Тензопреобразователь это что такое

«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.

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

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).

Основные схемы подключения

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.

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.

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.

Конструктивные особенности тензопреобразователей

Контактные площадки
из алюминия

Тензопреобразователи избыточного давления, изготавливаемые ООО «Микротензор», делятся на три конструктивные группы

Двухмембранные тензопреобразователи (от 0-0,06 до 0-1 МПа)

Конструкция двухмембранных тензопреобразователей состоит из тензочувствительной мембраны и промежуточной титановой мембраны, которые жестко соединены между собой штоком.
Давление измеряемой среды действует на промежуточную мембрану, которая имеет большую эффективную площадь. Промежуточная мембрана преобразует давление измеряемой среды в силу, которая через шток передается на жесткий центр тензочувствительной мембраны.

Одномембранные сварные тензопреобразователи (от 0-1,6 до 0-10 МПа)

Конструкция одномембранных сварных тензопреобразователей состоит из тензочувствительной мембраны и корпуса, которые соединены между собой сваркой.
Давление измеряемой среды действует на внутреннюю полость тензочувствительной мембраны. Минимальное рабочее давление составляет 0-1,6 МПа.

Одномембранные цельноточеные тензопреобразователи (от 0-16 до 0-500 МПа)

Конструкция одномембранных цельноточеных тензопреобразователей не имеет сварных соединений, характеризуется высокой надежностью при воздействии импульсных и высоких давлений.

Производство тензопреобразователей

Рисунок 1 – Тензопреобразователи.

Компания «Микротензор» разрабатывает, производит и реализует микроэлектронные тензопреобразователи избыточного давления, силы и преобразователи давления на основе структур «Кремний на Сапфире». Производство основано в 1980 году.

Тензопреобразователи (сенсоры) – первичные преобразователи, предназначенные для непрерывного пропорционального преобразования давления или силы в электрический сигнал. Точностными характеристиками являются: нелинейность, вариация и повторяемость выходного сигнала.

Рисунок 2 – Элементы тензопреобразователя.

Тензопреобразователи применяются в измерительных преобразователях и системах давления и силы, применяющихся в нефтегазовой промышленности, горнодобывающей промышленности, атомной энергетике, в учете энергоносителей (ЖКХ), промышленной автоматике, гидравлике/пневматике, насосных станциях, компрессорах, спутниковой бортовой аппаратуре.

Тензопреобразователь состоит из: корпуса, коллектора, крышки, тензоэлемента и мембраны. (Рис. 2)

Тензочувствительные элементы изготавливаются групповыми методами твердотельной технологии микроэлектроники и имеют высокое качество и хорошую воспроизводимость выходных параметров.

Рисунок 3 – Тензоэлементы

Компания «Микротензор» выпускает тензопреобразователи: двухмембранные, одномембранные сварные и одномембранные цельноточенные (Рисунок 4).

Двухмембранные тензопреобразователи.Особенностью данной конструкции является установка двух мембран различных диаметров для  повышения чувствительности тензопреобразователей.
Двухмембранный корпус используют для производства тензопреобразователей с диапазоном давлений от 0 – 0.06 до 0 – 1МПа.

Одномембранные сварные тензопреобразователи.Особенностью данной конструкции является сварное соединение мембраны и штуцера лазерным лучом.
Одномембранный сварной корпус используют для производства тензопреобразователей с диапазоном давлений от 0 – 1. 6 до 0 – 10 МПа.

Одномембранные цельноточеные тензопреобразователи. Особенностью данной конструкции является изготовление мембраны вместе со штуцером. Монолитный корпус позволяет изготавливать тензопреобразователи давлением до 500 МПа.
Используемый материал для корпуса тензопреобразователей – титановый сплав с содержанием титана 87 %.

Рисунок 5 – Производство корпусов и мембран.

Изготовление двухслойной сапфиро – титановой мембраны.

Двухслойная сапфиро – титановая мембрана состоит из тензоэлемента с тензометрическим мостом Уитстона и контактными площадками из алюминия и титановой мембраны. (Рисунок 6.1 и 6.2)
Соединение двух мембран достигается в вакууме при высокой температуре. (Рисунок 7)

Рисунок 6.1 – Двухслойная сапфиро – титановая мембрана.

Рисунок 6.2 – Двухслойная сапфиро-титановая мембрана.

Рисунок 7 – Соединение тензоэлемента с мембраной или корпусом из титанового сплава.

В компании работает около 100 квалифицированных сотрудников, которые обеспечивают высокое качество продукции и сроки изготовления в соответствии с технологическим циклом.

Рисунок 8 – Сотрудники нашей компании.

Мы производим более 12 типовых серий тензопреобразователей. Помимо этого, мы готовы разработать индивидуальный тензопреобразователь под технические требования заказчика.

Вся производимая продукция представлена в разделе «Каталог».

База — длина проводника решетки(0,2—150 мм). Номинальное сопротивление R — величина активного сопротивления(10—1000 Ом). Рабочий ток питания Ip — ток, при котором тензорезистор заметно не нагревается. При перегреве изменяются свойства материалов чувствительного элемента, основы и клеевой прослойки, искажающие показания. Коэффициент тензочувствительности: s =(∆R/R)/(∆L/L), где R и L — соответственно электрическое сопротивление и длина ненагруженного датчика; ∆R и ∆L — изменение сопротивления и деформация от внешнего усилия. Для разных материалов он может быть положительным(R при растяжении возрастает) и отрицательным(R увеличивается при сжатии). Величина s для разных металлов изменяется в пределах от -12,6 до +6.

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.

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.

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.

Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Тензодатчики различают по типу конструкций, которые зависят от вида чувствительного элемента. Контроль за деформирующими процессами возможен с применением разных видов контактов: фольговых, пленочных или проволочных.

Индикаторы, имеющие фольговый элемент, применяются в качестве наклеиваемых тензодатчиков. Пленочные представляют собой аналоги фольговых. Различие заключается в материале изготовления. Для их производства используются тензочувствительные пленки с напылением, увеличивающим чувствительность системы.

Купить тензодатчик проволочного типа нужно в том случае, когда необходимо измерить нагрузку в широком диапазоне: от сотых грамм до нескольких тонн.

Классификация тензометрического оборудования

Все тензооборудование можно поделить на классы, характеризующие сложность и уровень вложенности технического 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.

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

Рис. 5. Принцип действия емкостного тензодатчика

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.

Тензометрический прибор вставляется упорами между удаляемым зубом и заранее зафиксированной насечкой в базисе. Вращающаяся баранка раздвигает ножки аппарата, производя некоторое давление на перемещаемый зуб. Значение показателя в килограммах отображается на индикаторе. После этого элемент(ы) приводится в активное состояние.

Гнатодинамометр измеряет давление, производимое им. Медик записывает данные шкалы и нониуса в карте заболевания для дальнейшего контроля.

Показатели на тензометрическом оборудовании в среднем варьируются в пределах 15-35 для передних зубов и 45-75 кг для коренных.

Тензометрирование даёт возможность снизить количество посещений у стоматолога и уменьшить сроки лечения.

Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками, если под рукой есть схема. Для начала Вам нужно будет купить устройство, при этом, учитывайте, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно будет удлинить при острой необходимости, но тогда у индикатора значительно упадет точность. Нормализовать этот параметр путем встройки поможет контроллер se 01 тензодатчика, работающий как модуль-усилитель.

Если в весах используется несколько индикаторов, то их при помощи соединительных коробок нужно подключить параллельно. Независимо от типа питания также нужно заземлить провода датчиков. Монтаж заземления должен производиться в одной общей точке, для этого также может использоваться разветвительная коробка, например, CAS.

После производится исследование датчиков на правильность соединения. Перед выходом рекомендуется проверить все контакты и заземляющие петли. Установка приборов производиться при помощи экранированного кабеля, который глушит помехи, поэтому дополнительные модули не понадобятся. Аналогичным путем подключается преобразователь в дозатор.

От чрезмерного усилия преобразователь может сломаться, в таком случае не пытайтесь проводить его ремонт вручную.

Очень популярны модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, Ацп, KELY (Кели), HBM (НВМ), НСК К-Б-12А и ДСТ. У моделей разные технические характеристики и применение, поэтому перед покупкой внимательно изучайте параметры.

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

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:

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

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:

Определение маркировки проводов тензодатчика без документации

Если у вас отсутствует описание тензодатчика, для определения маркировки проводов можно использовать обыкновенный мультиметр, при условии, что датчик аналоговый, а не цифровой.

Подключение нескольких тензодатчиков при помощи соединительной (балансировочной) коробки

Как подключать несколько тензодатчиков при помощи балансировочной коробки можно посмотреть на видео

Заземление и экранирование при подключении тензодатчика.

Если датчики соединяются параллельно, то необходимо не забывать соединять друг с другом и экранные оплётки кабелей через соответствующий контакт клеммы в соединительной коробке, и тут же их заземлять вместе с корпусом коробки. Общий кабель, идущий от соединительной коробки к прибору, соединять с заземлением также с ОДНОЙ стороны, как описано выше, не допуская образования «земляной» петли, желательно возле входа в измерительный прибор, то есть заземлять со стороны приёмника.

READ  Wwe 2k17 как подключить джойстик

На кабель датчика, прямо поверх изоляции, на расстоянии 4-5 см от клеммы измерительного прибора, желательно защёлкнуть ферритовый фильтр для блокировки возникающих в цеху разнообразных помех по «земле». Такие фильтры производятся под кабели разных диаметров. Фильтры желательно защёлкнуть и на других длинных линиях, например RS-485, на приёмном и передающем устройстве. Если индуктивности одного фильтра недостаточно для надёжного уменьшения уровня помехи, такие фильтры можно защёлкивать последовательно на небольшом расстоянии друг от друга, наращивая тем самым индуктивность до необходимого уровня.

Как подключить тензодатчик к весовому терминалу

Большинство тензодатчиков поставляется с документацией, в которой указывается цветовая маркировка идущих от него проводов и их назначение. 4-х проводные тензодатчики, судя по названию, имею 4 соединительных линии:

Т.е. две линии это цепи питания и две это выходной сигнал датчика. Для корректной работы необходимо подать питающее напряжение на линии +EXC и –EXC, в соответствии с техническими характеристиками датчика, обычно оно составляет от 5 до 12 вольт. После подачи питания на сигнальных линиях SIG меняется напряжение, и это изменение необходимо фиксировать весоизмерительным прибором.

На рисунке приведена схема подключения тензодатчика четырёхпроводного типа, на примере датчика фирмы Zemic и весоизмерительного прибора КВ-001.

Некоторые тензодатчики могут иметь не четыре, а шесть соединительных проводов. Две дополнительные линии называются – линиями обратной связи, и имеют маркировку SENSE. Эти две дополнительные линии позволяют осуществлять компенсацию потерь на длинных проводах. Как видно из рисунка выше, в случае подключения четырехпроводного тензометрического датчика, функция компенсации потерь не используется, и необходимо использовать перемычки для подключения тензодатчика к прибору.

Четырехпроводные тензодатчики датчики лучше использовать на короткие расстояния передачи сигнала. Шестипроводные датчики, благодаря линиям обратной связи, обладают большей точность и их можно использовать для больших расстояний, т.к. эти две дополнительные линии позволяют осуществлять компенсацию потерь на длинных проводах.

На рисунке приведена схема подключения тензодатчика шестипроводного типа, на примере датчика фирмы Zemic и весоизмерительного прибора КВ-001.

Проверка весовых тензодатчиков является обязательным этапом подготовки измерительного прибора к работе и проводится сразу после подключения всех контактов устройства. Исправность изделия проверяется тремя способами:

Настройку тензоизмерений производят с помощью компьютерной программы Тензометр. Операционная система позволяет осуществлять измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензостанции ZET 017-T. С её настройкой можно проводить измерения силы, крутящего момента, веса и смещений.

Самописец программы отображает фиксированные результаты в почасовом режиме. Статистика показаний отображается графически и в табличном виде.

Комплекс измерений формируется выбором нужных характеристик в поле «Параметры» на интерфейсе программы. К ним относятся:

Для его настройки пользуются окном программы – «Тензорезистор». Для выбора процесса измерений используют раздел «Файл калибровки». Высвечивается поле «Показания». В нём указываются данные датчика.

Используют поле программы – «Тензодатчик». Для настройки применяют два параметра: это чувствительность и предел измерений.

Программа поддерживает многоканальные режимы измерений. Их использует при установке на объект группы датчиков.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

Из недостатков следует отметить:

Какой купить тензодатчик

Чтобы купить тензодатчик, который будет справляться с возложенными на него задачами в полном объеме, необходимо правильно выбрать его модель. Эти устройства могут быть разных видов, предназначенными для применения в определенных отраслях (фармацевтика, работа с атомами, металлургия и т. д.).

Тензодатчики производят в следующих модификациях:

В повседневной жизни применяются только те виды тензодатчиков, которые необходимы для взвешивания. Они могут быть S-образными, консольными, бочковыми и шайбовыми. Подходящий вариант подбирается с учетом предстоящей области использования.

При выборе тензодатчиков важно обращать внимание на метрологические характеристики. Для высокоточного весового оборудования используют класс точности не ниже C3. Чтобы быть уверенным в качестве продукции рекомендуем выбирать тензометрические датчики с гарантией. Для надёжной работы мы советуем покупать тензодатчики Sierra

Какие отличия данных тензодатчиков для весов

Можно назвать такие отличительные качества тензодатчиков для весов:

Не менее известным производителем является отечественный бренд Zemic.

В чем преимущества продукции фирмы? Перечислим приоритеты выбора продукции Zemic.

Компания выпускает датчики различных модификаций с целью обеспечения клиентов всеми необходимыми видами данной продукции под их потребности.

Как осуществить подключение тензодатчиков самостоятельно? Во-первых, нужна соответствующая схема. Покупаете прибор, учитывая при этом, сколько вам понадобится кабеля. Далее необходимо узнать, насколько успешно состоялось соединение. Проверяем контакты и петли для заземления. Чтобы произвести установку, необходим экранированный кабель. Потом по тому же принципу осуществляется подключение преобразователя в дозатор. Если преобразователь не выдержал усилие и пришел в негодность, не производите ремонтные работы самостоятельно.

Подключение тензодатчика – довольно простой процесс. Но если оно произошло неправильно, то может пострадать точность измерений прибора или система будет работать некорректно. Поэтому следует довольно внимательно отнестись к данному вопросу.

Степень защиты IP68 в смартфонах, часах?

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.

https://youtube.com/watch?v=PnT–5FGnsk%3Ffeature%3Doembed

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.

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.

Примеры использования тензометрических датчиков

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.