.

Разновидности тензодатчиков:

Разновидности тензодатчиков

  • измеряющие нагрузки;
  • модели, контролирующие перемещение;
  • динамометры — устройства для замера силы и веса;
  • приборы для точной фиксации скорости;
  • тензометрические датчики, используемые для станочных и автомобильных моторов.

Среди всех аппаратов чаще всего применяется датчик для замера веса. Существуют такие типы устройств: консольные, S-образные, шайбовые и бочковые. Балочными моделями пользуются довольно редко. Выбор типа приспособления зависит от сферы применения.

Конструктивные особенности

Устройства разделяются как по типу формы, так и по типу конструкции. Для вычисления точной деформации тензометрический датчик должен иметь предельно чувствительные элементы. Их контакты делятся на следующие типы:

  • проволочные;
  • фольговые;
  • пленочные.

Тензодатчик с фольговыми элементами

Тензодатчик с фольговыми элементами применяется путем наклеивания. Система представляет собой полосу из фольги толщиной 12 мкм, но бывает и тоньше. Один участок ленты имеет решетчатую форму, а второй — плотную пленку. Это позволяет разместить на материале дополнительные контакты, что делает систему очень удобной в эксплуатации. Устройство способно переносить экстремально низкие температуры.

Аналогом фольговых являются пленочные модели. Единственное отличие между ними — материал для изготовления. Пленочные датчики производят из тензочувствительной пленки, поверхность которой имеет особое напыление, увеличивающее чувствительность устройства. С их помощью измеряют точные динамические нагрузки. Пленки делаются из германия, титана и висмута.

Для измерения нагрузок от 100 грамм до тонн применяются проволочные приспособления. Пленочные и фольговые модели способны измерять нагрузки по всей площади, а проволочные датчики вычисляют давление только в одной точке. Одноточечные тензодатчики часто используют для замера деформации на растяжение и сжатие.

Прибор в действии

Основу устройства составляет тензорезистор

Основу устройства составляет тензорезистор, оснащенный контактами, прикрепленными на верхнюю часть панели. В процессе измерения происходит соприкосновение контактов с объектом. Все тензометрические датчики основываются на единой технологии измерения деформации путем взаимодействия чувствительных элементов с определенной деталью.

Читайте также:
Устройство фундамента для бань на винтовых сваях

Датчик подключается к сети за счет электрических отводов, которые также прикрепляются к чувствительной пластинке, после чего контактные детали начинают действовать под постоянным напряжением. Принцип работы тензодатчика простой: измеряемая конструкция укладывается на специальную подложку, вес которой начинает разрываться цепью и происходит механическая деформация, а контрольные контакты преобразовывают полученное растяжение или сжатие в электрический сигнал.

Предназначение измерительного моста

Предназначение измерительного моста

Тензодатчик оснащен измерительным мостом, позволяющим сделать замер наименьшей нагрузки. Таким образом прибор способен вычислить любой вес и силу. Мостовая система сделана на основе закона Ома: если сопротивление имеет одно значение, то проходящее напряжение через резисторы покажет точно такое же значение. То есть в процессе задействованы 2 фактора: внешний и внутренний. Первый фактор воздействует на тело предмета, а внутренний преобразовывает значение в сигнал.

Бытовыми тензодатчиками являются цифровые и электронные устройства для измерения веса. Они имеют контакты, которые подсоединены к металлическому листу. При укладке предметов на рабочую поверхность весов начинают действовать контакты, передающие значение на тензорезисторы, а затем на циферблат. Устройства могут подключаться к сети или работать за счет батареек.

Например, преобразователь сигналов Z-SG анализирует информацию с высокой точностью. Отклонение от нормы полученных данных составляет 0,02%. Это довольно высокий показатель точности, но есть приборы, показывающие более точную информацию. Такие тензорезисторные датчики оснащены контактами, которые тоже являются передатчиком преобразованного электронного сигнала, полученного путем измерения силы и веса детали.

Преимущества и недостатки

Есть один недостаток — это незначительная потеря чувствительности датчика в процессе работы при очень колеблющихся экстремальных температурах. Желательно, чтобы температура была устойчивой, а влажность не превышала 30%. Тогда прибор покажет более точные данные. Из плюсов можно выделить следующее:

  • приспособления имеют компактные габариты, а это позволяет их эксплуатировать в любых местах;
  • датчики способны измерять динамические и статические напряжения, что делает систему удобной для работы в разных условиях;
  • тензодатчики могут измерять деформацию детали с минимальной погрешностью.

Устройства просто незаменимы во всех отраслях. Они помогают получить данные быстро и с высокой точностью.

Схема подключения

Грамотно подключить датчик не составит труда, если воспользоваться схемой. Перед покупкой приспособления нужно определиться с длиной провода, потому что правильно удлинить кабель будет сложно. Зачастую после этого точность данных сбивается. Решить эту проблему можно контролером se 01 тензодатчика, являющимся модулем-усилителем. Его надо вмонтировать в само устройство.

В весах могут быть 2 и более индикатора. Они должны подключаться соединительными коробками параллельно. Если аппарат работает от сети, то его нужно заземлить. Провода заземляются в общую точку при помощи разветвлительной коробки. После подключения производится визуальный осмотр на правильность соединения элементов датчика. Также проверяется заземление и все контакты.

Схема подключения тензодатчика

Если преобразователь чрезмерно перегрузить работой, то он может выйти из строя. В таком случае не рекомендуется проводить самостоятельные ремонтные работы. Придется нести приспособление в специализированную мастерскую.

Среди всех моделей большим спросом пользуются: ДСТ, НСК К-Б-12А, Кели, Utilcell, Zemic, Ацп и НВМ. Они отличаются друг от друга техническими характеристиками, следовательно, покупая датчик, нужно внимательно изучить все параметры.

Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство

На многих предприятиях существует необходимость для измерения различных параметров, изменения состояния деталей, различных конструкций. Для решения этих задач используются тензометрические датчики. Они преобразовывают величину деформации в электрический сигнал. Это получается за счет уменьшения или увеличения сопротивления датчика во время деформации, нарушения геометрии формы датчика от сжатия или растяжения. В результате определяется значение деформации.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

В разных отраслях промышленности используется множество видов тензометрических датчиков:

  • Приборы, измеряющие силу и нагрузку.
  • Контроль давления.
  • Измерители ускорения.
  • Измерители перемещения.
  • Датчики контроля момента для станков, моторов автомобилей.

Модели датчиков разнообразны, но чаще всего используется датчик определения веса, который изготавливается в различных вариантах: шайбовый, бочковой, S-образный. Исходя из назначения подбирается необходимое исполнение.

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

  • Из фольги.
  • Пленочные.
  • Из проволоки.
Читайте также:
Цоколь дома своими руками для частных домов: силовой пояс дома- виды, материалы, отделка +Фото
Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочные датчики

Plenochnyi tenzodatchik

изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

Provolochnyi tenzodatchik

датчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Действие снаружи обрело название «внешний фактор», изменение сигнала – «внутренний фактор». Тогда можно сказать, что принцип работы датчика заключается в определении внешнего фактора с помощью внутреннего.

В быту тензометрические датчики работают в весах. Тензорезисторы подключены с поверхностью работы весов. Подключение к питанию весов осуществляется через батареи.

Этот контрольный прибор имеет высокую точность. Погрешность чувствительных элементов составляет менее 0,02%, это высокий показатель. Существуют приборы с чувствительностью гораздо выше этого. Их работа основана на контроле действия силы. Значение силы давления прямопропорционально преобразованному сигналу тензодатчика.

Принцип действия датчиков силы

Датчики силы, другими словами динамометры входят в состав приборов, измеряющих вес. Их отсутствие делает невозможным работу системы по автоматизированию техпроцессов на производстве. Они используются в сельском хозяйстве, строительстве, металлургии.

Tenzometricheskie datchiki skhema 1

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:
  • Тактильные.
  • Резистивные.
  • Пьезорезонансные.
  • Пьезоэлектрические.
  • Магнитные.
  • Емкостные.
Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Taktilnyi tenzodatchik

Конструкция состоит из 2-х пластин(1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Taktilnyi tenzodatchik 2

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент – тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.

Tenzometricheskie datchiki risunok 5

1 — Подложка
2 — Чувствительный элемент
3 — Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Tenzometricheskie datchiki skhema 2

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические тензометрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал. Возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала.

Tenzometricheskie datchiki risunok 6

Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Читайте также:
Термическая обработка металлов и сплавов

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. В нашем варианте катушка индуктивности расположена на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности.

Tenzometricheskie datchiki risunok 7

Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Это параметрический тип датчиков, представляющий собой конденсатор. Чем больше площадь пластин, тем больше емкость. А чем больше промежуток между пластинами, тем меньше емкость.

Это свойство применяют для конструкции емкостных датчиков. Чтобы было удобно пользоваться измерениями, емкость преобразуют в ток. Для этого пользуются разными схемами подключения.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Tenzometricheskie datchiki grafiki

Преимущества тензометрических датчиков
  • Повышенная точность измерения.
  • Сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях.
  • Малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.

К недостаткам тензометрических датчиков, можно отнести снижение чувствительности при резких изменениях температуры. Для получения точных результатов рекомендуется делать контроль измерения при комнатной температуре.

Подключение тензодатчиков

Подключить тензометрические датчики можно легко самому, используя схему. Перед приобретением тензодатчиков определите длину кабеля подключения. Если короткий кабель наращивать в длину, то точность измерения индикатором будет значительно меньше. Оптимизацию этого параметра можно произвести контроллером SE 01, который действует вместо усилителя.

Tenzometricheskie datchiki raskliuchenie

Если в конструкции весов применяются разные индикаторы, то их соединяют по параллельной схеме с помощью специальных коробок. Проводники датчиков обязательно заземляются, независимо от вида питания. Установка заземления производится в общей одной точке. Для этих целей применяется коробка для разветвления.

Далее проверяется правильность подключения по схеме датчиков, надежность контактов и заземления. Монтаж прибора осуществляется экранированным кабелем. Он заглушает помехи, вспомогательные модули при его использовании не нужны. По подобию подсоединяется преобразователь в дозатор.

Тензодатчик: принцип работы, устройство, типы, схемы подключения

Системы контроля производят постоянное наблюдение за состоянием различных механизмов, положением рабочих органов и, в том числе, контролируют вес. Для измерения величины веса и дальнейшего применения данных в логических схемах устанавливается тензометрический датчик (тензодатчик). Что это такое и как он работает мы рассмотрим в данной статье.

Что такое тензодатчик?

Тензометрический датчик, в соответствии с п.2.1.2 ГОСТ 8.631-2013 представляет собой весоизмерительный элемент, который реагирует на изменение величины физического воздействия (усилия) и переводит его в электрический сигнал. Фактически это резистор, меняющий параметр омического сопротивления, по отношению к прилагаемой силе. На практике широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах. В зависимости от сферы применения используются различные типы тензодатчиков, отличающихся как принципом действия, так и конструктивными особенностями.

Конструкция

В качестве примера рассмотрим наиболее простой вариант тензодатчика, где в роли чувствительного элемента выступает тензорезистор. Конструктивно его можно представить в виде тонкой упругой проволоки или пленки, распределенной по контролируемой поверхности.

Работа тензорезистора основывается на законе Гука, гласящем, что изменение электрического сопротивления по отношению к исходному положению элемента пропорционально удлинению или сжатию сенсора. Руководствуясь данным принципом определяется коэффициент пропорциональности:

K = Δl / l = ΔR / R

  • K – коэффициент пропорциональности;
  • Δl – величина изменения длины в ходе деформации;
  • l – длина измеряемого элемента в состоянии покоя;
  • ΔR – изменение величины сопротивления при деформации;
  • R – значение сопротивления тензорезистора в нормальном положении.

На практике это реализуется следующим образом (рисунок 1):

Устройство тензорезистора

Рис. 1. Устройство тензорезистора

При нахождении в состоянии покоя дорожки тензорезистора имеют определенное сечение и длину проводника. Сопротивление всего резистивного элемента тензодатчика будет определяться по формуле:

  • ρ – удельное сопротивление материала, как правило, в качестве металла с постоянным удельным сопротивлением используют константан;
  • l – длина проводника тензодатчика;
  • S – поперечное сечение проводника тензодатчика.

Таким образом, в случае удлинения тензодатчика длина проводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. Как результат, омическое сопротивление тензорезистора будет повышаться. При сжатии произойдет обратный процесс – длина проводящих элементов уменьшиться, а их поперечное сечение увеличиться. В результате сжатия сопротивление тензодатчика уменьшиться, что и лежит в основе принципа его работы.

Принцип работы

В большинстве случаев тензодатчик функционирует не от одного тензорезистора, а включает в себя мостовую измерительную схему. Такой принцип получил название моста Уитстона и реализуется следующим образом (рисунок 2):

Принцип действия тензодатчика

Рис. 2. Принцип действия тензодатчика

Читайте также:
Тропинки и дорожки в саду или на дачном участке

Как видите на рисунке, в плечи моста включены четыре тензорезистора, которые расположены на гибкой подложке, что обеспечивает им упругую деформацию в ходе измерений. Все резистивные элементы тензодатчика подбираются равнозначными, что обеспечивает на выходе в состоянии покоя нулевое значение разности потенциалов в точках + S и – S. Это обозначает, что в ненагруженном идеальном тензодатчике не будет протекать ток в выходной цепи измерительного прибора. В реальном устройстве, все равно существует токовая нагрузка из-за конструктивных отличий резистивных деталей, температурных колебаний.

Как только к измерительному органу прибора будет приложена механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, от чего изменятся рабочие параметры всех резисторов в цепи моста тензодатчика. В большинстве случаев попарно происходит сжатие и растяжение тензорезисторов (рисунок 3):

Воздействие нагрузки на тензодатчик

Рис. 3. Воздействие нагрузки на тензодатчик

Как видите, на рисунке два резистора сжимаются, а другие два растягиваются, в результате чего происходит искажение моста. Электрическая цепь выходит из равновесия и через выход тензодатчика начинает протекать электрический ток. О чем будет свидетельствовать отклонение стрелки гальванометра или дисплей оборудования, реагирующий на изменение разности потенциалов. Как только нагрузка перестанет воздействовать на тензодатчик, гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост снова перейдет в состояние равновесия.

На данном примере мы рассмотрели простейший вариант четырехпроводного тензометрического датчика. Но на практике также используются пяти и шестипроводные весоизмерительные сенсоры, что обусловлено типом конкретного устройства.

Сфера применения тензометрических датчиков охватывает ряд устройств самого различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия применяются тензодатчики разных типов. Разделение сенсоров по видам осуществляется на основании нескольких факторов.

Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

  • Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.;
  • S-образные – применяются для измерения поднимаемых грузов;
  • Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.;
  • Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой;

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

  • Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. В соответствии с п.1.1 ГОСТ 21616-91 разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки.
  • Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия.
  • Пьезорезонансные – основаны на полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным.
  • Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика.
  • Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния.
  • Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится.

В соответствии с п.1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру прилагаемого усилия тензодатчики можно разделить на те, которые реагируют на сжатие, растяжение и универсальные.

Схемы подключения

На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант – схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:

Четырехпроводная схема подключения

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:

Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.

Шестипроводная схема с цепью обратной связи

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала. Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:

Читайте также:
Фасадный планкен: виды материала для отделки загородных домов

Практическая реализация вычитания напряжения

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различных приборах и приспособлениях для отслеживания реакции на физическое воздействие. На сегодняшний день сфера его применения охватывает самые различные отрасли промышленности и народного хозяйства, где он используется для:

  • Измерения веса – устанавливается в электронных весах различного типа.
  • Определения ускорения – применяется при испытании транспортных средств.
  • Измерения давления – распространено в сфере обработки поверхностей, при контроле прилагаемого усилия, в механических средствах и т.д.
  • Контроля перемещения – фиксируют перемещение строительных элементов, фундаментов, сейсмологических приспособлений и т.д.
  • Измерения крутящего момента – применяется в машиностроительной отрасли, для технического обслуживания и прочих.

Как выбрать?

При выборе модели для измерения какого-либо физического усилия или веса, необходимо руководствоваться основными параметрами сенсора. К таким характеристикам относятся:

Тензодатчики веса и давления – принцип работы, виды, устройство

Тензометрические датчики веса и силы широко применяются в современном взвешивающем оборудовании.

Чувствительным элементом такого оборудования является тензорезистор с электронной согласующей схемой, встроенные в алюминиевый или стальной корпус. Деформация объектов позволяет измерить различные физические величины, например, объем, силу и вес.

Внешнее электронное оборудование на основе показаний с датчиков определяет величину требуемого параметра. Схемо-технически подключение датчиков выбирается для компенсации температурного влияния.

Изменение сопротивления датчика от приложенной силы тензометрических датчиков носит линейный характер, что упрощает процесс преобразования.

Тензорезисторы в зависимости от типа чувствительного материала делятся на проволочные, пленочные и фольговые. Наибольшее распространение получили фольговые датчики (Рис. 1), в которых тензоматериал 1 наносится на подложку 3 методом травления как в печатных платах.

Для защиты от внешней среды датчик покрывается защитным слоем 4. Выводы 2 служат для подключения внешней измерительной схемы.

Под действием груза или приложенной силы возникает деформация корпуса и тензористора, вызывая изменения сопротивления. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Материалом для измерения деформации служит манганин или константан. Отличие пленочных датчиков (Рис. 2) состоит в используемым полупроводниковом чувствительном элементе М.

Поэтому пленочные тензорезисторы не применяют в условиях резкого колебания температур, т.к. тепловые процессы внутри полупроводника приводят к нелинейности выходного сопротивления.

Измерительным элементом проволочных датчиков силы и веса (Рис. 3) являются несколько параллельно соединённых

тензочувствительных проводников 1.Параллельное соединение повышает чувствительность измерений. Гибкая подложка 3 подвергается внешней деформации, проводники залиты защитным слоем цемента или клея 4. К внешнему оборудованию датчик подключается через выводы 2.

Проволочные датчики в простейшем случае служат для измерения давления. В таких датчиках катушка из тензочувствительного материала, помещенная в объем измеряемой жидкости или газа меняет свое сопротивление под действием давления.

Максимальная нагрузка и точность измерения веса и силы зависит от конструктивных особенностей корпуса датчика и количества измерительных резисторов.

Верхний и нижний пределы измерения веса современных тензометрических весов колеблются от нескольких тонн до нескольких грамм. Одноточечные балочные датчики с одним измерительным элементом в большинстве случаев имеют алюминиевый корпус и используются для измерения небольшой массы груза в фасовочных и дозирующих системах (Рис. 4).

Одноточечные датчики преобразуют величину поперечной деформации в электрический сигнал.

Электрическая измерительная часть тензометрического датчика надежно изолирована от внешней среды и не подвержена влиянию влажности и пыли и может работать в широком диапазоне температур (Для большинства датчиков от -40 до +80 градусов).

Тензометрические датчики веса имеют различные типы (S-образные, консольные, балочные и т.д.) и классифицируются по максимальной нагрузке, чувствительности, классу защиты от условий внешней среды и сферы применения.

Выбор максимальной нагрузки, как правило, осуществляется с запасом для исключения повреждения датчика. Важным параметром датчиков веса и силы является класс точности. Наибольшее распространение получили датчики с классом С3 с нормированной по ГОСТу точностью в 0,002 %.

Чтобы снизить величину ошибки измерения для каждого вида датчика нужно выбрать правильное место установки.

Балочные датчики (Рис. 5) закрепляются неподвижно одним торцом, а на другой край подвешивается груз. Типичный вес нагрузки таких датчиков – от нескольких килограмм до нескольких тонн.

Цилиндрические тензометрические датчики силы (Рис. 6), также известные как «шайбовые», имеют стальной корпус, применяются для взвешивания грузов массой до нескольких десятков тонн. Такие датчики используется для модернизации устаревших бункерных весов, для определения массы автомобилей, вагонов, крупногабаритных емкостей.

S-образные датчики (Рис. 7)работают на сжатие и растяжение, являются измерительной системой в подвесных весах.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.

Читайте также:
Что такое раструб канализационной трубы и для чего он нужен

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Читайте также: Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей

Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:

  • простота изготовления;
  • линейная зависимость от деформации;
  • малые размеры и цена.

Читайте также: Термометр сопротивления – датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

  • возможности монолитного соединения датчика деформации с исследуемой деталью;
  • малой толщине измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
  • удобстве крепления, как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
  • возможности измерения динамических деформаций, меняющихся с частотой до 50000 Гц;
  • возможности проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -240 до +1100˚С;
  • возможности измерений параметров одновременно во многих точках деталей;
  • возможности измерения деформации объектов, расположенных на больших расстояниях от тензометрических систем;
  • возможностью измерения деформаций в движущихся (крутящихся) деталях.
Читайте также:
Совет по установке систем отопления для домов.

Из недостатков следует отметить:

  • влияние метеоусловий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
  • незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требует применение усилителей сигналов.
  • при работе тензодатчиков в условиях высокотемпературной или агрессивной среды необходимы специальные меры их защиты.

Основные схемы подключения

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Рассмотрим это на примере подключения тензометрических датчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа — питание (+Ex, -Ex), два других — измерительные выходы (+Sig, -Sig). Встречаются также варианты с пятью проводами, где дополнительный провод служит в качестве экрана для всех остальных. Суть работы весового измерительного датчика балочного типа довольно проста. На входы подается питание, а с выходов снимается напряжение. Величина напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.

Читайте также: Преимущества использования унифицированного токового сигнала 4 – 20 мА в цепях управления

Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Примеры использования тензометрических датчиков

  • элемент конструкции весов.
  • измерение усилий деформации при обработке металлов давлением на штамповочных прессах и прокатных станах.
  • мониторинг напряженно-деформационных состояний строительных конструкций и сооружений при их возведении и эксплуатации.
  • высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
  • с упругим элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивной среде.
  • для измерения давления в нефте и газопроводах.

Простота, удобство и технологичность тензодатчиков — основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.

Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы

Что такое КИП и А и чем занимаются специалисты службы: слесарь и инженер КИП и А

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика

Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Что такое тензодатчик? Sierra.market

Данная статья расскажет о принципе работы и разновидностях тензодатчиков.

Что такое тензодатчик? Принцип работы

Тензодатчики: принцип работы и классификация

С развитием цифровых технологий возможностей механических весов стало недостаточно. Они не справлялись с такими задачами как быстрая передача выводных данных, проведение высокоточных измерений, снижение человеческого фактора, упрощение труда оператора.

Для преобразования «механического» сигнала в цифровой в составе весового оборудования стали использовать тензорезисторные датчики.

Принцип тензометрии

Тензометрия – это способ измерения напряжений и деформаций, которые возникают в той или иной конструкции, материале. Напрямую исследовать величину напряжения и деформации тела невозможно, поэтому существует методика «перевода» механической деформации в измеримый электрический сигнал. Она реализована в конструкции тензодатчика.

В основу работы датчика положен тензоэффект. То есть способность твердого материала менять электрическое сопротивление при различных деформациях: сжатии, скручивании, растяжении.

В конструкции датчика главной деталью является тензорезистор (тонкая фольговая решетка, наклеенная на фенольную пленку). Он испытывает деформацию вместе с упругим элементом, что влечет за собой изменение электрического сигнала. Данные изменения фиксируются и передаются на электронные компоненты системы. Пользователь или оператор получают точную информацию в понятной форме (на табло, экране), могут использовать ее для любых вычислений и анализа с помощью компьютера.

Восприятие физического воздействия

Чтобы фиксировать величину физического воздействия на весовую платформу применяются тензодатчики с измерительными телами различных типов и форм. Распространенный пример такого измерительного тела – консоль или балка с упругим элементом в составе. Под воздействием прилагаемой силы тензодатчик деформируется (сжимается, растягивается, скручивается), а когда воздействие устранено – восстанавливает первоначальную геометрию.

Измерительное тело тензодатчика сконструировано таким образом, чтобы деформация приходилась на определенную зону. В случае с балкой наибольшее напряжение будет выявлено на тонких участках (концентраторах напряжения). Строго на них устанавливают тензорезисторы, соединенные проводниками в мост Уинстона. Если бы балка была цельной, без отверстий, то нагрузка распределялась бы непредсказуемо сложным образом по всей конструкции, и выявить деформацию было бы крайне сложно, даже используя чувствительные сенсоры.

Читайте также:
Фундамент на буронабивных сваях для неустойчивого грунта

Измерительные тела тензодатчиков различаются по типу воспринимаемой нагрузки и строению:

· Консольные(балочные) – представляют собой балку, которая работает на сдвиг или изгиб. Используются в конструкции бункерных, платформенных весов

· S-образные – работают на растяжение и сжатие. Тензодатчики на их основе подходят для измерения поднимаемых грузов;

· Мембранные(шайбы) – наименее чувствительны к скручиванию. Датчики на их основе широко применяются в весах разных типов;

· Колонные (стержневые) – работают на сжатие. Устанавливаются в оборудование с высокой грузоподъемностью;

· Торсионные – воспринимают усилие скручивания и т.д.

Преобразование механических данных в цифровой сигнал

Груз уложен на весы, принимающий механизм деформировался вместе с установленным на него тензоэлементом – фольговой решеткой. Далее в работу вступает электрическая часть тензодатчика.

В состоянии покоя фольговая решетка тензорезистора имеет определенное сечение и длину нитки. Мы точно знаем электрические параметры этого элемента, в частности – сопротивление. Когда тензоэлемент деформируется, длина его ниток меняется.

Если в качестве основания используется простая балка – дорожки растягиваются, а их поперечное сечение уменьшается. Омическое сопротивление тензорезистора увеличивается. При сжатии мы наблюдаем обратный эффект – сопротивление уменьшается из-за сжатия дорожек и увеличения их сечения. Именно электрические параметры, разница между нулевым и выходным сигналом в дальнейшем будут обработаны и преобразованы в понятную для нас форму.

Мостовая измерительная схема

В большинстве датчиков не один тензорезистор, а четыре. Схему, состоящую из них, называют мостом Уитсона. Такой тензодатчик устроен следующим образом:

· четыре резистивных элемента расположены на гибкой подложке и включены в плечи моста;

· тензорезисторы равнозначны, поэтому в состоянии покоя ток в схеме не фиксируется измерительными приборами (в действительности токовая нагрузка возникает из-за несовершенства конструкции и температурных колебанй, но находится в строго определенных пределах);

· при деформации гибкой подложки происходит попарное сжатие и растяжение тензорезисторов, как следствие – изменение рабочих параметров в цепи моста;

· данные об изменениях в виде электрического напряжение на сигнальных выходах передаются на вторичные преобразователи;

· после снятия нагрузки с весовой платформы гибкий элемент возвращается в исходное положение, мост переходит в состояние равновесия.

Полномостовой четырехпроводный датчик подключается в общую цепь. При этом соблюдают цветовую маркировку проводов: как правило, красный и черный использую для подачи напряжения, белый и зеленый – для съема полученного сигнала. Кабель также имеет экранирующий провод для защиты от помех. Цветовая маркировка может быть различной у разных производителей и в основном определяется цветовой маркировкой используемого кабеля.

Четырехпроводные датчики подходят для подключения непосредственно к контрольному блоку. Если замеры происходят в одном месте, а вывод и анализ данных с тензодатчика – в другом, то используют шестипроводную схему подключения. Она исключает влияние сопротивления питающих проводников на результаты измерений. С двух дополнительных проводов (+ Sen и – Sen) снимают данные о падении напряжения. Полученную величину затем вычитают из основного результата. Четырехпроводные схемы не рекомендуется удлинять или укорачивать, чтобы не снизить точность тензодатчика.

Типы датчиков по методу измерения

Для описания принципа действия тензодатчика мы привели пример простого четырехпроводного устройства. На рынке весоизмерительного оборудования представлено множество других сенсоров, которые удобны для решения конкретных задач:

1. Резистивные. В основе устройства – тензорезистор.

2. Тактильные. В основе датчика такого типа – два проводника, разделенные диэлектрическим слоем. При восприятии нагрузки проводники сближаются и продавливают мягкую прослойку. В цепи возникает ток с определенными параметрами сопротивления, которые зависят от расстояния между деталями.

3. Пьезоэлектрические, пьезорезонансные. Работают по технологии полупроводников. Кристаллы воспринимают усилие и измеряют величину зарядов или сравнивают сигнал с эталоном.

4. Магнитные. В качестве грузопринимающего элемента используется магнитный сердечник, окруженный катушкой. При деформации сердечник влияет на электромагнитный поток в катушке, что позволяет измерять отклонения индуктивности.

5. Емкостные. Работают по технологии переменного конденсатора. При восприятии нагрузки токопроводящие пластины сближаются, емкость между ними возрастает. Величина отклонения фиксируется и преобразуется в удобную для восприятия форму.

Преимущества и недостатки тензодатчика

Несмотря на разнообразие весоизмерительных датчиков, чаще всего в конструкции современного оборудования используют именно тензорезистивные датчики. Они обеспечивают широкий диапазон и высокую точность измерений (до 0,017%, в зависимости от модели), в том числе при высокой частоте динамических деформаций основания. С условием компенсации тензодатчики работают в широком диапазоне температур. За счет плоской компактной конструкции они легко монтируются на ровные и криволинейные поверхности.

Тензодатчики можно соединить напрямую с контрольным блоком или установить на расстоянии от АЦП. Их используют для проведения измерений на движущихся деталях, одновременно в нескольких точках конструкции и т.д.

Читайте также:
Что такое буронабивные сваи

К условным минусам тензодатчиков относят:

· зависимость чувствительности от температуры и влажности окружающей среды (легко компенсируется);

· снижение точности показаний в условиях вибрации;

· необходимость усилителей сигнала в конструкции тензодатчика, так как малые скачки сопротивления могут восприниматься некорректно;

· уязвимость механизма в условиях агрессивной среды (важно защитить компоненты весоизмерительной системы от коррозии, воды, химически активных веществ, механических повреждений).

Тензодатчики используют в составе бытовых, промышленных, высокоточных, специализированных весоизмерительных приборов. Они имеют невысокую стоимость, в исключительных случаях ремонтопригодны, широко представлены в разных ценовых сегментах.

Основные характеристики тензодатчика

Вот ключевые параметры, по которым выбирают тензодатчик для конкретного оборудования:

· Класс точности измерения, величина погрешности, количество проверочных делений. Приборы класса G (G1, G2, G3 итд) имеют наименьшую точность, а устройства с маркировкой C (С1, С2, С3) – наибольшую. Данные параметры тензодатчика регламентируются государственными стандартами.

· Грузоподъемность. Параметр указывает на максимальный вес, который способна принимать консоль, мембрана или колонна, испытывая упругую деформацию. Если подается разрушающая нагрузка, не исключена необратимая деформация, которая приведет к поломке измерительного оборудования.

· Материал корпуса тензодатчика. Чаще всего его изготавливают из никелированной или нержавеющей стали или алюминиевого сплава. От состава металла напрямую зависит способность тензодатчика воспринимать нагрузки, упругость и долговечность всего механизма.

· Количество диапазонов. Датчик может быть одно-, двух- и многоинтервальным. Для повышения точности измерений на малых нагрузках лучше использовать устройства с несколькими диапазонами, так как они выдают минимальную дискрету.

· Пылевлагозащищенность корпуса. Обозначается индексом IP и двумя цифрами, первая из которых указывает на степень защиты от пыли, вторая – от влаги. Приборы с маркировкой IP68 можно использовать в грязной среде и погружать в воду, IP 24 подходят только для применения в чистом сухом помещении.

· Компенсированный температурный диапазон. Точность зависит от условий среды, поэтому в нижней и верхней части рабочего диапазона показания тензодатчика нуждаются в компенсации. Стандартные модели корректно работают при температуре от -40 до +65 градусов. Существуют тензодатчики для особых условий эксплуатации.

Среди важных параметров датчика стоит отметить чувствительность, максимальное и рекомендуемое напряжение питания, входное и выходное сопротивление. Электрические параметры важны при тестировании датчика в случае неисправности. Они зафиксированы в технической документации и сертификате о калибровке прибора, потребуются при настройке оборудования.

Размеры корпуса влияют на специфику монтажа тензодатчика. Габариты особенно важны, если предстоит установка в стесненных условиях, на криволинейную поверхность.

Конструкция весов с тензодатчиком

Базовое единицей весоизмерительного оборудования можно считать тензорезистор. В случае тензодатчиков, он не является полноценным измерительным прибором, но позволяет «перевести» механическую деформация в цифровую форму по вышеописанному принципу.

Первичным преобразователем измерения массы является тензодатчик. Он состоит из тензорезистора и измерительного тела (балки, колонны и т.д.), которое имеет зону упругости.

С тензодатчика сигнал передается на вторичный прибор учета – терминал. Он преобразует данные в понятную для оператора или компьютера форму, позволяет считать, проанализировать, сохранить полученную информацию. В современных весоизмерительных системах терминалы, как правило, совместимы с несколькими видами тензодатчиков, с которыми имеют общий протокол передачи данных. Заменить один прибор на другой, не перестраивают всю систему, не представляет трудностей.

В комплекс весоизмерительного оборудования может входить весоприемное устройство, тензодатчик, монтажные приспособления и другие узлы, в зависимости от назначения техники. Периферийные приспособления – выносные табло, приборы фото- и видеофиксации, программное обеспечение – напрямую не участвуют во взвешивании, но расширяют возможности тензометров.

Другие примеры использования тензодатчиков

Тензодатчики нужны не только в составе весоизмерительного оборудования. Они являются важным компонентом других промышленных агрегатов, применяются для измерения следующих показателей:

· деформирующих усилий – в составе штамповочных прессов, прокатных станов, других металлообрабатывающих машин;

· напряженно-деформационных нагрузок в составе строительных конструкций (при возведении, эксплуатации, в процессе экспертизы);

· давления в нефте-, газопроводах и других коммуникациях;

· силы затяжки в электрических приборах, монтажном оборудовании и т.д.

Технологичность, универсальность, удобство использования и выгодная стоимость – это ключевые факторы, которые влияют на востребованность тензодатчиков разных типов. Устройства, работающие по закону Гука, будут еще активнее применяться в промышленном оборудовании и бытовой технике.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: