Что такое тензодатчик и как он работает

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

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:

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:

Тензометрические датчики: описание, инструкция по применению, характеристики и отзывы

Тензометрические датчики представляют собой устройства, преобразующие измеряемую упругую деформацию твердого тела в электрический сигнал. Это происходит за счет изменения сопротивления проводника датчика при изменении его геометрических размеров от растяжения или сжатия.

Тензометрический датчик: принцип действия

Основным элементом устройства является тензорезистор, закрепленный на упругой конструкции.

Тензодатчики калибруют, ступенчато нагружая заданным возрастающим усилием и измеряя при этом величину электрического сопротивления. Затем по его изменению можно будет определить значения приложенной неизвестной нагрузки и пропорциональной ей деформации.

В зависимости от типа датчики позволяют измерить:

  • силу;
  • давление;
  • перемещение;
  • крутящий момент;
  • ускорение.

Даже при самой сложной схеме нагружения конструкции действие на тензорезистор сводится к растяжению или сжатию его решетки вдоль длинного участка, называемого базой.

Какие применяются тензометрические датчики

Больше всего распространены типы тензометрических датчиков с изменением активного сопротивления при механическом воздействии — тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы Наиболее простым примером является прямолинейный отрезок тонкой проволоки, который крепят на исследуемой детали. Его сопротивление составляет: r = pL/s, где p — удельное сопротивление, L — длина, s — площадь сечения. Вместе с деталью упруго деформируется наклеенная проволока. При этом меняются ее геометрические размеры.

При сжатии поперечное сечение проводника увеличивается, а при растяжении — уменьшается. Поэтому изменение сопротивления меняет знак в зависимости от направления деформации. Характеристика является линейной. Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения. Для этого его делают в виде спирали ( решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги.

Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.

Проволочные тензодатчики имеют следующие достоинства:

  • простота конструкции;
  • линейная зависимость от деформации;
  • небольшие размеры;
  • малая цена.

К недостаткам относятся низкая чувствительность, влияние температуры среды, потребность в защите от влаги, применение только в области упругих деформаций. Проволока будет деформироваться в том случае, когда сила сцепления с ней клея значительно превосходит усилия, требуемые для ее растяжения. Отношение поверхности склеивания к площади поперечного сечения должно быть 160 к 200, что соответствует ее диаметру 0,02—0,025 мм. Допускается его увеличение до 0,05 мм. Тогда при нормальной работе тензорезистора клеевой слой не разрушится. Кроме того, датчик хорошо работает на сжатие, поскольку нити из проволоки составляют одно целое с пленкой клея и деталью.

Тензодатчики из фольги

Параметры и принцип действия фольгового тензодатчика те же самые, что и у проволочных. Только материалом является фольга из нихрома, константана или титан-алюминия. Технология изготовления методом фотолитографии позволяет получить сложную конфигурацию решетки и автоматизировать процесс.

Читайте также  Можно ли подключать сварочный аппарат к бытовой сети 220В?

По сравнению с проволочными, фольговые тензометрические датчики более чувствительны, пропускают больший ток, лучше передают деформацию, имеют более прочные выводы и сложней рисунок.

Полупроводниковые тензодатчики

Чувствительность датчиков приблизительно в 100 раз выше проволочных, что позволяет часто применять их без усилителей. Недостатками являются хрупкость, большая зависимость от окружающей температуры и значительный разброс параметров.

Характеристики тензорезисторов

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.

Схемы включения тензометрических датчиков

Для измерения малых электрических сигналов наилучшим вариантом является мостовое включение, в центре которого находится вольтметр.

Простейшим примером будет тензометрический датчик, схема которого собрана по принципу электрического моста, в одно из плеч которого он подключен. Его сопротивление в ненагруженном состоянии будет таким же, как и у остальных резисторов. В этом случае прибор покажет нулевое напряжение.

Принцип работы тензометрического датчика заключается в увеличении или снижении величины его сопротивления в зависимости от того, будут усилия сжимающими или растягивающими.

На точность показаний значительное влияние оказывает температура тензорезистора. Если в другое плечо моста включить аналогичное тензосопротивление, которое не будет нагружаться, оно будет выполнять функцию компенсационного при тепловых воздействиях.

В измерительной схеме также должны учитываться значения электрических сопротивлений проводов, подключенных к резистору. Их влияние уменьшается за счет добавления еще одного провода, подключенного к ка выводу тензорезистора и вольтметру. Если на упругий элемент наклеить оба датчика таким образом, чтобы их нагрузки отличались по знаку, сигнал усилится в 2 раза.
При наличии в схеме четырех датчиков с нагрузками, обозначенными на схеме выше стрелками, чувствительность значительно возрастет. При таком подключении проволочных или фольговых тензорезисторов обычный микроамперметр даст показания без усилителя электрических сигналов. Важно точно подобрать номиналы сопротивлений с помощью мультиметра, чтобы они были равны между собой в каждом плече электрического моста.

Применение тензометрических датчиков в технике

Часть конструкции весов: при взвешивании корпус датчика упруго деформируется, а вместе с ним наклеенные на него тензорезисторы, соединенные в схему. Электрический сигнал передается на измерительный прибор. Мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций и инженерных сооружений в процессе их возведения и эксплуатации. Тензодатчики для измерения усилия деформации при обработке металлов давлением на прокатных станах и штамповочных прессах. Высокотемпературные датчики для металлургических и других предприятий.

Измерительные датчики с упругим элементом из нержавеющей стали для работы в химически агрессивной среде. Стандартные тензометрические датчики выполняются в виде шайб, колонн, простых или двусторонних балок, S-образные. Для всех конструкций важно, чтобы сила прикладывалась в одном направлении: сверху вниз или наоборот.

При тяжелых условиях работы специальные конструкции дают возможность устранить действие паразитных сил. От этого в большой степени зависят их цены. На тензометрические датчики цена составляет от сотен рублей до сотен тысяч. Многое зависит от производителя, конструкции, материалов, технологии изготовления, величин измеряемых параметров, дополнительного электронного оборудования. Большей частью они являются составными частями весов разных типов.

Тензометрические датчики используются и в производстве автомобильных весов. Компания СХТ применяет тензодатчики различных производителей: Россия, Испания, Германия, Корея.

Заключение

Принцип работы всех тензодатчиков основан на преобразовании деформации упругого элемента в электрический сигнал. Для разных целей существуют свои конструкции датчика. Когда выбираются тензометрические датчики, важно определить, имеется ли в схемах компенсация искажающих показания температурных и паразитных механических воздействий.

Тензодатчики – устройство, классические схемы подключения, маркировка, полезная информация для ремонта

Занимаясь ремонтом весоизмерительной техники приходится сталкиваться с некоторым непониманием со стороны механиков такого важного понятия, как принцип работы тензодатчика. Постепенно собралась небольшая коллекция часто задаваемых вопросов и ответов на них. В принципе в интернете и на книжной полке есть достаточно материалов, но, как правило, это в основном информация для инженеров проектировщиков, вызывающая зевоту у инженеров ремонтников. Ответы на вопросы делались на основе практических умозаключений и на основании полученных знаний на лекциях по метрологии, но вполне допускаются ошибки в оконечных выводах, фактически все ответы подкреплены практическими данными. Вопросы будем рассматривать от простого к сложному.

Как правильно называть весовой измерительный датчик для весов

Работая с весами уже более 20 лет, ответ на этот вопрос так и не был найден, поэтому просто перечислим встречавшиеся термины:

  • Датчик ХХХХ (где ХХХХ маркировка датчика), чувствительный элемент — Масса-К
  • Тензометрический датчик (тензодатчик) – CAS
  • Балка – жаргон
  • Мы же будем дипломатично называть — весовой измерительный датчик для весов.

Устройство весового измерительного датчика для весов

Вопрос довольно глобальный, постараемся упростить материал как можно больше, и не вдаться в теоретические выкладки. В самом конце подборки мы все-таки рассмотрим весовой измерительный датчик для весов в более расширенном варианте. А пока, максимально упрощенный вариант.

Классический весовой измерительный датчик для весов на выходе имеет четыре разноцветных провода два — питание (+Ex, -Ex), два — измерительные концы (+Sig, -Sig).

Для справки. Встречаются несколько вариантов обозначения выводов весового измерительного датчика для весов

Питание

Выход

Цепи компенсации (только для 6-проводного варианта)

Иногда встречается вариант с пятью проводами, где пятый провод служит экраном для остальных четырех. Суть работы весовой измерительный датчик для весов проста, на вход подается питание, с выхода снимается напряжение. Выходное напряжение меняется в зависимости от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов (балку).

Основное отличие 6-проводного весового измерительного датчика от 4-проводного

При большой длине проводов от весового измерительного датчика до блока АЦП, сопротивление самих проводов начинает влиять на показания весов.

Существует два решения этой проблемы:

1. Делать длину проводов одной и той же длины, тогда погрешность от сопротивления проводов вносимая в цепь измерения будет заранее известна, и будет скомпенсирована на уровне АЦП.

Для справки. На весах Масса-К серии ВТ было использовано оригинальное решение, АЦП был установлен прямо на весовом измерительном датчике, что позволяло решить проблему сопротивления проводов. Но был допущен серьезный инженерный просчет – переключатель калибровки не был вынесен за переделы весового измерительного датчика, и как результат усложненная процедура калибровки.

2. Добавить измерительную цепь, с помощью которой можно измерить сопротивление провода (а точнее падение напряжения) и в динамике подкорректировать погрешность от сопротивления проводов вносимую в цепь измерения.

Для этих целей добавляют два провода +Sen, -Sen которые и позволяют измерить падение напряжения на проводах, теперь достаточно вычесть это значение из общих измерений и мы получим показания только с тензорезисторов.

Вывод: Из вышесказанного следует, для 4-проводной схемы подключения весового измерительного датчика категорически не рекомендуется изменять (удлинять или укорачивать) длину кабеля от датчика до АЦП. В принципе при изменении длины соединительного кабеля можно сделать повторную калибровку, но вот калибровку термокомпенсации, вряд ли удастся, если это не предусмотрено конструкцией весов

Зачем в балке весового измерительного датчика для весов сделаны отверстия?

Если бы в балке не было отверстий, то вся нагрузка была бы распределена по всей поверхности в равной степени, и выявить деформацию было бы очень трудно. Так как тензорезисторы должны размещаться в местах наибольшего напряжения, то место установки последних делают специально тонким, нагрузка приложенная на конец балки, была максимально выражена в этих самых местах. Для максимального эффекта тензорезисторы строго ориентируют на поверхности балки, строго под самым тонким местом.

Тензорезистор установлен строго по меткам на поверхности балки и в соответствии с метками на подложке.

Двумя отверстиями расположенными рядом достигается эффект – на одной плоскости один датчик работает на сжатие другой на растяжение.

Устройство тензорезистора

Как правило, тензорезистор весового измерительного датчика для весов представляет собой длинный проводник выполненный в виде змейки. При сжатии длина проводника уменьшается и сопротивление уменьшается, при растяжении длина увеличивается и сопротивление увеличивается.

Основной тензорезистор, его положение строго позиционировано, в примере 265 Ом

Измерительный тензорезистор устанавливается строго по меткам, позиционные метки расположены по трем сторонам.

Компенсационный тензорезистор, требования к позиционированию менее жесткие, в примере 20 Ом

Китайский тензодатчик

Несмотря на привычный образ для китайской продукции – товар плохого качества. Китайские тензодатчики обладают довольно хорошими измерительными параметрами, и это не просто цифра на бумажке, а реальная цифра снимаемая с тензодатчика при измерениях. Но без ложки дегтя не обойтись, именно на китайских датчиках первый раз довелось увидеть деформацию балки, видимую даже невооруженным взглядом.

Тензодатчик 6кг (Китай) деформация видна без линейки Тензодатчик 150кг (Китай) и снова деформация видна без измерительных приспособлений

Не то что бы тензодатчики других производителей (не Китай) работают безотказно, например при наезде на тензодатчик машиной, конечно он выходит из строя. Однако на нем просто срезает резьбу. Нарезаем новую резьбу и датчик снова исправен.

Определяем маркировку проводов для измерительного датчика весов

Применяем теорию на практике. В качестве образца рассмотрим датчик с весов CAS DB H, у которого нам надо определить назначения контактов с датчика, а именно входные/выходные цепи.

Для справки. Весы CAS DB H со старым АЦП, дисплей люминесцентный с накалом. Напряжение питания может отличаться от весов с черным АЦП.

Провода имеют цветовую маркировку и их 5 – черный, синий, зеленый, красный, белый. Черный откидываем сразу, он ни с чем не звонится – это экран. Будем отталкиваться от того факта, что большинство датчиков имеют выходное сопротивление измерительного моста кратным 350 Ом, а сами датчики подключены по мостовой схеме. Измеряем сопротивления между всеми выводами, получаем 6 значений:

  1. красный-белый 422 Ом
  2. синий-зеленый 350 Ом
  3. синий-красный 335 Ом
  4. зеленый-красный 335 Ом
  5. синий-белый 261 Ом
  6. зеленый-белый 261 Ом

Способ №1: классический

Более быстрый, но дающий результат, в случае если датчик имеет выходное сопротивление измерительного моста кратное 350 Ом.

Как можно увидеть синий и зеленый провод являются контактами выходного сопротивления измерительного моста, так как сопротивление между ними кратно 350 Ом. Соответственно оставшиеся два контакта красный и белый — это контакты питания датчика.

Читайте также  Как повесить плафон на лампу

Для справки. Остальные данные по сопротивлению проводов весового датчика весов CAS DB H можно посмотреть здесь. Допускается отклонение сопротивления от указанных +-1 Ом. Стандартное напряжение питания датчика – это +5В, но датчики обычно рассчитываются на 12В.

Способ №2: альтернативный

Проверялся только на мостовой схеме, для других схем подключения может не подойти.

Находим контакты с максимальным сопротивлением, красный и белый провод имеют сопротивление больше всех , 422 Ом – это контакты для входного напряжения. Соответственно оставшиеся два синий и зеленый, есть контакты выходного сопротивления измерительного моста.

Мы намеренно опустили определение полярности входных и выходных групп контактов, что бы не перегружать материал информацией.

Определение полярности контактов для измерительного датчика весов (в разработке)

Тут все несколько неоднозначно, по крайней мере, для нас. Поэтому выкладываем только данные практических экспериментов. В качестве объекта измерения выбраны весы CAS DB 1H с тензодатчиком BC-150DB. Зная паспортные данные тензодатчика, имея 4 варианта подключения и зная правильную ориентацию на станине – снимем показания с выходного датчика. Правильное подключение по паспорту.

Вариант 1. (паспортное подключение)

  • 0кг, на выходе 0мВ
  • 20кг, на выходе 1мВ
  • 40кг, на выходе 1,9мВ

Показания родного АЦП с весов

  • 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,160
  • 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,956
  • 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,751

Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.

Вариант 2. (перевернутое подключение)

  • 0кг, на выходе 0мВ
  • 20кг, на выходе 1мВ
  • 40кг, на выходе 1,9мВ

Показания родного АЦП с весов

  • 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,150
  • 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,916
  • 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,679

Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.

Как видно из показаний, данные АЦП несколько отличаются. В рабочем режиме весы начинают «врать», то есть показывать меньший вес, но если весы откалибровать — показания становятся правильными и весы становятся полностью работоспособными.

Вывод

Фактически подключение не влияет на работоспособность весов в целом, но показания при разных подключениях имеют небольшое отличие. Тензодатчик можно заставить работать в обоих подключениях. Два других варианта подключения рассматривать не будем, так как показания вольтметра на выходе получаются отрицательными, а соответственно нас не интересуют.

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.

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.

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.

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.

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.

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 тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как работает тензодатчик?

Тензодатчик – это специальный датчик, который позволяет преобразовывать измеряемую деформацию твердых тел в электрический сигнал.

Тензодатчик

В этой статье мы рассмотрим принцип действия и устройство тензодатчика. Также вы узнаете его сопротивление и преобразующую деформацию.

Особенности работы

Изменение сопротивления проводника тензодатчика во время деформации объясняется по двум причинам:

  1. Изменением геометрических размеров.
  2. Изменением удельного сопротивления материала.

Работа тензодатчика будет характеризоваться коэффициентом тензоустойчивости (S). Найти его можно по следующей формуле:

  • L и R в этой формуле – это длина сопротивления датчика при отсутствии механического напряжения.
  • ?L и ?R – изменение длины и сопротивления в результате воздействия внешнего деформирующего усилия.

Формула также может быть представлена в следующем виде:

Коэффициент тензоустойчивости считается безразмерной величиной и поэтому он может быть, как положительным, так и отрицательным показателем. Для разнообразных металлов значение S может колебаться от – 12.6 до +6. Величина номинального сопротивления тензодатчика находится в пределах от 50 до 1000 Ом.

Важно знать! Проводниковые тензодатчики изготовляют из металлической проволоки. Их диаметр составляет от 0.015 до 0.05 мм.

Наклеиваемый тензодатчик

Наклеиваемый тензодатчик

Наклееваемый тензодатчик также пользуется популярностью. Он представляет собою тонкую проволоку, которая будет сложена в виде решетки. Также она будет обклеена с обеих сторон специальными изоляционными пластинками. Для определения растяжения или сжатия пластинку в обязательном порядке необходимо будет наклеить на поверхность детали с помощью специального клея.

Читайте также  Как поклеить обои двух видов своими руками

Тензодатчики способны воспринимать все деформации наружного волокна детали и реагировать на сжатие или растяжение. Проволочные тензодатчики имеют небольшие размеры и поэтому являются безынерционными. В большинстве случаев подобные датчики размещают в труднодоступных местах. Благодаря ряду достоинств эти устройства действительно приобрели значительную популярность.

Проволочные тензодатчики

Конечно, после детального изучения, наклеиваемого тензодатчика можно выделить и его недостатки. К основному недостатку относится малая величина изменения сопротивления. В связи с этим во время проведения измерения, вам потребуется применять измерительные схемы высокой чувствительности.

Схема наклеиваемого тензодатчика

Проволочные тензодатчики на сегодняшний день применяют при измерении деформаций в деталях разнообразных механизмов. Тензодатчик также является составной частью тензометра. Тензометр – это специальный прибор, который проводит измерения в твердых телах деформаций, возникающих во время нагрузки.

Для измерения разнообразных деформаций датчики будут включаться в мостовые или потенциометрические схемы. Благодаря использованию тензодатчиков у вас появится возможность измерять не только статические, но и динамические деформации.

Чтобы регистрировать сложные деформации тензодатчика специалисты применяют питание измерительных мостов напряжением высокой частоты. Например, изучить сложные деформации можно с помощью оциллогрофа. Теперь вы знаете, как работает тензодатчик и его разновидности. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Особенности применения тензометрических датчиков

В современном производстве достаточно часто возникают ситуации, когда требуется проведение точных замеров уровня деформации объекта, а также его выражение в понятных численных значениях на электроприборах. Разбираться с этой задачей поручено таким устройствам, как тензометрические датчики. Сегодня они представлены на рынке в различных разновидностях, что делает поиск подходящего трудоемкой задачей, требующей хорошего знания технических моментов этих датчиков.

Измерительные приборы

Назначение и классификация

Что такое тензодатчик? Тензометрические датчики были разработаны для использования в составе высокоточного измерительного оборудования. В задачи тензодатчика входит выполнение функций преобразователя для переработки физической величины измеряемого веса в электрический сигнал. Позже этот сигнал также передается на последующее преобразование, которым может заниматься весовой индикатор или процессор. Основным предметом замеров тензометрического датчика является степень деформации объекта в момент, когда его структура нарушается и перестраивается для оказания сопротивления внешней силе, что влияет на него. Датчик улавливает колебания объекта от этого процесса и преобразует их в цифровые сигналы.

тензометрический датчик

Таким образом, тензометрический датчик, применим для целого спектра измерительных задач:

  • Измерение веса.
  • Замеры степени ускорения
  • Контроль перемещения объекта.
  • Замеры крутящего момента.
  • Замеры давления.

цилиндрический и S-образный датчики

Пригодность отдельно взятой модели замерочного устройства для какой-либо из перечисленных задач зависит от его архитектуры и назначения. По последним параметрам тензометрические датчики делятся на:

  • S-образные датчики получили свое название из-за формы корпуса. Их принцип действия включает в себя как реакцию на сжатие объекта измерения, так и на растяжение. В большинстве приборов этот тип тензодатчиков работает именно по последнему принципу.
  • Одноточечные виды в своей конструкции несут всего один датчик замер, который располагается строго по центру платформы. Это делает их одной из самых доступных разновидностей на рынке, встречающейся в торговых и вагонных весах, а также в дозаторах.
  • Колонные тензометрические датчики получили корпуса в виде колонн, которые позволяют им мониторить объект во время его сжатия. Наличие в их конструкции опорных поверхностей позволяет изделию самостоятельно возвращаться в исходное положение после проведения замер. Отличаются применением на весах с высокой грузоподъемностью, позволяя замерять вес крупных транспортных средств.
  • Цилиндрические используются для измерения реакции объекта на сжатие. Не самый богатый функционал этого типа объясняется отсутствием степеней свободы качения. Цилиндрические датчики полезны в вагоноизмерительных весах, т.к. могут работать с большими массами.
  • Мостовые представлены в виде статично закрепленной балки, на центр которой вешается груз. Встретить такие датчики можно в весах для небольших транспортных средств.
  • Балочные. Подобно мостовым, конструкция тензодатчика представлена балкой на неподвижной опоре. Однако, в отличие от аналога, в балонных устройствах основная нагрузка приходится на конец балки.
  • Миниатюрные тензодатчики разработаны для использования в условиях ограниченного пространства и являются самой мобильной разновидностью. Часто применяются в лабораторных условиях и на испытательных стендах.

Технические особенности

Даже при внушительном разнообразии различных моделей тензометрических датчиков, у них есть технические особенности, объединяющие между собой все разновидности устройств. В первую очередь речь о погрешности результатов замер, которая в той или иной степени присуща любому типу весовых тензодатчиков. Тем не менее, в самых современных устройствах для измерения веса устанавливаются электронные модели, которые отличаются повышенной точностью замер степени деформации. Такие устройства относятся к классу С3, который предлагает возможность проведения измерения с погрешностью всего в 0.02 %. Ещё одной интересной деталью функционала тензометрических датчиков является возможность измерительного устройства с несколькими датчиками сохранять свою работоспособность, если один из них выйдет из строя.

тензодатчик

Отдельно стоит подчеркнуть и материалы, из которых выполнены компоненты тензодатчиков. Чаще всего в эксплуатации встречаются изделия на основе легированной стали или алюминия, благодаря которым датчики обладают отличной долговечностью. Для весов, используемых в пищевой промышленности, принято применять датчики из нержавеющей стали, которые отличаются высокой устойчивостью к коррозии и защитой от влаги уровня IP68.

Устройство и принцип работы тензодатчика

Изгиб и форма корпуса играют большую роль в том, как работает тензодатчик. Принцип действия может быть ориентированным на изгиб моста при замере, его сжатие или растяжение. Наполнение корпуса зависит от типа датчика и может включать в себя множество других блоков, включая преобразователи, форматирователи питания и так далее. Например, в каждом цифровом устройстве должен быть преобразователь аналогового сигнала, которые будет производить перевод механических импульсов в электросигналы.

Устройство и принцип работы тензодатчика

Еще одним важным нюансом остается то, является ли датчик резистивным или пленочным, что отражается на принципе его работы. Первый представлен в виде подложки, которая покрытия резистивным слоем. В случае, если речь идет про пленочный датчик, то в качестве покрытия будет использована тонкая и не плотная фольга. На проволочных устройствах именно проволока намотана на ее гибкой поверхности.

Работа измерительных приборов заключается в том, что подложка с датчиками оказывается платформой весов, на которые устанавливается предмет измерения. В зависимости от типа считывающего устройства, обложка либо сгибается, либо растягивается, что в любом случае передает механический импульс, который в электронных моделях преображается в цифровой сигнал и отправляется на дисплей. Как только предмет убирают с весов, обложка возвращается в изначальное положение и импульсы перестают поступать.

Выбрать тензометрический датчик

тензодатчик на стене

Как и у любого другого точного прибора, у тензодатчиков веса есть ряд важных технических и пользовательских критериев, которые должны соблюдаться покупателем, который хочет правильно подобрать себе это устройство:

  • Материал. Основная роль материала, из которого изготовлен корпус и компоненты датчика, сводится к его долговечности и способности выдерживать механические нагрузки. Большинство разновидностей устройств сделано из стали, будь то легированной или нержавеющей. Исключение составляют недорогие одноточечные классы тензодатчиков, которые производятся из алюминия, что не убавляет их технических качеств. Тем не менее, тот или иной вид материала имеет влияние на итоговую стоимость устройства.
  • Схема подключения тензометрического датчика. Тут выбирать придется между четырех- и шестижильной схема подключения датчика. Как правило, последняя требуется в случае, если установка устройства происходит на измерительный прибор с большим количество смежных датчиков, чей уровень сопротивления заметно отличается от устанавливаемой модели.
  • Наибольший предел измерения. Самое важное, что нужно знать об этом критерии — он определяет механическую прочность и грузоподъемность весов под управлением тензометрического датчика. Если замеряемый груз серьезно превышает НПИ, есть риск порчи и деформации самого датчика. Потому следует учитывать то, для каких целей собираются конкретные весы и какие предметы будут проходить замеры на них.
  • Класс точности измерения. Этот параметр обозначается буквами латинского алфавита и цифрами от D1 до С6. Большинство востребованных тензодатчиков обладают погрешностью в пределах указанных классов. При этом, самым распространенным классом является С3, в который входит большинство доступных измерительных устройств.
  • Способ закрепления. По этому критерию выбор довольно разнообразен и должен опираться на удобство пользователя. Среди вариантов есть датчики с фланцевым, линейным и боковым фиксациями. Также возможна установка тензодатчиков через внутреннюю или внешнюю резьбу, в зависимости от того, что позволяет конструкция устройства, в которому он крепится.
  • Тип защиты корпуса от вредных воздействий окружающей среды. Если измерительному прибору предстоит работать в экстремальных условиях или в иной среде, наполненной агрессивными факторами, стоит позаботиться о наличии соответствующей защиты на тензодатчике. Например, подбирать устройство с устойчивостью к химическому воздействию, перепаду температур, грязи и пыли, электромагнитного воздействия и так далее.
  • Номинальный выходной сигнал выражается в mV/V. Именно этот сигнал посылается и преобразуется тензодатчиком в момент, когда происходят замеры груза и его деформации.
  • Гистерезис является максимальным показателем разницы между значениями измерения одной нагрузки при ее увеличении с нуля и отклонении от номинального уровня.

Таким образом, выбор тензодатчика веса требует тщательного изучения его технических параметров и понимания принципов работы устройства, чтобы иметь представления о том, какие показатели обладают наибольшей важностью и при отборе.

Как подключить

Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками в соответствии с простой инструкцией. Важную роль в процессе играет длина кабеля подключения, которую нужно учитывать ещё на стадии подбора датчика. Может потребоваться усилитель в виде контроллера SE 01, который уменьшит погрешность измерений в случае, если потребуется увеличивать размеры контакта для подключения. Провода самих датчиков должны быть заземлены с помощью блока для разветвления, устанавливаемого в одной точке, где они все пересекаются. Данная мера обязательна для предотвращения возможного замыкания.

Схема для подключения тензодатчика

Схема для подключения тензодатчика достаточно проста и подразумевает соединение контактов устройства с измерительным прибором в соответствии с их значениями, описанными на рисунке выше. Кабель, которым монтируется прибор, также нуждается в обязательном экранировании.

После подключения останется провести проверку и калибровку тензометрического датчика. Последняя выполняется одним из двух методов — стандартным или электронным. При первом пользователь записывает значения датчика при нулевой загрузке, после чего устанавливает на весы предмет с эталонным весом, который также вписывается в качестве штатного показателя. Электронный вариант подразумевает ручной ввод минимального и максимального допустимого веса.

Проверка тензодатчика

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

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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