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):

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):

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):

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.

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.

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.

Схемы подключения

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

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:

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.

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:

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:

Диапазон измерений – определяет границы весовой нагрузки, которую сможет фиксировать тензодатчик;
Класс точности – выбирается в зависимости от параметров оборудования и требований к точности измерений;
Схема подключения – по количеству подключаемых выводов может использоваться четырех или шестипроводная схема;
Термокомпенсация – для тензодатчиков, где необходима высокая точность измерений, важно учитывать влияние температуры окружающей среды, применяются термокомпенсирующие элементы;
Степень защиты – обозначается индексом IP и определяет устойчивость к воздействию пыли и влаги на тензодатчик.

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).

весов

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.

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.

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.

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.

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:

красный-белый 422 Ом
синий-красный 335 Ом
зеленый-красный 335 Ом
синий-белый 261 Ом
зеленый-белый 261 Ом

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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 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 термопара, принцип действия, основные виды и типы

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Тензодатчики — особенности и принципы работы

При внедрении производственного оборудования с автоматизированным управлением возникает необходимость точно определить массу материалов, сырья и готовой продукции в точках контроля. Например, в емкости, бункере, на транспортерной ленте. Когда сделать это механическими пружинными весами невозможно, на помощь приходят тензодатчики — небольшие устройства для измерения веса, которые устанавливаются в оборудование. О принципе работы тензорных датчиков, правилах замены дорогих зарубежных моделей на российские аналоги — в этом материале.

Принцип работы тензодатчика

Под воздействием механической нагрузки некоторые вещества меняют свое электрическое сопротивление. Тензочувствительность у разных материалов отличается. Если для металлической фольги коэффициент составляет от 2 до 5 единиц, то для кремния диапазон шире: от -125 до 200. Разрабатывая тензодатчики под конкретные нужды производители подбирают материал, исходя из тензочувствительности требуемой в конкретном применении и других технических характеристик.

Тензодатчик измеряет вес от 500 граммов до 600 тонн и более. Для каждой модели производитель заявляет пределы и точность измерения. Превышать указанный предел нагрузки запрещается. Это вызывает снижение точности, а при существенном увеличении запредельной нагрузки повлечет разрушение датчика и выход его из строя.

Тензодатчики рассчитан на определение одного из видов деформации: давление, растяжение, сдвиг, кручение. Они компактны. Тензодатчики размещают в опорах платформ, в точке подвеса емкости или внутрь цистерны. В последнем случае используются мембранные тензорезисторные датчики. Во влажных средах используются тензодатчики в защищенном от воды и пыли корпусе из нержавеющей стали, сплавов, устойчивых к коррозии.

Цифровые и аналоговые

Тензорные датчики, в зависимости от формата выходного сигнала, бывают аналоговыми или цифровыми. В отличие от других измерительных приборов, существенных преимуществ в точности у цифровых моделей нет. В обоих типах используются аналогичные рабочие элементы. Точность измерения и надежность у них одинаковая

Отличие состоит в аналого-цифровом преобразователе, АЦП, который интегрирован в корпус цифрового тензорного датчика. Оборудованию, к которому подключен, он передает вес в закодированном виде. Цифровой сигнал менее аналогового подвержен искажению при передаче. Снижается его качество, но значение массы, передаваемое в виде кода, не изменяется.

По этой причине цифровые тензодатчики имеют увеличенное расстояние подключения, до 1200 метров. Для сравнения, у аналогового максимальная дальность не превышает 200 метров. Кроме того, для подключения к цифровой аппаратуре и компьютерам датчикам с АЦП не требуется дополнительных преобразователей и промежуточных устройств.

Преимущества аналоговых тензодатчиков — сравнительно меньшая стоимость и потенциально большая надежность. Оба плюса — следствие простой конструкции аналогового тензорного датчика. Чем меньше электронных компонентов используется при производстве, тем дешевле технология, надежнее конструкция.

Можно ли заменить тензодатчик на аналогичный

При разработке проектов весового оборудования одним из способов экономии является замена дорогих импортных датчиков доступными моделями. Это можно сделать без потери точности и надежности системы. Можно выделить два правила:

Замена цифровых тензодатчиков на модели других производителей не рекомендуется. Формат данных, выдаваемых измерителем, может быть несовместим у разных производителей. Замена возможна только на модели того же бренда и на аналоги, для которых производитель заявил совместимость с данной маркой оборудования.

Замена аналоговых тензодатчиков возможна. У разных производителей они различаются только типом подключения: четырехпроводное или шестипроводное. В остальном это обычные тензорезисторы, без закрытых форматов передачи. Поэтому, если датчик имеет аналогичные характеристики и тип подключения, оборудование будет работать корректно, как и с оригиналом.

Российские производители выпускают тензодатчики, способные заменить импортные стоимостью в 1,5-2 раза меньше. Их использование не снизит точность измерений и не уменьшит надежность системы.

Тензорные датчики ТОКВЕС

Компания ТОКВЕС — пример российского производителя, выпускающего компоненты весовых систем, сравнимые по качеству с европейскими аналогами. На предприятии реализован полный цикл производства. Разработка осуществляется собственным конструкторским бюро, есть свои программисты и сервисные инженеры.

Устанавливая датчики ТОКВЕС, заказчики снижают стоимость проекта и получают двухуровневую техническую поддержку. В части производственного оборудования консультирование осуществляется производителем. По эксплуатации установленных датчиков — инженерами ТОКВЕС.

Еще один важный момент — российские компоненты поставляются быстрее импортных. В случае выхода датчика из строя, время ожидания — важный момент. Простои производственного оборудования на время ремонта влекут существенные затраты, срыв графиков производства.

На официальном сайте компании ТОКВЕС можно найти вариант подбора аналогов тензодатчиков для замены оригинальных моделей других производителей. Предприятие поставляет более 1250 типоразмеров для десятков брендов, таких как CAS, HBM, Tedea-Huntleigh, VELOMAT, Scaime, Mettler Toledo. Большинство моделей относятся к классу точности С3. Комбинированная погрешность измерений составляет не более 0,02%.

Ознакомится с тензодатчиками ТОКВЕС можно на официальном сайте компании. Оказывается техническая консультация по подбору аналогов для установленного оборудования. Инженеры компании участвуют в разработке индивидуальных проектов для предприятий при модернизации цехов и развертывании нового производства.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Что такое тензодатчик и как он работает

Виды и сфера применения
Устройство и принцип действия
Схема подключения

Виды и сфера применения

Для начала разберемся в принципе действия тензометрических датчиков. При воздействии на тело внешних сил оно деформируется, противодействует приложенной силе. За счёт деформаций корпуса датчика происходит воздействие на измерительный элемент тензодатчика. В результате устройство выдаёт электрический сигнал, считывая который система обработки выдаёт результат измерений. Но для чего нужен такой тип устройств?

Тензометрические датчики используются для:

Измерения веса. При этом в зависимости от конструкции измерительного узла могут использоваться на сжатие или на растяжение. Соответственно их назначение – измерение веса на платформах (например, весы в магазинах) или на подвесе (краны и прочее).
Измерения давления. Например, в трубопроводах газов и жидких веществ.
Измерения крутящего момента (на двигателях автомобилей или станков).
Определения ускорения.
Контроля перемещения.

По типу измерительного элемента и принципа работы тензодатчики делятся на:

Тензорезистивные.
Пьезоэлектрические.
Оптико-поляризационные.
Волоконно-оптические.
Пьезорезистивные.

Конструктивные особенности тензодатчика определяет то где он применяется, ведь конструкция определяет наличие монтажных отверстий и векторов возможного приложения сил, соответственно и самого процесса измерения. По форме также тензометрические датчики бывают разных типов:

Консольные. Назначение таких устройств – измерение количества веществ в дозаторах, конвейерных, платформенных, бункерных и напольных весах.
Цилиндрические. Применяются для взвешивания вагонов, автомобилей, баков и емкостей – там, где нужно измерять большие веса.
S-образные, срабатывают на растяжение, подходят для измерения веса, поднимаемого краном и в других подобных конструкциях.

На практике тензометрические датчики могут производиться в совершенно разнообразном исполнении.

Устройство и принцип действия

Для измерения давления или веса используется тензодатчики, все они выдают электрический цифровой или аналоговый электрический сигнал при изменении формы чувствительного элемента. Но из чего они состоят?

Основа или корпусы бывают разных типов, от этого зависит, куда вы сможете установить датчик. А также то, в каком направлении он работает – на сжатие, растяжение или на изгиб.

В корпусе тензодатчика кроме чувствительного элемента могут находиться и дополнительные блоки, например, АЦП, формирователи питания и пр. Если тензометрический датчик цифровой, то и блок для преобразования аналогового сигнала (АЦП). Рассмотрим принцип работы чувствительного элемента тензометрического датчика на примере тензорезистивного компонента – они нашли наиболее широкое применение.

Тензометрический датчик резистивного типа представляет собой гибкую плёнку или подложку, на которую нанесён резистивный слой. Если это плёночный датчик – тонкое напыление или фольга, если проволочный — на гибкой подложке размещена проволока. Напыление или проволока укладываются в извилистую линию.

При механическом воздействии на подложку он изгибается, в результате чего плёнка, фольга или проволока растягивается. Соответственно в натянутом состоянии изменяется (уменьшается) её площадь поперечного сечения и сопротивление увеличивается. При снижении давления подложка возвращается в исходное положение, резистивный слой тоже, а его сопротивление начинает уменьшаться и возвращаться к норме.

Пьезоэлектрические чувствительные органы работают напротив. При давлении на пьезокристалл возникает ЭДС, тогда как у пьезорезистивных датчиков из тонких плёнок полупроводников также изменяется сопротивление.

Ещё можно встретить и емкостные датчики – это приборы, принцип работы которых заключается в измерении ёмкости между гибкими пластинами. А также электромагнитные устройства, в которых под воздействием на магнитопровод изменяются характеристики контура.

Схема подключения

Как работает тензодатчик мы разобрались. Теперь следует ознакомиться со схемой подключения. Блок схема устройства, которое считывает сигнал, изображена на рисунке ниже. На ней вы видите один из вариантов усиления и преобразования сигнала с датчика.

Если рассмотреть тензорезистивный датчик, то реально он представляет собой мост из резисторов, включённый следующим образом. Такая схема включения называется «Мост Уинстона» или измерительный мост.

Для его работы недостаточно подключить лишь сигнальные провода, нужны еще и провода питания. В некоторых сложных системах могут подключаться еще и провода для термостабилизации или других функций.

На видео подробно рассказывается, что собой представляют тензометрические датчики и как они работают:

Современные тензометрические датчики в зависимости от своего назначения могут использоваться в установках для измерения от долей грамм до сотен тон. Соответственно для каждого диапазона весов подбираются тензодатчки определённой конструкции и типа чувствительного элемента. Кроме измеряемых весов немаловажную роль в выборе контрольно-измерительной аппаратуры играет и условия, в которых они будт работать, а также требуемый класс точности.

Материалы по теме:

Источник: gk-rosenergo.ru