Тензометрический усилитель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

««949

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 25.07.80 (21) 2969735/18-21 с присоединением заявки М (23)Приоритет (5l)N. Кл.

G 01 В 7/16

3Ьеудврстеениый комитет

СССР (53) УДК 621 ° 375.024(088.8) ео делам изебретеиий и открытий

Опубликовано 07. 08. 82. бюллетень йе 29 дата опубликования описания 09.08 82 (72) Автор изобрете имя

1 е

А. М. Зражевский

oj»Ф ордена Ленина оватвтть Ского уКа ц) «,аеаа у, Научно-исследовательский сектор Всесоюз проектно-изыскательского и научно-иссле института 1идропроект» им. С.Я. (71) Заявитель (54) ТЕНЗОИЕТРИ4ЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для усиления сигналов от мостов, образованных резисторами, индуктивностями или емкостями, предназначенными для электрических измерений неэлектрических величин.

Известен тензометрический усилитель, содержащий генератор синусоидальных колебаний, выход которого подключен к одной диагонали моста, к другой диагонали подключен усилитель переменного тока. Выход усилителя подключен к фазочувствительному детектору, выход которого подключен к регистрирующему прибору, причем управляющий вход фазочувствительного детектора подключен к выходу генератора Pl).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является тензометрический усилитель, содержащий генератор синусоидальных колебаний, выход которого подключен к одной диагонали моста, другая диагональ с которого подключена к дифференциальному усилителю, и последовательно соединенные фаэочувствительный детектор и регистрирующий прибор, причем управляющий вход фазочувствительного детектора подключен к выходу генератора f2).

10 Недостатком известных тензометрических усилителей является низкая точность измерений вследствие влия- ния реактивных составляющих (для мостов из резисторов) или активных составляющих (для мостов иэ индуктивностей), 4ель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, го .что в тензоиетрическии усилитель, содержащий генератор синусоидальных колебаний, выход которого подключен ,к одной диагонали моста, другая диа949333 гональ которого подключена к дифференциальному усилителю, и последовательно соединенные фазочувствительный детектор и регистрирующий прибор, причем управляющий вход фаэочувствительного детектора подключен к выходу генератора, дополнительно введены два управляемых усилителя, две схемы выделения управляющего сигнала, фазосдвигающий усилитель и последователь- 1о но соединенные фазочувствительный детектор и регистрирующий прибор, причем вход и выход каждого управляемого усилителя подключены соответственно к выходу дифференциального усилителя и входам фазочувствительных детекторов, а управляющие входы управляемых усилителей подключены к выходам схем выделения управляющего сигнала, вход одной из которых подключен к выходу генератора непосредственно, а вход другой — через фазосдвигающий усилитель, причем управляющий вход дополнительного фазочувствительного детектора подключен к выходу фаэосдвигающего усилителя.

На чертеже представлена блок-схема тензометрического усилителя.

Тензометрический усилитель содержит генератор 1 синусоидальных колебаний, выход которого подключен к одной из диагоналей моста 2, другая диагональ которого подключена к дифференциальному усилителю 3, выход KG торого подключен к последовательно соединенным первому управляемому усилителю 4, фаэочуствиительному детектору 5 и регистрирующему прибору

6. К выходу генератора 1 подключены входы фаэосдвигающего усилителя 7 о и первой схемы 8 выделения управляющего сигнала, а вход второй схемы

9 выделения управляющего сигнала подключен к выходу фазосдвигающего усилителя 7. К выходу дифференциального усилителя 3 подключены последователь- 5 но соединенные второй управляемый усилитель 10, фазочувствительный детектор 11 и регистрирующий прибор 12.

Управляющие входы усилителей 4 и 10 подключены к выходам схем 8 и 9 выделения управляющего сигнала, а управляющие входы фазочувствительных детекторов 5 и 11 — к выходу генератора 1 и выходу фазосдвигающего усилителя 7. 55

Тензометрический усилитель работает следующим образом.

Выходное напряжение моста 2 усиливается дифференциальным усилителем 3, который подавляет синфазные помехи.

Выходной сигнал усилителя 3 усиливается управляемым усилителем 4, который усиливает поступающий на его вход сигнал в промежуток времени AT, который меньше 1/2 периода колебаний

Т синусоидального сигнала генератора

1. Тем самым обеспечивается максимальное усиление в период времени, когда амплитуда активной составляющей выходного напряжения дифференциального усилителя близка к максимальной, а амплитуда реактивной составляющей близка к нулю. В этом случае значительно уменьшается влияние реактивных составляющих на измерение активных составляющих, возникающих вследствие. расбаланса сопротивлений моста. Управление усилителем 4 осуществляется первой схемой 8 выделения управляющего сигнала, на выходе которой фоомируются импульсы только в промежутки времени ДТ. Схема выделения управляющего сигнала может быть выполнена в виде последовательно соединенных двухполупериодного выпрямителя и стабилитронного ограничителя. Управляемый же усилитель может быть выполнен в виде последовательно соединенных управляемого делителя напряжения и согласующего усилителя.

Управляемый усилитель 10 осуществляет усиление сигнала также в промежутки времени Т, но который сдвинут относительно сигнала; усиливаемого управляемым усилителем на 90о. Это достигается тем, что схема 9 выделения управляющего сигнала подключена к выходу генератора через фазосдвигающий усилитель 7.

Таким образом, регистрирующим прибором 12 фиксируется сигнал, пропорциональный реактивной составляющей выходного сигнала усилителя 3.

Эта информация может . использоваться для правильной настройки моста 2 по реактивной составляющей, или же в качестве второго сигнала, пропорционального расбалансу реактивных составляющих в случаях, когда каждое плечо моста 2 одновременно включает в себя и резистор и реактивный зле» мент (например, индуктивность), каждый из которых осуществляет преобразование разных незлектрических величин (например, индуктивность

949333 формула изобретения

ВНИИПИ Заказ 5726/23 Тираж 614 Подписное филиал ППП «Патент» г. Ужгород, ул. Проектная, 4 осуществляет преобразование перемещения в электрический сигнал, а резистор — температуру), Регистрирующие приборы 6 и 12 должны иметь в своем составе фильтры, обеспечивающие выделение постоянной составляющей из сигналов с несущей частотой синусоидального генератора !.

Использование изобретения позволяет не только повысить точность измерений по сравнению с известными усилителями, но и значительно рас ширить функциональные возможности эа счет обеспечения работы с комбинированными мостами.

Тензометрический усилитель, содержащий генератор синусоидальных колебаний, выход которого подключен к одной диагонали моста, другая диагональ которого подключена к дифференциальному усилителю, и последовательно соединенные фазочувствительный детектор и регистрирующий прибор, причем управляющий вход фазочувствительного детектора подключен к выходу генератора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два управляемых усилителя, две схемы выделения управляющего сигнала, фаэосдвигающий усилитель и последовательно соединенные фазочувствительный детектор и регистрирующий- прибор, причем вход и выход каждого управляемого усилителя

tp подключены соответственно к выходу дифференциального усилителя и входам фазочувствительных детекторов, а управляющие входы управляемых усилителей подключены к выходам схем выделения управляющего сигнала, вход, одной иэ которых подключен к выходу генератора непосредственно, а вход другой — через фазосдвигающий усилитель, причем управляющий

20 вход дополнительного фазочувствительного детектора подключен к выходу фазосдвигающего усилите-, ля.

Источники информации, принятые во внимание при эксперти:

1. Патент Франции Ю 236113, кл. G 01 R 17/10, G 01 R 27/14, 1978. зо 2. Патент Великобритании Г 1489760. кл. G 01 R 27/22, 1977.

   

Тензометрический усилитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Тензометрический усилитель

Cтраница 1

Тензометрические усилители могут быть применены любой марки. Количество каналов усилителя должно соответствовать количеству тензометрируемых величин. От стабильности работы усилителя во многом зависит точность испытаний, поэтому на выбор усилителя должно быть обращено особое внимание. Осциллограф обычно применяется магнитоэлектрический, хотя в некоторых случаях используются и катодные осциллографы. Тип осциллографа выбирается в зависимости от количества записываемых величин и необходимости записи на пленку или бумагу.  [1]

Особенностью тензометрического усилителя является устранение влияния емкостного небаланса моста вырезанием неискаженной части импульса и отсутствия в связи с этим органов фазовой балансировки моста. Прибор позволяет исследовать процессы с максимальной частотой порядка 200 гц. Показания счетчиков прибора пропорциональны времени, в течение которого напряжения превышали заданную величину, что обеспечивает построение интегральной кривой распределения. Разность двух смежных счетчиков пропорциональна времени, в течение которого напряжение было в границах данного диапазона, что позволяет построить дифференциальную кривую распределения.  [2]

Сигнал от тензометрического усилителя подается на вход балансного каскада, а с выхода этого каскада — на вход индикатора.  [3]

Выбранный для исследования четырехканальный электронный тензометрический усилитель типа ТА-5 имеет линейную характеристику в полосе частот от 0 до 1000 гц и обеспечивает усиление кривых изменения усилия и деформации без искажений, начиная от малых степеней деформаций.  [5]

Получаемый сигнал усиливается тензометрическим усилителем 13 и поступает на электрический фильтр 15 ( рис. 52), отфильтровывающий высокочастотную составляющую сигнала, что устраняет размытость лучей осциллографа.  [7]

Наиболее широкое применение получили тензометрические усилители на несущей частоте, которые позволяют одновременно регистрировать с применением проволочных тензодатчиков как динамическую, так и статическую составляющие деформаций. В связи с отсутствием серийного выпуска таких усилителей в ряде исследовательских организаций разработаны различные типы усилителей, в той или иной мере приспособленных к специфическим условиям исследований различных машин. Основным показателем, по которому классифицируются такие усилители, является максимальная частота исследуемого процесса, регистрируемая без существенных амплитудных и фазовых искажений. В этом отношении наибольшее распространение получили приборы, позволяющие регистрировать процессы с максимальной частотой до 1000 — 1500 гц, что обеспечивается при несущей частоте 8 — 10 кгц.  [8]

В измерительной схеме используются тензометрический усилитель УТЧ-4 и магнитоэлектрический осциллограф Н-700. Для установления соотношения между величиной отклонения светового луча осциллографа и осевыми и моментными нагрузками, воспринимаемыми долотом в процессе бурения, перед проведением экспериментов измерительная штанга тарируется. Тарировка производится с помощью образцового динамометра ДОСМ-1 и специально разработанной полиспастовой системы.  [9]

Схема экономичного по питанию тензометрического усилителя НАМИ представлена на фиг. Электропитание аппаратуры осуществляется от 12-вольтового аккумулятора через преобразователь на полупроводниковых триодах. На входе аппаратуры установлен автотрансформатор с отводами, которые используются для регулировки чувствительности. Активная балансировка датчиков осуществляется с помощью спирального реохорда. В аппаратуре предусмотрена автоматическая подача калибровочных сигналов поочередно на четыре канала с помощью релейной цепочки. Аппаратура предназначена для измерений на автомобилях и других подвижных объектах.  [10]

Сигнал от датчика подается на тензометрический усилитель, а испытательная машина должна быть оборудована месдозой — упругим элементом с наклеенными на нем датчиками сопротивления. Сигнал от этнх датчиков также подается на тензометрический усилитель, а затем на двухкоординатный самописец, на второй ввод которого подается сигнал датчика смещения.  [11]

Сигнал от датчика подается на тензометрический усилитель, а испытательная машина должна быть оборудована месдозой — упругим элементом с. Сигнал от этих датчиков также подается на тензометрический усилитель, а затем на двухкоординатный самописец, на второй ввод которого подается сигнал датчика смещения.  [12]

Сигнал от датчика подается на тензометрический усилитель, а испытательная машина должна быть оборудована месдозой — упругим элементом с наклеенными на нем датчиками сопротивления. Сигнал от этих датчиков так ке подается на тензометрический усилитель, а затем на двухкоординатный самописец, на второй ввод которого подается сигнал датчика смещения.  [13]

Датчики 10, соединенные через тензометрический усилитель с миллиамперметром, дают возможность измерить силу трения.  [14]

Страницы:      1    2    3    4    5

Измерительные усилители, тензоусилители

Измерительный усилитель, тензоусилители – это электрический прибор, который используется при различных измерениях для передачи сигнала на индикатор, систему сбора данных или компьютер (при наличии соответствующего интерфейса). В измерительный усилитель может быть встроен индикатор уровня, позволяющий определять значение входного сигнала. Тензоусилитель служит для усиления, преобразования и передачи сигналов от тензорезисторов и тензодатчиков на измерительное устройство. Тензоусилитель может быть интегрирован в различные многоканальные системы сбора данных. Фирма KYOWA производит индикаторы и измерительные усилители, которые позволяют производить измерения нагрузки, веса, давления, перемещения, крутящего момента и других физических величин, полученных с помощью соответствующих тензометрических датчиков. Тензоусилители могут быть встроены в автоматизированные поточные линии для получения стабильных измерений с индикацией. Простое управление, наглядное представление данных делают тензоусилитель KYOWA удобным прибором при проведении измерений. Отображая величины в цифровом виде, измерительный усилитель обеспечивает аналоговый выход на измерительный прибор, а в ряде случаев используются интерфейсы RS-232, BCD. Тензоусилитель KYOWA это лёгкий, компактный, многофункциональный и недорогой инструмент для измерений с помощью тензодатчиков таких физических величин, как нагрузка, давление, перемещение, ускорение и крутящий момент. В нашем электронном каталоге представлены различные модели индустриальных измерительных усилителей KYOWA, из которых можно выбрать наиболее оптимальный вариант для измерения, управления и анализа.

Помимо испытаний и экспериментов, инструментальный измерительный усилитель KYOWA используется для измерений, мониторинга и управления производственным процессом в различных промышленных областях, включая металлургию, производство цемента, пищевую, фармацевтическую и химическую промышленность, индустриальную робототехнику.

Тензодатчики для весов | Все своими руками

Опубликовал admin | Дата 2 апреля, 2016

     Тензодатчики, представляющие собой приборы электромеханического действия, используются в различных отраслях промышленности, а также в повседневной жизни достаточно широко. В каждом из них размещаются тензорезисторы, деформация которых преобразуется в электрический сигнал. На этом принципе работают тензодатчики веса.

     Тензорезистор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия тензодатчиков

     При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — наоборот. Относительные изменения сопротивления весьма малы (менее 10-3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

     Тензодатчики, о которых хочу рассказать я, приобретены через Ебей в Китае. Это дешевые тензодатчики, ни каких документов на них нет, естественно ни о какой точности измерений, термостабильности преобразования, линейности преобразования и т.д. и т.п., я, думаю, и говорить не стоит. Тем более не известен материал, из которого сделан корпус тензодатчика, и что самое главное, материал, примененный в тензорезисторах. Для снижения влияния температуры должны применяться сплавы с низким ТКС. Внешний вид приобретенных датчиков можно увидеть на фото 1.

     Схема включения тензорезисторов датчика показа на рисунке 1. Опытным путем было определены номиналы резисторов. Величина резисторов входящих в состав моста равна 1000 Ом. Номинал термокомпенсационного резистора Rk равен 75 Ом. Максимальная допустимая нагрузка датчика – 5кГ. Так как относительное изменение сопротивления тензодатчика очень малы, то и электрический сигнал с тензомоста будет очень маленьким, поэтому будет необходимо применение усилителя сигнала датчика. Для таких целей служат специальные инструментальные усилители. Инструментальный или измерительный усилитель, это устройство с дифференциальным входом. Он строится так, чтобы усиливать только разность напряжений, поданных на его входы и не реагировать на синфазное входное напряжение. Такой усилитель присутствует в специализированной микросхеме INA125. Схема данной микросхемы, взятой из документации на нее, показана на рисунке 2.

Микросхема INA125

     Здесь так же показана схема подключения тензодатчика мостового типа к данной микросхеме. Кроме инструментального усилителя в состав данной микросхемы сходит ИОН – источник опорного напряжения для питания моста тензодатчика. Выходное напряжение ИОН можно изменять дискретно, подключая к соответствующим выводам микросхемы, вывод 4. Эти же напряжения можно использовать в качестве опорного напряжения для АЦП при оцифровке выходного напряжения сигнала. Это уменьшает ошибки оцифровки при флуктуациях напряжения питания устройства. Еще одним из достоинств этой микросхемы является и то, что требуемый коэффициент усиления инструментального усилителя (масштабирующего), устанавливается всего одним резистором, на схеме – R1.

Микросхема и резистор, задающий коэффициент усиления инструментального усилителя установлены на небольшой печатной плате, рисунок 3.

     Для проверки всей схемы был использован наспех собранный цифровой вольтметр, состоящий из АЦП преобразователя и микроконтроллера с индикатором. В качестве АЦП была применена микросхема ADS1286, это 12 разрядный АЦП, позволяющий оцифровывать напряжение сигнала на выходе INA125 с точностью до 0,001В. В программу контроллера была введена подпрограмма коррекции нуля.
     И так, выяснилось, что зона чувствительности моего датчика начинается с пятидесяти граммов, примерно. Потом идет нелинейный участок до 370 граммов. Далее начинается линейный участок. Точность линеаризации проверить не удалось за неимением точных разновесов. Таким образом, в случае использования датчика в составе цифровых весов, последний должен быть преднагружен 370 граммами. Повторяемость показаний в принципе не плохая. Дрейф показаний при длительных нагрузках особо не проверял. Но при нагрузке в 1000 граммов через 9 часов непрерывного взвешивания показания изменились на 1 грамм. Это мое первое знакомство с данными датчиками, поэтому сделать однозначный конкретный вывод не могу. Но думаю, что существуют определенные места, где можно будет использовать эти «сверхточные» устройства.

Скачать “Скачать статью” tenzodatchiki-dlya-vesov.rar – Загружено 590 раз – 94 KB

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:9 288

Тензометрические усилители, нормализатор сигнала, преобразователь сигнала

Datum Electronics предлагает широкий выбор тензометрических усилителей и преобразователей. Тензоусилители (нормализаторы) работают с большинством полномостовых тензорезисторных датчиков и дают возможность подключения как одного датчика, так и сети из 50 тензодатчиков.

Усилители тензодатчиков
Основная функция преобразователя – усиливать сигнал любого датчика с полномостовым включением. Усиление сигнала позволит пользователю использовать данные с датчика силы или деформации более эффективным и продуктивным способом. Считывание сигнала является сложной задачей, но благодаря усилителю она упрощается и приносит лучшие результаты.

Для чего это нужно?
Усилители тензосигнала позволяют улучшить эффективность измерительной системы. Сигналы очищаются от различных посторонних наводок, таких как шум и влияние передачи, которые могут повлиять на точность и надежность сигнала.

Тензометрические усилители позволяют масштабировать сигнал путем регулировки уровней «zero» и «span».

Пример применения
У вас есть контейнер грузоподъемностью 800 кг. Сам контейнер весит 200 кг, таким образом мы получаем общий вес 1000 кг. Стандартный тензодатчик может измерить общий вес. С помощью тензоусилителя вы можете установить показания нуля таким образом, чтобы вычесть собственный вес контейнера — 200 кг. Это может быть сделано путем изменения аналогового выхода. Установив значение нуля на 0(0-10V) или 4 (4-20mA) на 200 кг и полной шкалы на 10 (0-10V) или 20 (4-20mA) усилитель будет показывать значения чистого веса (тарирование).

Тензодатчики силы

Наша линейка тензометрических датчиков силы позволяет решать самые различные задачи в области измерения силы и веса. 

Балочные датчики
Датчики из нержавеющей стали, класс защиты IP68. Подходят для применения в весовых платформах, конвейерных и бункерных весах.

‘S’-образные датчики
Изготовлены из нержавеющей стли и разработаны для применения в тяжелых промышленных условиях. Эти датчики применяются для измерения сил растяжения и сжатия.

Измерительные усилители

Промышленный измерительный усилитель

для датчиков с интерфейсом PROFIBUS для тензометрических, потенциометрических датчиков и стандартных аналоговых сигналов

Модель 9221

Технические данные

 

 

 

 

 

• Модуль усилителя для измерения силы, давления и крутящего момента тензометрическими датчиками, датчиками перемещения и угла, потенциометрическими датчиками или стандартных сигналов ± 10В
• Разрешение 16 бит, частота дискретизации до 1 кГц
• 2 свободно конфигурируемых входа: сброс настроек, тарировка и др.
• Простая настройка через интерфейс RS-232
• Память среднего, min/max значения, значение уставок, балансировки ноля через Profibus
• Доступна поддержка сети по Profibus DP до 12 Mбод
• DPV1- режим для параметрирования и сохранения данных по Profibus

Применение

Недавно разработанный, модуль измерительного усилителя для датчиков модели 9221 с интерфейсом Profibus предназначен для интеграции различных аналоговых выходных сигналов датчиков в комплексные, сетевые и периферийные структуры автоматизации. Данный модуль усилителя находит широкое применение в индустриальной технологии автоматизации, а также в испытательных технологических стендах, благодаря безопасному и надежному способу передачи, быстрой скорости передачи и простоте конструкции.
Входы (например сигнал PLC), и выходы модуля измерительного усилителя для датчиков, в дополнение к внешнему контролю, позволяют производить балансировку триггером посредством переключателя или быстрым срабатыванием при прохождении значения уставки.
Индустриальный тип подсоединения и механического монтажа делают простой адаптацию и интеграцию модуля измерительного усилителя для датчиков в существующие механические и электрические структуры. Превосходное качество измерения наряду с отличным захватом средних значений позволяют также применять модуль в научных исследованиях.
Использование стандартизированных протоколов Profibus делает связь легкой задачей для программиста.

Специфичные приложения:

• стенды для комплексных испытаний двигателей и коробок передач
• весовые технологии
• автомобильная промышленность
• разработка специальных машин
• упаковочные линии
• производственные технологии
• измерение различных механических и физических величин на испытательных стендах

ОписаниеУниверсальный модуль измерительного усилителя для датчиков с интерфейсом Profibus хорошо подходит для измерения физических величин, таких как сила, вращающий момент, давление, ускорение, перемещение и угол. Тензометрические, потенциометрические и стандартные сигналы могут быть измерены и обработаны без проблем. Мощный АЦП с резолюцией 16 бит гарантирует точную и быструю обработку аналоговых сигналов датчиков.
Сам модуль измерительного усилителя обеспечивает стабильное и точное напряжение питания датчика. Калибровка и данные конфигурации запоминаются в энергонезависимой памяти EEPROM.
Конфигурационное программное обеспечение с дружественным интерфейсом делает возможным простое кондиционирование входных сигналов и установку параметров в модуле усилителя по отношению к PLC и Profibus. Версия DPV1 позволяет осуществлять параметрирование и резервное копирование через Profibus. Функции, такие как арифметическое вычисление средних значений, фильтрация входного сигнала, балансировка ноля, память min/max- значений и значений уставки могут быть переданы через Profibus со скоростью до 12 Mбод.
Два беспотенциальных и свободно конфигурируемых цифровых входа модуля измерительного усилителя для датчиков доступны для внешнего PLC-контроля (например, стирание min/max памяти, функция тарировки). Два цифровых выхода могут быть определены как локальные выключатели по значению уставки для того, например, чтобы привести в действие выдачу аварийного сигнала.
Проверка линий датчиков со стороны шины на обрыв, или короткое замыкание и гальванической развязки между Profibus-ASIC и разъемом Profibus относится к стандартным опцияммодуля измерительного усилителя для датчиков.
Визуализация эксплуатационных режимов, таких, как активация шины, ошибка со стороны датчика или активное состояние модуля осуществляется тремя светодиодами.
Монтаж модуля на DIN рельс позволяет проводить быструю и простую установку в отсеках распределительных щитов.

*

КРАТКО О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

Тензодатчики и тензорезисторы. Давайте посмотрим, что связывает тензодатчик и тензорезистор. 

Тензорезистор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или преобразователи (АЦП, весоизмерительные преобразователи (терминалы)), прецизионные усилители. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Мы не будем останавливаться подробно на электромеханических параметрах тензорезисторов. Отметим только, что чувствительность характеризуется коэффициентом чувствительности и зависит от применяемых материалов. А температурный коэффициент является вредным побочным эффектом, влияющий на показания.

Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента, датчиков для измерения сил, давления. Собственно тензометрические датчики или сокращенно тензодатчики получили свое название от тензорезисторов.

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x

При выполнении соотношения R₁/R₂=R₂/R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃(точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Конфигурация 

Тензодатчики, как правило, приклеиваемые, состоят из:

• элемента чувствительного к деформации;
• тонкой плёнки, которая является изолятором и несущей основой для чувствительного элемента;
• контактных площадок для присоединения выводных проводов.

Элемент, чувствительный к деформации, представляет собой решётку, которая вытравлена способом фотолитографии или отштампована из очень тонкого листа металлической фольги толщиной 2,5 мкм. Конфигурация выбирается таким образом, чтобы обеспечить сопротивление равное 100 Ом при достаточно малой длине и ширине. Выпускаются датчики, длина которых меняется в диапазоне от 2 до 150 мкм. Выпускаются датчики  специального назначения (мембранные датчики давления, напряжения, датчики деформации сдвига).

Несущая основа

Применяются материалы такие, как:

• акриловые;
• полиамидные;
• фенольные;
• эпоксидно-стеклянные;
• бумага;
• эпоксидные;
• эпоксидно-полиамидные;
• эпоксидно-фенольные;
• фенольно-стеклянные.

В большинстве случаев применяются полиамидная плёнка, отличающаяся прочностью, гибкостью и совместимостью с большинством связующих. Применяется плёнка с эпоксидной смолы. Её особенности:

• линейно-упругое поведение материала;
• отсутствие гистерезиса.

Полимеры, армированные стекловолокном, применяются в датчиках для работ в циклических деформациях. В датчиках, работающих при повышенных температурах, используются основы из эпоксидных и фенольных смол, армированных стекловолокном.

Клеи, с помощью которых приклеивают тензодатчики

Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабильностью в течение длительного периода времени.

Комбинация датчика: его несущая основа и клеи требуют самого серьезного внимания. Необходимо применять апробируемые клеи и соблюдать процедуры нанесения и сушки.

В качестве клея наиболее широко используется метил-2-цианоакриад, эпоксидная смола, полимид и некоторые виды керамики.

Цианоакриад не требует ни нагрева, ни отвердителей для инициирования полимеризации. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор. Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Минутного нажатия большим пальцем и двух минутной паузы оказывается достаточно. Он может использоваться в диапазоне температур от -32 до +65°С. Он обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6%. Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.

Эпоксидный состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. В некоторых случаях для вязкости смолы в нее добавляют растворитель. Разбавленные смолы (эпоксидно-фенольные) более предпочтительны, так как образуют очень тонкие высокопрочные, однородные плёнки со слабо выраженной ползучестью и гистерезисом. Для обеспечения тонкого однородного слоя к датчику должно быть приложено давление от 70 до 210 кПа. чтобы гарантировать полную полимеризацию эпоксидные клеи подвергают повышенной температуре в течение нескольких часов. По-видимому, наилучшими являются эпоксидно-фенольные клеи с рабочим диапазоном температур от -269 до +260°С. Допустимое относительное удельное изменение находится в пределах 3-10%.

Полиамидные представляют собой однокомпонентный полимер, который может применяться в диапазоне температур от -260 до +399°С. Полиамид утверждается при давлении 275кПа при температуре 260°С.

Итак, для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 — 10 кгс/мм2, 170° С). Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе. После окончания процессов «послеотверждения», если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды.

После отвердения клеев тензодатчики должны быть покрыты герметиком (парафин, каучук, полимеритан).

Конструкция закрепления также имеет большое значение для работы датчика (рис. 1). В классической конструкции (а) применяется «утопленный» тензорезистор (например, в основе из фенольного клея), который наклеивается на упругий элемент с помощью клея (например, фенольного). В конструкции (б) голый тензорезистор (например, полупроводниковый) приклеивают через подложку (например, из специальной бумаги), пропитанную клеем. В обоих случаях возникает относительно толстая прослойка толщиной d2, (» 20 — 50 мкм), которая образуется по существу вязкой средой и служит причиной явлений ослабления напряжений. Поскольку прослойка выполняет одновременно функцию изоляции, она не может делаться сколь угодно тонкой. Поэтому в более новой конструкции задачи изоляции и крепления разделены. Здесь сначала наносится изоляционный слой, (расплавленная эмаль или керамика), который обладает существенно лучшими механическими свойствами, чем клей. Теперь собственно клеевой слой может выполняться очень тонким (< 1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.

Рисунок 1 — Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчиков
а и б — обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz;
в — современная конструкция с тонким клеевым слоем dz.
1 — упругий элемент; 2 — тензорезистор; 3 — основа тензорезистора; 4 — клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 — изолирующий слой с хорошими механическими свойствами

Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание. Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь. Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:

Ослабления в упругом элементе

Вязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.

Температурный уход нуля возникает из-за тепловых волн, распространяющихся по упругому элементу, при выравнивании теплового состояния, если тензорезисторы имеют большие температурные коэффициенты сопротивления (полупроводниковые тензорезисторы).

Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.

Ослабление клея — единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы. Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.

Защита от воздействия окружающей среды. Чувствительные элементы после их приклеивания должны защищаться от воздействий окружающей среды, чтобы препятствовать прежде всего действию влажности. Для этого после отверждения, по возможности еще в теплом состоянии, они покрываются защитными лаками. Чтобы воспрепятствовать образованию сквозных пор, такую операцию повторяют, как правило, несколько раз.

Полученные таким образом тонкие слои не могут полностью и на длительное время исключить диффузию паров воды. Это достигается только благодаря герметически плотным металлическим корпусам, которые часто заполняются еще достаточно большим запасом гигроскопичного вещества или сухим инертным газом. Однако влага, внедрившаяся в чувствительные элементы, несмотря на все эти меры, вызывает два эффекта:

1. Уменьшение сопротивления изоляции между тензорезистором и упругим элементом. В идеальном случае это сопротивление бесконечно велико. При конечном сопротивлении изоляции Ris получаются условия, отраженные на рис. 2. Благоприятнейший случай изображен на рис. 2,а, где Ris, равномерно распределено на четыре части моста; разбаланса моста нет. Для неблагоприятнейшего случая расчет дает погрешность нуля:

где eNcp — средняя номинальная деформация и R0 — основное сопротивление тензорезисторов. Эти соотношения для тензорезисторов с большим коэффициентом тензочувствительности (для полупроводниковых) не имеют такого значения.

Рисунок 2 — Влияние уменьшения сопротивления изоляции

Ris — дискретная эквивалентная схема. a — благоприятный случай: уменьшение Ris распределено равномерно; б — неблагоприятный случай: уменьшение Ris действует на один тензорезистор.

Разбухание клеевого слоя вызывает кажущуюся деформацию, а этим самым — дополнительную погрешность нуля. Можно с уверенностью считать, что этот эффект значительно сильнее, чем эффект от сопротивления изоляции. Но уменьшение Ris может служить в качестве меры внедрившейся влаги и поэтому — общей ожидаемой погрешности нуля. Можно принять, что разбухание также достаточно мало, если сопротивление изоляции более 109 Ом.