виды, принцип работы и устройство

Технологии 13 февраля 2018

В различных современных сферах жизнедеятельности человека существует необходимость контроля разных конструкций путем замера параметров и текущего состояния данного элемента. Незаменимыми помощниками в таком деле выступают тензометрические датчики.

Ведущие технологии все чаще используют электронные тензодатчики, среди которых наибольшее распространение получили тензорезистивные модели устройства. Тензометрические элементы могут измерять вес, силу, давление, передвижение и т.п.

Широкое применение нашли тензодатчики для весов, промышленных станков, различных двигателей, используются в строительной области и многих других направлениях.

Виды датчиков

В различных промышленных отраслях применяется огромное множество тензометрических преобразователей. Различают следующие типы устройств:

• средства измерения силы – датчики сканируют изменения параметров усилия и нагрузки;
• приборы для измерения проекции ускорения – акселерометры;
• измерительные средства перемещения испытуемых материалов;
• тензометрические устройства давления – характеризуются контролем параметров давления различных элементов в разных средах;
• тензометрические преобразователи крутящего момента.

Для весов тензодатчики являются наиболее типичным конструктивным элементом. В зависимости от применения структуры грузовой принимающей поверхности используются датчики следующих видов:

• приборы консольного типа;
• средства измерения в виде латинской литеры S;
• тензодатчики в форме шайбы;
• приборы измерения, отдаленно напоминающие форму бочки.

Существует классификация измерительных тензодатчиков, зависящая от конструктивной особенности – элемента чувствительности. Исходным материалом определены такие модели:

• проволочные – создаются в форме проволоки, материалом служит двухкомпонентный нихром, элементальное соединение фехраль, термостабильный сплав константан;
• тензометрические датчики из фольги – используются тонкие полоски фольги;
• полупроводниковые датчики – изготавливаются из таких химических элементов, как кремний, галий, германий.

Принцип функционирования

В основе принципа устройства использован тензоэффект. Его суть заключается в изменении рабочего противодействия полу- и проводниковых элементов во время их растяжения или сжатия – механической деформации.

Тензодатчики представляют собой конструктивный набор из тензорезистора, который имеет коммуникативную точку на панели. Последняя соединяется с материалом для измерения. Функциональная схема срабатывания тензометрического датчика заключается в том, что происходит воздействие на элемент чувствительности. Подсоединение прибора к источнику питания проводится при помощи электроотводов, которые имеют контакт с чувствительной пластиной.

Контактные места характеризуются наличием постоянного напряжения. Тензодатчик принимает на себя деталь через специальную подложку. Масса материала прерывает цепь за счет деформационных искажений. Полученный процесс трансформируется в электрический сигнал тока.

Тензометрический датчик давления зачастую используется с тензоусилителями переменного тока. В данной системе совершается амплитудная модуляция напряжения, которая подается непосредственно на преобразовательные датчики.

Устройство тензодатчика

Тензометрическое средство измерения состоит из:

• упругого элемента;
• тензорезистора;
• корпуса прибора;
• герметичного разъема.

Под упругим элементом подразумевается тело, принимающее на себя нагрузку. В основном производится из специальных марок стали, которые заранее прошли термическую обработку. Это оказывает влияние на получение стабильных показаний. Форма изготовления представлена в виде стержня, кольца или консоли. Стержневая конструкция более востребована и широко распространена.

Тензорезистор – это проволочный или фольговый резисторный узел, который приклеивается к стержню. Данная деталь тензометрического датчика меняет свое сопротивление относительно деформации стержня, а деформационное искажение, в свою очередь, пропорционально нагрузке.

Корпус измерительного прибора предохраняет внутреннюю конструкцию от всевозможных механических повреждений, в том числе и от негативных воздействий окружающей обстановки. Корпус соответствует нормам международного стандарта и имеет различные формы.

Герметичный разъем необходим для коммуникации датчика с дополнительным оборудованием (весы, усилители и т.п.) посредством кабеля. Существуют вариативные схемы соединения. Конструктивные особенности некоторых тензодатчиков предусматривают замену кабеля.

Датчики измерения силы

Тензометрические датчики силы имеют другое распространенное название – динамометры. Данные средства измерения являются составной частью весового оборудования. Их необходимость трудно переоценить, так как они функционируют во всех автоматизированных технологических системах любого производства. Они нашли применение в сфере сельского хозяйства, медицине, металлургии, автомобилестроении и т.д.

В данном методе измерений происходит множество манипуляций, и в соответствии с этим различают несколько типов тензодатчиков:

• тактильные – подразделяются на преобразователи усилия, проскальзывания и касания;
• резистивные – используют тензорезистор и имеют линейный сигнал выхода;
• пьезорезонансные – характеризуются прямым и обратным эффектом, который обеспечивает специальный датчик – резонатор;
• пьезоэлектрические – устойчивы к окружающей температуре, высокопрочные, используется непосредственный пьезоэффект;
• магнитные – функционируют на явлении магнитострикции, изменяющей геометрию размеров в магнитной области;
• емкостные – средства измерения параметрического типа, являющиеся конденсатором.

Датчики измерения веса

Тензометрические датчики веса состоят из трех элементов:

1. Тензорезистор.
2. Балка изгиба.
3. Кабель.

Датчики используются в весовом оборудовании промышленного назначения и личного пользования. Более популярны данные средства измерения в производственных сферах и имеют такие типы:

• консольные устройства – алюминиевые или стальные заготовки. Стальные могут быть исполнены в форме бочки или шайбы, обладают высокой герметичностью;
• балочные устройства – измеряют нагрузки на платформенных и мостовых конструкциях.

Преимущества тензодатчиков

Они следующие:

• Высокоточные замеры параметров.
• Не допускают искажения информации.
• Совместимость с замерами напряжений.
• Компактные габаритные размеры.

Недостатком можно считать потерю чувствительности функционирующих элементов при критических перепадах температуры.

Источник: fb.ru

виды, принцип работы и устройство

В различных современных сферах жизнедеятельности человека существует необходимость контроля разных конструкций путем замера параметров и текущего состояния данного элемента. Незаменимыми помощниками в таком деле выступают тензометрические датчики.

Ведущие технологии все чаще используют электронные тензодатчики, среди которых наибольшее распространение получили тензорезистивные модели устройства. Тензометрические элементы могут измерять вес, силу, давление, передвижение и т.п.

Широкое применение нашли тензодатчики для весов, промышленных станков, различных двигателей, используются в строительной области и многих других направлениях.

Виды датчиков

В различных промышленных отраслях применяется огромное множество тензометрических преобразователей. Различают следующие типы устройств:

• средства измерения силы – датчики сканируют изменения параметров усилия и нагрузки;
• приборы для измерения проекции ускорения – акселерометры;
• измерительные средства перемещения испытуемых материалов;
• тензометрические устройства давления – характеризуются контролем параметров давления различных элементов в разных средах;
• тензометрические преобразователи крутящего момента.

Для весов тензодатчики являются наиболее типичным конструктивным элементом. В зависимости от применения структуры грузовой принимающей поверхности используются датчики следующих видов:

• приборы консольного типа;
• средства измерения в виде латинской литеры S;
• тензодатчики в форме шайбы;
• приборы измерения, отдаленно напоминающие форму бочки.

Существует классификация измерительных тензодатчиков, зависящая от конструктивной особенности – элемента чувствительности. Исходным материалом определены такие модели:

• проволочные – создаются в форме проволоки, материалом служит двухкомпонентный нихром, элементальное соединение фехраль, термостабильный сплав константан;
• тензометрические датчики из фольги – используются тонкие полоски фольги;
• полупроводниковые датчики – изготавливаются из таких химических элементов, как кремний, галий, германий.

Принцип функционирования

В основе принципа устройства использован тензоэффект. Его суть заключается в изменении рабочего противодействия полу- и проводниковых элементов во время их растяжения или сжатия – механической деформации.

Тензодатчики представляют собой конструктивный набор из тензорезистора, который имеет коммуникативную точку на панели. Последняя соединяется с материалом для измерения. Функциональная схема срабатывания тензометрического датчика заключается в том, что происходит воздействие на элемент чувствительности. Подсоединение прибора к источнику питания проводится при помощи электроотводов, которые имеют контакт с чувствительной пластиной.

Контактные места характеризуются наличием постоянного напряжения. Тензодатчик принимает на себя деталь через специальную подложку. Масса материала прерывает цепь за счет деформационных искажений. Полученный процесс трансформируется в электрический сигнал тока.

Тензометрический датчик давления зачастую используется с тензоусилителями переменного тока. В данной системе совершается амплитудная модуляция напряжения, которая подается непосредственно на преобразовательные датчики.

Устройство тензодатчика

Тензометрическое средство измерения состоит из:

• упругого элемента;
• тензорезистора;
• корпуса прибора;
• герметичного разъема.

Под упругим элементом подразумевается тело, принимающее на себя нагрузку. В основном производится из специальных марок стали, которые заранее прошли термическую обработку. Это оказывает влияние на получение стабильных показаний. Форма изготовления представлена в виде стержня, кольца или консоли. Стержневая конструкция более востребована и широко распространена.

Тензорезистор – это проволочный или фольговый резисторный узел, который приклеивается к стержню. Данная деталь тензометрического датчика меняет свое сопротивление относительно деформации стержня, а деформационное искажение, в свою очередь, пропорционально нагрузке.

Корпус измерительного прибора предохраняет внутреннюю конструкцию от всевозможных механических повреждений, в том числе и от негативных воздействий окружающей обстановки. Корпус соответствует нормам международного стандарта и имеет различные формы.

Герметичный разъем необходим для коммуникации датчика с дополнительным оборудованием (весы, усилители и т.п.) посредством кабеля. Существуют вариативные схемы соединения. Конструктивные особенности некоторых тензодатчиков предусматривают замену кабеля.

Датчики измерения силы

Тензометрические датчики силы имеют другое распространенное название – динамометры. Данные средства измерения являются составной частью весового оборудования. Их необходимость трудно переоценить, так как они функционируют во всех автоматизированных технологических системах любого производства. Они нашли применение в сфере сельского хозяйства, медицине, металлургии, автомобилестроении и т.д.

В данном методе измерений происходит множество манипуляций, и в соответствии с этим различают несколько типов тензодатчиков:

• тактильные – подразделяются на преобразователи усилия, проскальзывания и касания;
• резистивные – используют тензорезистор и имеют линейный сигнал выхода;
• пьезорезонансные – характеризуются прямым и обратным эффектом, который обеспечивает специальный датчик – резонатор;
• пьезоэлектрические – устойчивы к окружающей температуре, высокопрочные, используется непосредственный пьезоэффект;
• магнитные – функционируют на явлении магнитострикции, изменяющей геометрию размеров в магнитной области;
• емкостные – средства измерения параметрического типа, являющиеся конденсатором.

Датчики измерения веса

Тензометрические датчики веса состоят из трех элементов:

1. Тензорезистор.
2. Балка изгиба.
3. Кабель.

Датчики используются в весовом оборудовании промышленного назначения и личного пользования. Более популярны данные средства измерения в производственных сферах и имеют такие типы:

• консольные устройства – алюминиевые или стальные заготовки. Стальные могут быть исполнены в форме бочки или шайбы, обладают высокой герметичностью;
• балочные устройства – измеряют нагрузки на платформенных и мостовых конструкциях.

Преимущества тензодатчиков

Они следующие:

• Высокоточные замеры параметров.
• Не допускают искажения информации.
• Совместимость с замерами напряжений.
• Компактные габаритные размеры.

Недостатком можно считать потерю чувствительности функционирующих элементов при критических перепадах температуры.

7. Тензодатчики | 8. Применение электрических сигналов | Часть1

7. Тензодатчики

Тензодатчики

Если полоску проводящего металла растянуть, то она станет тоньше и длиннее, что приведет к увеличению сопротивления между ее концами. И наоборот, если такую полоску поместить под тяжелый предмет, то она станет шире и короче, а сопротивление ее уменьшится. Если эти усилия останутся в рамках предела упругости металлической полоски (деформация обратима), то ее можно использовать для измерения физической силы. По изменению сопротивления полоски можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.

Описанное устройство называется тензометрическим датчиком, или просто тензодатчиком. Тензодатчики чаще всего используются в научных исследованиях машиностроения для измерения деформаций, произведенных различными механизмами. Тестирование элементов конструкции самолетов является одной из областей их применения. Небольшие тензометрические полоски приклеиваются к конструктивным элементам, местам соединений и другим важным компонентам планера для измерения деформаций, созданных динамическими силами. Большинство тензодатчиков своими размерами не превышают почтовой марки, и выглядят примерно так:

 

 

Проводники тензодатчика должны быть очень тонкими, ели они изготавливаются из круглого провода, то их диаметр не должен превышать 1/1000 дюйма. В качестве альтернативного материала для проводников тензодатчика зачастую используют тонкие полоски металлической пленки, нанесенные на непроводящую подложку. Последняя форма тензодатчика представлена на предыдущей иллюстрации. Тензодатчики обычно приклеиваются к более крупной конструкции, находящейся под воздействием определенной силы (испытательному образцу).

Сопротивление тензодатчиков в состоянии спокойствия обычно находится в пределах от 30 Ом до 3 кОм. Под воздействием максимальной физической силы, с учетом ограничений, накладываемых пределами упругости материалов тензодатчика и испытательного образца, это сопротивление может измениться только на доли процента. Сила, способная вызвать большие изменения сопротивления, приведет к необратимой деформации испытательного образца и/или тензодатчика, сделав их непригодными для использования в качестве измерительных устройств. Отсюда можно сделать вывод, что нам придется измерять очень малые изменения сопротивления с высокой точностью.

Для этой цели как нельзя лучше подойдет мостовая схема. В отличие от моста Уитстона, описанного в предыдущем разделе,  в котором состояние равновесия поддерживается при помощи нуль-детектора и человека-оператора, в мостовой схеме с тензодатчиком используется находящийся в центре моста точный прецизионный вольтметр, обеспечивающий точное измерение дисбаланса по которому можно судить о степени деформации:

 

 

В этой схеме, как правило, сопротивление резистора R₂ устанавливается равным сопротивлению тензодатчика в спокойном состоянии. Сопротивления резисторов R₁ и R₃ так же подбираются равными друг другу. Таким образом, если к тензодатчику не приложено никакой силы, мост будет симметрично сбалансирован и вольтметр покажет напряжение 0 вольт. Как только мы сожмем или растянем тензодатчик, сопротивление его соответственно увеличится или уменьшится, произойдет разбалансировка моста и вольтметр покажет нам некоторое напряжение.

Так как расстояние между тензодатчиком и тремя другими резисторами мостовой схемы могут быть значительными, сопротивление проводов может оказать существенное влияние на работу схемы. Чтобы проиллюстрировать эффект сопротивления проводов, мы покажем ту же самую схему, но добавим в нее два последовательных с тензодатчиком резистора, которые обозначат провода:

 

 

Сопротивление тензодатчика (R_{тензодатчика}) в данной схеме не является единственным измеряемым сопротивлением: на показания вольтметра будут так же влиять последовательно включенные сопротивления проводов R_{провода1} и R_{провода2}. Этот фактор может привести к неверной интерпретации силы, примененной к датчику.

Несмотря на то, что данный эффект невозможно устранить полностью, его можно значительно минимизировать путем добавления третьего провода, соединяющего правую сторону вольтметра с верхним выводом тензодатчика:

 

 

Поскольку в третьем проводе ток фактически отсутствует (из-за высокого внутреннего сопротивления вольтметра), его сопротивление не вызовет сколько нибудь значимого падения напряжения. Можно сказать, что мы «обошли» сопротивление верхнего провода (R_{провода1}) путем подключения вольтметра непосредственно к верхнему выводу тензодатчика. В данном случае у нас остается только паразитное сопротивление нижнего провода. Это, конечно, не идеальное решение проблемы, но все же оно лучше, чем предыдущая схема.

Существует еще один, гораздо более эффективный, способ борьбы с паразитными сопротивлениями, который, к тому же, помогает смягчить другой вид погрешности — изменение сопротивления при изменении температуры. Последняя особенность в той или иной мере характерна для всех проводников. Решить обе эти проблемы можно путем использования компенсационного тензодатчика (не подвергается воздействию физической силы) вместо резистора R_2, который наклеивается на образец из такого же материала, что и испытуемый, и размещается рядом с ним. Теперь изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления обоих тензодатчиков, сохраняя тем самым баланс мостовой схемы:

 

 

В данной схеме резисторы R₁ и R₃ имеют одинаковые значения сопротивления, а тензодатчики идентичны друг другу. При отсутствии приложенной силы, мост находится в идеально сбалансированном состоянии и вольтметр показывает 0 вольт. Оба датчика соединены с одинаковыми образцами испытуемого материала, но только один из них подвергается физическим нагрузкам (активный датчик). Другой датчик изолирован от всех механических воздействий, и действует только как устройство температурной компенсации ( компенсационный датчик). Если температура окружающей среды изменится, то сопротивления обоих тензодатчиков изменятся на одинаковый процент, в результате чего баланс мостовой схемы сохранится. Повлиять на балансировку моста в этом случае может только изменение сопротивления активного тензодатчика в результате воздействия на него физической силы.

Провода, соединяющие оба тензодатчика с мостом, тоже не будут влиять на точность схемы, потому что они имеют примерно одинаковую длину, и их паразитные сопротивления компенсируют друг друга:

 

 

Несмотря на то, что в данной схеме имеется два тензодатчика, только один из них реагирует на приложенную физическую силу. Давайте исправим такое положение дел, и расположим верхний тензодатчик таким образом, чтобы на него воздействовала сила противоположная той, которая воздействует на нижний датчик (т.е. когда верхний датчик сжат, нижний будет растянут, и наоборот). В этом случае мост будет более чутко реагировать на приложенную силу:

 

 

На следующей иллюстрации показан пример того, как два тензодатчика могут быть связаны с испытательной конструкцией:

 

 

При отсутствии приложенной силы тензодатчики имеют одинаковое сопротивление, и мост находится в сбалансированном состоянии. Если к свободному концу испытательной конструкции приложить силу, то она прогнется вниз, растянув при этом тензодатчик 1 и сжав тензодатчик 2:

 

 

Для еще большей чувствительности, в мостовую схему можно включить четыре активных тензодатчика:

 

 

Несмотря на то, что мостовые схемы с двумя и четырьмя активными тензодатчиками обладают большей чувствительностью в сравнении со схемой с одним датчиком, зачастую бывают такие ситуации, в которых на испытуемой конструкции невозможно разместить все датчики. В таких случаях не остается другого выбора, как использовать только один тензодатчик.

И все же, когда имеется возможность, то лучше использовать схему с четырьмя датчиками. Делать это нужно не только потому, что такая схема обладает большей чувствительностью, но и потому, что она более линейная. Если в схемах с одним и двумя активными датчиками сигнал приблизительно пропорционален приложенной силе, то в мостовой схеме с четырьмя тензодатчиками он прямопропорционален этой силе.

Тензодатчики веса: схема подключения и применение

В различных отраслях промышленности, а также в повседневной жизни достаточно широко используются тензодатчики, представляющие собой несложные приборы электромеханического действия. В каждом из них размещается механическое регистрирующее устройство, деформация которого преобразуется в электрический сигнал. На этом принципе работают тензодатчики веса, схема подключения которых может осуществляться в нескольких вариантах.

Тензодатчики: принцип работы и применение

Все тензодатчики работают на принципе изменяющегося сопротивления в процессе механического воздействия на проводник. Простейшее конструктивное исполнение тензодатчика для весов сделано в виде проводниковой мелкоячеистой сетки, закрепленной на токопроводящей основе. В качестве такой основы может использоваться металлическая фольга. Полученный прибор при ударе или надавливании способен точно определить основные параметры такого воздействия: где, когда и с какой силой был нанесен удар.

Основная роль тензора в подобных ситуациях – своевременная сигнализация о воздействии. Чтобы полученные данные обрели необходимый формат, к тензодатчику веса подключаются дополнительные устройства.

В тензорных регистрирующих приборах для исполнительной схемы используется проволочный вариант, в котором присутствуют петли, перемычки и витки. Приборы с более высокой сложностью изготавливаются с применением фольгированных комбинированных схем. Это позволяет получать точные сведения при однокомпонентных, двух- и трехмерных и кольцевых деформациях.

Фиксация изменений сопротивления во время расширения или сжатия полупроводниковых и проводниковых пластин получила название тензорезистивного эффекта. В этом случае деформации подвергается сама атомарная структура какого-либо материала. Благодаря этим свойствам было создано много тензорезистивных приборов, нашедших широкое применение в различных областях.

В первую очередь эти физические свойства используются в тензодатчиках веса, устанавливаемых в бытовых напольных весах, в электронных весах магазинов, а также во многих промышленных установках, предназначенных для взвешивания крупногабаритных грузов. Тензодатчики веса выпускаются в широком ассортименте, что позволяет легко подобрать требующуюся комплектацию для конкретного случая. Кроме различных типов весов, эти приборы используются в балочных весовых регистраторах, измеряющих весовые нагрузки в мостовых и платформенных конструкциях. С их помощью регистрируется величина деформационного сдвига или изгиба.

Схемы подключения тензодатчиков

Тензодатчики веса подключаются к индикатору или весовому терминалу двумя основными способами. Как правило, используется четырехпроводной или шестипроводной вариант. В основном, когда применяются тензодатчики веса, схема подключения бывает с помощью четырех проводов.

На различные типы весов грузоприемных устройств устанавливаются тензодатчики разных типов. Например, в автомобильных весах грузоприемные устройства выполняются в виде сборной конструкции. В этом случае применяются две полуплатформы, размещаемые на восьми тензодатчиках – по четыре на каждую из них. Обе группы приборов подключаются с помощью специальных суммирующих плат, объединяющих сигналы, поступающие с тензодатчиков. Они же выравнивают и угловые нагрузки за счет подключения в цепь дополнительных резисторов.

Четырехпроводная схема очень удобна, когда длина кабелей остается неизменной, а также отсутствует необходимость в компенсации температуры, влияющей на сопротивление кабелей. Данная схема очень простая для монтажа и подключения. В случае необходимости улучшить метрологические характеристики весов, применяется схема с шестью проводами, полностью компенсирующая внешние воздействия, в результате которых происходит изменение сопротивления в питающих кабелях.