Содержание
- Коротко: как делают датчик
- Тензоэффект: ΔR/R = k·ε
- Этапы производства
- Материал упругого элемента
- Расчёт упругого элемента
- Фольговые тензорезисторы
- Подготовка поверхности
- Клеи и режимы отверждения
- Пошаговая наклейка
- Контроль качества наклейки
- Схемы наклейки по типу датчика
- Пайка и проводники
- Термокомпенсация и нормирование
- Герметизация и защита
- Испытания и калибровка на заводе
- Дефект → производственная причина
- Можно ли сделать датчик самому
- Проверьте себя
- Частые вопросы
- Словарь
- Источники
- Читайте также
Как делают тензодатчик — коротко
Тензодатчик — это металлический упругий элемент, на который в зонах наибольшей деформации наклеены четыре фольговых тензорезистора, соединённые в мост Уитстона. Производство идёт по цепочке: заготовка и термообработка упругого элемента → подготовка поверхности → наклейка тензорезисторов и отверждение клея → пайка моста → термокомпенсация и нормирование выхода → герметизация → испытания и калибровка каждого датчика.
Под номинальной нагрузкой металл деформируется примерно на 0,1 %, сопротивление тензорезисторов меняется на доли процента, а мост выдаёт единицы милливольт на вольт питания. Поэтому точность датчика определяется не только расчётом, но и каждой технологической операцией: чистотой поверхности, толщиной клея, ориентацией решётки, качеством пайки и защиты от влаги.
Это руководство — про производство. Что такое тензоэффект, как работает мост и какие бывают датчики, подробно разобрано в статье «Что такое тензодатчик», а подключение — в статье «Как подключить тензодатчик». Здесь — материалы, наклейка, клеи, схемы размещения тензорезисторов для балки, S-образного, колонного датчика и шайбы, термокомпенсация и заводские испытания. В разделах есть калькуляторы, схемы и тренажёры.
Тензоэффект: формула, на которой держится всё производство
Тензорезистор меняет сопротивление, когда его растягивают или сжимают вместе с металлом. Эффект описал Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1856 году; подробно физика и история — в разделе «Тензоэффект и тензорезистор» статьи 187. Для производства важна одна формула:
Из неё следуют все требования технологии. Деформация передаётся от металла к решётке только через клей: если клей толстый, мягкий или с пустотами, часть деформации «теряется», и датчик показывает меньше. Если решётка повёрнута относительно направления деформации, она чувствует только часть ε. А поскольку сигнал крошечный, любой дрейф сопротивления от температуры или влаги сопоставим с полезным сигналом.
Что даёт деформация: от мкм/м до милливольт
Проверка на одной точке: k = 2, ε = 1000 мкм/м → ΔR/R = 2 × 0,001 = 0,002 = 0,2 %. У резистора 350 Ом это 0,7 Ом. В полном мосте, где два плеча растягиваются и два сжимаются на одинаковую величину, выход равен k·ε = 2 мВ/В — ровно столько, сколько указано в паспортах большинства датчиков Sierra (SH3, SBM11, SHM14K — 2,0 мВ/В; SH8C и SH9F — 3,0 мВ/В).
Этапы производства тензодатчика
Независимо от формы — балка, S-образный, колонна или шайба — тензодатчик проходит одни и те же восемь этапов. Нажмите на этап, чтобы увидеть, что на нём делают и где он подробно описан ниже.
- Заготовка. Упругий элемент фрезеруют из прутка или поковки: базовые поверхности, силовые отверстия, окна и карманы, в которых будет сконцентрирована деформация. Точность геометрии определяет, одинаково ли нагружены плечи моста.
- Термообработка. Стальные элементы закаливают и отпускают до заданной твёрдости, затем выдерживают для снятия внутренних напряжений. Иначе металл «доползает» уже в готовом датчике — растёт ползучесть и дрейф нуля.
- Подготовка поверхности. Зоны наклейки обезжиривают, шлифуют или обрабатывают абразивом до равномерной матовой шероховатости, снова очищают и сразу клеят. Грязь и окислы — главная причина отслоения.
- Наклейка и отверждение. Тензорезистор совмещают с разметкой, наносят клей, прижимают и отверждают по режиму клея. Толщина клея, отсутствие пузырей и точная ориентация решётки — ключ к повторяемости.
- Пайка моста. Выводы тензорезисторов соединяют в мост через контактные площадки, промывают флюс, проверяют сопротивление плеч и изоляцию на корпус.
- Термокомпенсация. Датчик прогревают и охлаждают в камере, измеряют уход нуля и чувствительности и впаивают компенсирующие резисторы, пока уход не уложится в паспортный допуск.
- Нормирование и калибровка. Резисторами нормирования подгоняют выход к номиналу (например, 2,0 ± 0,004 мВ/В), затем проверяют нелинейность, гистерезис, повторяемость и ползучесть на эталонных нагрузках.
- Герметизация. Зону тензорезисторов закрывают покрытием, компаундом или герметичной крышкой, вводят кабель через уплотнение. От герметизации зависит степень защиты IP65…IP68 и срок службы.
Первые два этапа — металлообработка, последние четыре — «электроника» и метрология. Между ними — наклейка, самая «ручная» и самая ответственная операция: ошибку в ней потом не исправить ни компенсацией, ни калибровкой.
Материал упругого элемента
Упругий элемент должен работать строго в упругой зоне: под нагрузкой деформироваться пропорционально силе и полностью возвращаться после разгрузки. От материала требуется высокий предел упругости, малый гистерезис и ползучесть, стабильность размеров во времени и стойкость к среде. На практике используют три группы материалов — именно они указаны в паспортах датчиков Sierra.
| Материал | Где применяют | Плюсы | Минусы | Примеры Sierra (по паспортам) |
|---|---|---|---|---|
| Конструкционная (легированная) сталь с никелировкой | балки, S-образные, колонны, шайбы средних и больших номиналов | прочность, технологичность, цена | нужна защита покрытием от коррозии | SH8C, SH3, SHM9B, SH9F, SH2D4 |
| Нержавеющая сталь | пищевые и химические производства, мойка, улица, герметичное исполнение | коррозионная стойкость, можно варить герметичные корпуса | дороже, сложнее в обработке | SBM11, SHM14K/SBM14K (исполнения), SB3/SBM3, SB2D4 |
| Алюминиевый сплав | одноточечные датчики торговых, фасовочных, настольных весов | малый модуль упругости — большая деформация при малых нагрузках, лёгкость | ниже прочность и стойкость к перегрузу, чувствителен к среде | SL6E, SL6W |
Конкретные марки стали каждый завод выбирает сам. В технической литературе и в прежней версии этой статьи встречаются примеры: 17-4PH (дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь), 40ХН и AISI 4340 (легированные конструкционные стали — не нержавеющие), алюминиевый сплав 6061-T6. Марки, из которых сделаны датчики Sierra, в паспортах не указаны — только группа материала.
Термообработка и стабилизация
Стальную заготовку после черновой обработки закаливают и отпускают. В прежней версии статьи для S-образного элемента приводилась твёрдость HRC 32–35 — это пример, а не норма для всех датчиков. Цель термообработки — поднять предел упругости и снять напряжения от механической обработки. После неё рабочие поверхности шлифуют (пример из прежней версии: до Ra 0,8 мкм для S-образного элемента, Ra 1,6 мкм для базовых поверхностей балки).
Расчёт упругого элемента: балка и колонна
Конструктор подбирает сечение так, чтобы на номинальной нагрузке деформация в зоне тензорезисторов была достаточной для сигнала (порядка 1000 мкм/м), а напряжение — с большим запасом до предела упругости: датчик должен без последствий переносить предельную нагрузку 150 % НПИ и не разрушаться до 200–300 % НПИ (так указано в паспортах Sierra).
Консольная балка на изгиб
| Параметр | Формула | Пример (прежняя версия статьи) |
|---|---|---|
| Изгибающий момент в заделке | M = F × L | F = 500 Н, L = 0,2 м → M = 100 Н·м |
| Момент сопротивления прямоугольного сечения | W = b × h² / 6 | b = 0,03 м, h = 0,01 м → W = 5 × 10⁻⁷ м³ |
| Напряжение изгиба | σ = M / W | σ = 100 / 5 × 10⁻⁷ = 200 МПа |
| Деформация на поверхности | ε = σ / E | для алюминия E ≈ 69 ГПа → ε ≈ 2900 мкм/м |
Пример показывает важную вещь: сечение 30 × 10 мм из алюминиевого сплава 6061-T6 при 500 Н нагружено на 200 МПа — это большая доля предела текучести сплава, и деформация около 2900 мкм/м заметно выше типичной для весовых датчиков. На практике такое сечение увеличили бы или уменьшили вылет. Проверьте на калькуляторе.
Колонна на сжатие
Для колонны напряжение — сила, делённая на площадь: σ = F / (π·d²/4). Пример из прежней версии статьи: колонна диаметром 50 мм из стали 40ХН при допускаемом напряжении 600 МПа выдерживает Fmax = 600 × 10⁶ × 3,14 × 0,05² / 4 ≈ 1178 кН (около 120 т). Это предельная, а не рабочая нагрузка: номинал датчика выбирают в несколько раз ниже, чтобы деформация на НПИ была в рабочем диапазоне.
Напряжение и деформация упругого элемента
Модули упругости — справочные округлённые значения. Калькулятор считает только номинальное сечение: реальные упругие элементы имеют окна, карманы и переходные радиусы, где напряжение выше, чем по простой формуле. Их считают методом конечных элементов и проверяют на опытных образцах.
Фольговые тензорезисторы: какие бывают и как выбрать
Фольговый тензорезистор — решётка из металлической фольги толщиной в несколько микрометров, вытравленная на тонкой полимерной подложке. Длинные нити решётки идут вдоль оси, в которой нужно измерить деформацию; поперечные перемычки делают широкими, чтобы решётка почти не реагировала на поперечную деформацию. Подробнее устройство — в статье «Что такое тензодатчик».
| Тип | Материал | k | Диапазон температур | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Фольговые | константан (сплав меди и никеля, Cu55Ni45) | 2,0–2,1 | −50…+150 °C | весоизмерительные датчики, универсальные |
| Для высоких температур | сплав карма | 2,1–2,2 | −270…+400 °C | двигатели, турбины |
| Полупроводниковые | кремний с примесями | 100–170 | −40…+125 °C | малые деформации, высокая чувствительность |
Значения — из прежней версии статьи, ориентировочные; точные характеристики конкретного тензорезистора — в документации его производителя. Состав сплавов и диапазоны температур зависят от производителя.
У полупроводниковых тензорезисторов чувствительность в десятки раз выше, но сопротивление сильно зависит от температуры и нелинейно по деформации. Поэтому в весоизмерительных датчиках почти всегда применяют фольгу.
На что смотрят при выборе
- Сопротивление: 350 Ом — самый распространённый номинал; 700 Ом и выше снижают ток питания и нагрев. У датчиков Sierra мосты 350 Ом (SH8C, SH3, SBM11, SL6E) и 700 Ом (SHM9B, SHM14K, SH9F, SH2D4) — по выходному сопротивлению в паспортах.
- База (длина решётки): короткая база меряет деформацию в точке и подходит для узких зон концентрации; длинная усредняет неоднородность и легче клеится. В прежней версии статьи для балки приводился пример базы 5 мм и сопротивления 350 Ом.
- Самокомпенсация по температуре: фольгу подбирают под температурный коэффициент расширения материала элемента (сталь или алюминий), чтобы тепловое расширение не давало ложного сигнала.
- Геометрия: одиночная решётка, пара под 90° (для колонн — продольная + поперечная), пара под ±45° («ёлочка» для датчиков на сдвиг).
- Подложка и клей: должны быть совместимы и выдерживать режим отверждения.
Ориентация решётки: насколько важен угол
Решётка должна лежать вдоль направления главной деформации. Если её повернуть на угол θ, она почувствует ε·(cos²θ − ν·sin²θ), где ν ≈ 0,3 — коэффициент Пуассона. Покрутите угол:
При малых углах потеря растёт как квадрат угла: при 0,5° она около 0,01 %, при 2° — около 0,16 %, при 5° — около 1 %. Для одиночного резистора это немного, но в мосте важна разница между плечами: если одно плечо повёрнуто, а другое нет, мост разбалансируется, и появляется чувствительность к боковым нагрузкам. Поэтому на производстве ориентацию задают разметкой и оснасткой, а не «на глаз».
Подготовка поверхности под наклейку
Клей держится не на металле вообще, а на его чистой, активной и шероховатой поверхности. Любая плёнка — масло, отпечаток пальца, окисел, остатки абразива — становится слабым слоем, по которому потом пойдёт отслоение или ползучесть. Порядок операций на производстве:
- Обезжиривание. Ацетон, изопропиловый спирт или специальный обезжириватель на безворсовой салфетке. Протирать в одном направлении, с усилием, каждый раз новой салфеткой, повторить 3 раза.
- Механическая обработка. Метод зависит от материала:
- сталь — шлифовка абразивной бумагой с уменьшением зерна: P400 → P800 → P1200;
- алюминиевый сплав — пескоструйная (абразивоструйная) обработка электрокорундом (оксидом алюминия) зернистостью около 50 мкм;
- титан — химическое травление (кислотные составы с плавиковой кислотой; только в оборудованной лаборатории).
- Повторная очистка от абразивной пыли тем же растворителем.
- Активация поверхности (по технологии клея): плазменная обработка или химический активатор/праймер.
- Контроль шероховатости. Ориентир из прежней версии статьи — Ra 0,8–3,2 мкм. Шероховатость должна быть изотропной, без направленных рисок: риски вдоль или поперёк решётки дают неравномерный клеевой слой.
- Разметка осей тензорезисторов — тонкими линиями вне зоны клея или по оснастке.
- Наклейка сразу после подготовки: активная поверхность быстро покрывается окислами и загрязнениями из воздуха.
Клеи для тензорезисторов и режимы отверждения
Клей — это «передаточное звено» между металлом и решёткой. Он должен быть тонким, жёстким, без пустот, хорошо держать подложку и сохранять свойства во всём диапазоне температур. Чем жёстче и стабильнее клей после отверждения, тем меньше ползучесть и гистерезис датчика.
| Тип клея | Примеры марок | Отверждение | Температуры | Прочность сцепления | Нанесение |
|---|---|---|---|---|---|
| Цианоакрилатный | M-Bond 200, Loctite 496 | 1–5 мин при 20 °C | −50…+80 °C | 15–20 МПа | капиллярный метод |
| Эпоксидный | EPY-150, M-Bond 610 | 24 ч при 20 °C или 2 ч при 80 °C; ступенчатый режим до 120 °C | −196…+150 °C | 25–35 МПа | шприц с дозатором |
| Фенольный | PC-12, M-Bond 600 | 30 мин при 150 °C под давлением | −269…+370 °C | 30–40 МПа | плёночный метод |
| Керамический | Aremco-Bond 526N | 2 ч при 200 °C | до 1000 °C | 15–20 МПа | напыление |
Данные — из прежней версии статьи, ориентировочные. Точный режим отверждения, давление и сроки жизни клея — только по инструкции производителя конкретной марки.
Цианоакрилат удобен для лабораторной тензометрии и быстрого монтажа, но стареет, боится влаги и температуры — для серийных весоизмерительных датчиков его обычно не используют. Эпоксидные и фенольные клеи горячего отверждения дают тонкий жёсткий слой и стабильность на годы — это основной выбор для датчиков с классом точности C3. Керамические — для высокотемпературной тензометрии.
Режимы отверждения: температура во времени
Форма линий нагрева и остывания у фенольного клея условная: в исходных данных указаны только 150 °C и 30 минут под давлением.
Наклейка тензорезистора: пошаговая технология
Цианоакрилатный клей (пример — M-Bond 200)
- Подготовка тензорезистора. Зачистить выводы стекловолоконной щёткой, обезжирить подложку ацетоном ватным тампоном. Брать тензорезистор только пинцетом.
- Активатор. Нанести праймер (для M-Bond 200 — M-Primer A) на поверхность элемента и обратную сторону тензорезистора, выдержать около 30 секунд до испарения растворителя.
- Позиционирование. Установить тензорезистор пинцетом с тефлоновыми наконечниками, совместить метки решётки с разметкой — ось вдоль главной деформации. Удобно фиксировать тензорезистор полоской прозрачного скотча и откидывать его «на петле».
- Клей. Нанести каплю клея на край; капиллярный эффект распределит клей тонким слоем. Сразу прижать через силиконовую прокладку (в прежней версии статьи — 0,5–1,0 МПа).
- Полимеризация. Выдержать около 5 минут при 20 °C (или около 1 минуты при 50 °C), затем удалить избыток клея.
Эпоксидный клей горячего отверждения (пример — EPY-150)
- Приготовление смеси. Основа и отвердитель в соотношении 10 : 1 по массе, перемешивать 5 минут. Дегазировать в вакуумной камере около 5 минут, чтобы убрать пузырьки воздуха.
- Нанесение. Слой 20–30 мкм шприцем-дозатором с тонкой иглой (например, 25G).
- Монтаж. Уложить тензорезистор по разметке, накрыть антиадгезионной плёнкой (PTFE), выдавить излишки клея от центра к краям, прижать оснасткой с резиновой прокладкой.
- Отверждение. Ступенчатый прогрев под прижимом: 40 °C — 1 ч → 80 °C — 2 ч → 120 °C — 1 ч. Охлаждение около 1 °C/мин.
- Постотверждение и стабилизация — по инструкции клея: дополнительный прогрев без прижима снимает остаточные напряжения в клеевом слое.
Контроль качества наклейки
После отверждения каждый тензорезистор проверяют до пайки моста: брак дешевле найти сейчас, чем после герметизации и калибровки.
| Параметр | Метод контроля | Норма (прежняя версия статьи) | Чем меряют |
|---|---|---|---|
| Толщина клеевого слоя | ультразвуковая микроскопия или шлиф контрольного образца | 15–35 мкм | акустический микроскоп |
| Пустоты под решёткой | рентгеновская томография, визуальный контроль через подложку | < 0,5 % площади | рентгеновский томограф, микроскоп |
| Адгезия | испытание на отрыв/отслаивание образцов-свидетелей | > 15 МПа | разрывная машина |
| Изоляция решётки на корпус | измерение сопротивления изоляции | > 5 ГОм | мегаомметр на низком напряжении |
| Сопротивление тензорезистора | измерение до и после наклейки | изменение в пределах допуска партии | прецизионный омметр |
Для готового датчика паспорта Sierra задают сопротивление изоляции ≥ 5000 МОм при 50 В (то есть ≥ 5 ГОм; у SH2D4 — ≥ 2000 МОм). Мерить изоляцию тензорезисторов мегаомметром на 500–1000 В нельзя — можно пробить тонкую подложку.
Четыре контрольные зоны
- Зона A — центр решётки: толщина и равномерность клея.
- Зона B — края тензорезистора: отсутствие пустот и непроклеев, с которых начинается отслоение.
- Зона C — выводы: электрическая изоляция и отсутствие натяга проводников.
- Зона D — ориентация решётки: угловая погрешность относительно разметки.
Схемы наклейки тензорезисторов для разных типов датчиков
Форма упругого элемента задаёт, где металл деформируется сильнее всего и с каким знаком. Правило одно для всех: тензорезисторы клеят в зонах наибольшей и одинаковой по модулю деформации, так чтобы два плеча моста растягивались, а два — сжимались. Тогда сигналы складываются, а температурные уходы вычитаются (почему так — в разделе «Мост Уитстона» статьи 187). Нумерация на схемах одна: R1 и R3 — растяжение, R2 и R4 — сжатие, как на схеме моста в разделе «Термокомпенсация».
Балка на изгиб
Консольная балка изгибается: верхние волокна у заделки растянуты, нижние сжаты. Тензорезисторы клеят у заделки, где изгибающий момент M = F·L наибольший: два сверху (растяжение), два снизу (сжатие). Простая схема, но сигнал зависит от точки приложения силы по длине балки.
SH8C · одноопорная балкаБалка на сдвиг
В промышленных балочных датчиках деформацию часто снимают не с изгиба, а со сдвига: в балке делают глухие карманы с двух сторон, оставляя тонкую стенку у нейтральной оси, и клеят пары тензорезисторов под ±45°. Сдвиговая деформация почти не зависит от того, где по длине приложена сила — датчик меньше чувствителен к смещению нагрузки.
SHM9B · двухопорная балкаОдноточечный
Одноточечный (Single Point) датчик — балка-«бинокль» со сквозным окном. Четыре тензорезистора стоят над тонкими стенками окна: элемент работает как параллелограмм, и сигнал почти не зависит от того, в какой точке платформы лежит груз. Отсюда допуски на угловую нагрузку в паспорте (у SL6E — 0,02 % на 100 мм) и высокие требования к точности тонких стенок.
SL6E · одноточечныйS-образный
В S-образном датчике сила проходит через центральную перемычку с отверстием, которая работает на изгиб (иногда — на сдвиг). Тензорезисторы клеят на внутренние поверхности перемычки: пара растягивается, пара сжимается. Датчик меряет и растяжение, и сжатие — меняется только знак сигнала.
SH3 · S-образныйКолонна
Колонна работает на сжатие. Продольные тензорезисторы сжимаются, поперечные — растягиваются за счёт эффекта Пуассона (примерно в 0,3 раза меньше). Пары ставят по окружности через 90°, чтобы усреднить внецентренную нагрузку; в прежней версии статьи — 8–12 тензорезисторов, соединённых в два моста, и компенсационные резисторы на отдельной плате.
SHM14K · колонныйШайба
Датчик-шайба (мембранный) — кольцо с тонкой упругой стенкой между силовыми поверхностями. Тензорезисторы клеят по окружности на стенку, чтобы усреднить неравномерность нагрузки по кругу. Конструкция очень низкая и жёсткая, поэтому особенно чувствительна к плоскостности опорных поверхностей.
SH2D4 · шайба (мембранный)Схемы принципиальные и упрощённые: точная раскладка тензорезисторов — конструкторская документация завода. Рендеры — модели Sierra соответствующего типа из каталога; внутреннее расположение тензорезисторов в конкретных моделях Sierra на схемах не показано.
Пример из практики: балочный датчик
В прежней версии статьи описан пример балки 171 × 38 × 38 мм — это габариты, близкие к SH8C на 3–5 т (по паспорту L = 171,5 мм, W = H = 38,1 мм). Последовательность: фрезеровка базовых поверхностей (Ra 1,6), сквозные отверстия в зоне концентрации деформации, полировка зон наклейки; четыре тензорезистора 350 Ом с базой 5 мм — два сверху, два снизу; мост на питание 5–10 В с выходом до 20 мВ.
Пример из практики: S-образный датчик
Из прежней версии статьи: заготовка 150 × 40 × 25 мм, фрезеровка центрального паза шириной 8 мм, переходные радиусы R5 мм в зонах концентрации, закалка и отпуск до HRC 32–35, шлифовка рабочих поверхностей до Ra 0,8. Тензорезисторы — на внутренних и наружных поверхностях перемычки, все четыре в полный мост.
Пример из практики: одноточечный датчик
Критичные допуски из прежней версии статьи: параллельность опорных поверхностей ±0,01 мм, толщина тонкой стенки ±0,02 мм, соосность 0,05 мм. Тонкая стенка в разных конструкциях — от долей миллиметра до нескольких миллиметров; чувствительность одноточечных датчиков — обычно 2 мВ/В (у SL6E — 2,0 ± 0,15 мВ/В по паспорту).
Пайка выводов и сборка моста
После наклейки четыре тензорезистора соединяют в мост и выводят на кабель. Здесь рождается большая часть «электрических» дефектов, поэтому операцию выполняют аккуратно и с контролем.
- Контактные площадки. Тонкие выводы тензорезистора не нагружают: их паяют на промежуточные площадки, наклеенные рядом, а уже к площадкам — монтажные проводники. Проводник укладывают с петлёй и фиксируют, чтобы вибрация и деформация элемента не тянули пайку.
- Одинаковые проводники в плечах. Длина и сечение проводников в противоположных плечах должны совпадать: их сопротивление и его температурный уход входят в плечо моста.
- Минимум тепла. Паять быстро, малым количеством припоя, не перегревая подложку и клей.
- Флюс. Остатки флюса удаляют растворителем: они гигроскопичны и со временем снижают изоляцию.
- Проверка. После пайки меряют сопротивление каждого плеча, входное и выходное сопротивление моста, баланс нуля и изоляцию на корпус.
Цвета жил кабеля у всех датчиков Sierra одинаковы (по паспортам): красный — питание +, чёрный — питание −, зелёный — сигнал +, белый — сигнал −, прозрачный — экран. Кабель 4-жильный экранированный. Длину кабеля на заводе учитывают при нормировании, поэтому кабель четырёхпроводного датчика не укорачивают — подробнее в статье «Как подключить тензодатчик».
| Модель Sierra | Вход (красный–чёрный), Ом | Выход (зелёный–белый), Ом | Кабель, м |
|---|---|---|---|
| SH8C | 380 ± 10 | 350 ± 3 | 4 (0,5–2 т), 6 (2,5–10 т) |
| SH3 | 365 ± 5 | 350 ± 3 | 3 (20 кг – 1 т), 6 (2–30 т) |
| SL6E | 402 ± 6 | 350 ± 3 | 2 |
| SBM11 | 365 ± 10 | 350 ± 3 | 3–3,5 |
| SHM14K | 700 ± 5 | 700 ± 3 | 12 или 16 |
| SH2D4 | 760 ± 8 | 700 ± 5 | 6 |
Входное сопротивление почти всегда больше выходного: в цепь питания моста включены компенсирующие и нормирующие резисторы. Об этом — следующий раздел.
Термокомпенсация и нормирование выхода
Идеальный мост из четырёх одинаковых тензорезисторов не чувствителен к температуре: все плечи меняются одинаково, баланс сохраняется. В реальности тензорезисторы немного разные, клей и металл расширяются по-разному, модуль упругости металла зависит от температуры. Поэтому после сборки моста каждый датчик «доводят» подгоночными резисторами. Нажмите на резистор на схеме:
| Резистор | Что исправляет | Как подбирают | Параметр в паспорте |
|---|---|---|---|
| Баланс нуля | начальный разбаланс моста без нагрузки | малое сопротивление в плечо, пока выход без нагрузки не станет близким к нулю | Баланс нуля (НКП) — 1,0 % РКП |
| ТКН — компенсация температурного ухода нуля | дрейф нуля при изменении температуры | медная или никелевая проволока в плечо; по разнице нуля при двух температурах в камере | Температурное отклонение НКП — 0,017…0,026 % РКП / 10 °C |
| ТКЧ — компенсация чувствительности | изменение модуля упругости металла и k с температурой | термозависимый резистор в цепь питания моста | Температурное отклонение РКП — 0,012…0,016 % РКП / 10 °C |
| Нормирование | разброс чувствительности между датчиками | точный резистор в цепь питания; «срезает» выход до номинала | РКП 2,0 ± 0,004 мВ/В (SH3, SBM11, SHM14K), 3,0 ± 0,004 мВ/В (SH8C) |
Значения — из паспортов датчиков Sierra SH8C, SH8C4, SH3, SBM11, SHM9B, SHM14K, SH9F, SH2D4, SL6E.
Компенсация работает в диапазоне термокомпенсации: у большинства датчиков Sierra −10…+40 °C, у SHM9B и SH2D4 — −30…+40 °C. Рабочий диапазон шире (−35…+65 °C): датчик работает, но температурная погрешность может выйти за паспорт. Нормирование нужно для того, чтобы датчики можно было менять и соединять параллельно в сумматоре без перекалибровки углов «с нуля».
Сколько «гуляет» показание от температуры
Расчёт — оценка сверху: паспортные коэффициенты — предельные значения, у реального датчика уход обычно меньше. Уход нуля убирается обнулением весов, уход чувствительности — нет.
Герметизация и защита от влаги
Влага — главный враг наклеенного тензорезистора. Она проникает в клей и подложку, снижает сопротивление изоляции, вызывает дрейф нуля, а со временем — коррозию решётки. Поэтому последняя «грязная» операция перед калибровкой — защита зоны тензорезисторов.
| Способ | Как делают | Защита (примеры Sierra по паспортам) |
|---|---|---|
| Защитное покрытие | слой лака/покрытия поверх тензорезисторов и пайки | основа для любой защиты |
| Заливка компаундом | карман с тензорезисторами заливают герметиком (в прежней версии статьи для колонн — компаунд на основе эпоксидной смолы), закрывают крышкой/пластиной | IP65 — SL6E; IP67 — SH8C, SH3, SH2D4, SH9F |
| Герметичное исполнение | полость с тензорезисторами закрыта герметично (например, сильфоном или приварными элементами), кабель — через герметичный ввод | IP68 — SBM11 (сильфонный), SHM14K, SHM9B |
Кабельный ввод — такое же слабое место, как клей: по жилам кабеля влага может «затягиваться» внутрь. Поэтому кабель не режут и не оставляют открытый конец в сырости, а в соединительных коробках держат сухо.
Испытания и калибровка на заводе
Каждый датчик перед отгрузкой нагружают эталонными нагрузками и проверяют, укладываются ли погрешности в класс точности. Для весоизмерительных датчиков требования и методы испытаний задаёт рекомендация OIML R 60 (в России — ГОСТ 8.631-2013, гармонизированный с ней). Класс C3 означает, что датчик пригоден для весов класса III с числом поверочных интервалов до 3000.
Оборудование
- Эталонные гири (в прежней версии статьи — класса M1) или силовоспроизводящая машина.
- Прецизионный стабильный источник питания моста (пример из прежней версии: 5 В ± 0,001 %).
- Вольтметр или измерительный усилитель с разрешением порядка 0,1 мкВ.
- Климатическая камера для термоиспытаний (пример из прежней версии: −10…+50 °C).
- Мегаомметр на 50 В для проверки изоляции.
Процедура
- Преднагружение: несколько циклов до нагрузки выше номинала (в прежней версии статьи — 110 % НПИ), чтобы «приработать» клеевой слой.
- Три цикла нагружения-разгрузки с отсчётами в нескольких точках шкалы (в прежней версии — 10 точек).
- Расчёт погрешностей: нелинейность, гистерезис, неповторяемость.
- Ползучесть: выдержка под номинальной нагрузкой 30 минут.
- Температурные испытания: уход нуля и чувствительности на краях диапазона термокомпенсации.
- Изоляция, входное и выходное сопротивление, баланс нуля — в паспорт.
| Параметр | Формула | Допуск в прежней версии статьи | Паспорта Sierra (C3) |
|---|---|---|---|
| Нелинейность | L = |Δmax| / FS × 100 % | < 0,05 % | 0,017 % РКП (SH3, SBM11, SHM9B, SHM14K, SH9F) |
| Гистерезис | H = |Uразгр − Uнагр| / FS × 100 % | < 0,03 % | входит в общую ошибку 0,020 % РКП |
| Неповторяемость | R = max|Ui − Ū| / FS × 100 % | < 0,02 % | 0,01 % РКП |
| Ползучесть | изменение выхода за 30 мин под нагрузкой | — | 0,014–0,020 % РКП / 30 мин |
FS — полная шкала (выход на НПИ). Δmax — наибольшее отклонение от прямой между нулём и НПИ.
Нелинейность и гистерезис по результатам нагружения
Введите выход датчика (мВ/В) при нагружении и разгрузке. Пример — условный датчик 2 мВ/В.
Подробно про параметры паспорта — в статье «Характеристики тензодатчиков»; калибровка весов уже на объекте — в статье «Калибровка тензодатчиков и весов».
Дефект датчика → производственная причина
Большинство «болезней» тензодатчика закладываются на производстве. По симптому можно понять, на каком этапе была ошибка.
| Симптом | Вероятная причина в производстве |
|---|---|
| Ползучесть | мягкий или недоотверждённый клей, толстый клеевой слой, остаточные напряжения металла |
| Гистерезис | трение в местах крепления, пластичность клея, недостаточная термообработка |
| Температурный уход нуля | разные тензорезисторы в плечах, неодинаковые проводники, неточная компенсация ТКН |
| Нелинейность | геометрия упругого элемента, контактные поверхности, неоптимальные места наклейки |
| Чувствительность к положению груза | неточная ориентация решёток, асимметрия упругого элемента, неравные деформации плеч |
| Падение изоляции | нарушена герметизация, остатки флюса, повреждённый кабельный ввод |
| Сдвиг нуля после перегруза | пластическая деформация элемента: превышена предельная нагрузка (150 % НПИ по паспортам Sierra) |
Можно ли сделать тензодатчик своими руками
Для учёбы, эксперимента или разового стенда — да: купить готовые фольговые тензорезисторы, наклеить их на металлическую пластину или балку цианоакрилатным клеем, собрать мост и подключить к модулю HX711 (см. статью «Тензодатчик с Arduino и HX711»). Такой датчик покажет изменение нагрузки.
Для весов, по которым ведут расчёты с клиентами или контролируют технологию, — нет. Паспортную точность класса C3 обеспечивают не тензорезисторы сами по себе, а весь цикл: термообработанный и стабилизированный металл, клей горячего отверждения, оснастка для точной наклейки, термокамера для компенсации, эталонные нагрузки для калибровки, герметизация. Воспроизвести это вне завода дороже, чем купить готовый датчик.
Готовые датчики всех основных типов — в каталоге «Тензодатчики Sierra»; у каждой модели в карточке есть паспорт с характеристиками.
Тип, номинал, класс защиты, узлы встройки — поможем подобрать и проверить совместимость с терминалом.
Каталог тензодатчиковПроверьте себя
Для теста включите JavaScript. Ответы: 1 — 0,2 %; 2 — в зоне наибольшей деформации; 3 — эпоксидный или фенольный горячего отверждения; 4 — ползучесть; 5 — нормирование; 6 — 50 В.
Частые вопросы
Из чего делают тензодатчики?
Упругий элемент — из конструкционной стали с никелировкой, нержавеющей стали или алюминиевого сплава (одноточечные датчики). На него наклеивают фольговые тензорезисторы, чаще всего из константана, соединяют их в мост Уитстона и герметизируют.
Какой клей используют для тензорезисторов?
Для лабораторных измерений — цианоакрилатный (например, M-Bond 200): отверждается за минуты при комнатной температуре. Для серийных весоизмерительных датчиков — эпоксидные и фенольные клеи горячего отверждения: они дают тонкий жёсткий слой с малой ползучестью. Режим — по инструкции производителя клея.
Где клеят тензорезисторы на балке?
В зоне наибольшей деформации: у балки на изгиб — у заделки, два сверху (растяжение) и два снизу (сжатие); у балки на сдвиг — в карманах у нейтральной оси под углом ±45°. Так два плеча моста растягиваются, а два сжимаются.
Что такое термокомпенсация тензодатчика?
Подбор резисторов, которые убирают температурный уход нуля и чувствительности. Датчик испытывают в термокамере при разных температурах и впаивают компенсирующие резисторы. У датчиков Sierra диапазон термокомпенсации −10…+40 °C (у SHM9B и SH2D4 −30…+40 °C).
Зачем нормируют выход тензодатчика?
Чтобы все датчики одной модели имели одинаковую чувствительность, например 2,0 ± 0,004 мВ/В. Тогда их можно соединять параллельно в сумматоре и менять без полной перекалибровки весов.
Можно ли сделать тензодатчик своими руками?
Для учёбы и экспериментов — да: наклеить тензорезисторы на металлическую балку и подключить к HX711. Точность промышленного датчика класса C3 без термообработки, клея горячего отверждения, термокомпенсации и калибровки на эталонах не получить.
Можно ли переклеить тензорезистор на сломанном датчике?
Практически нет: после вскрытия и переклейки метрологию не восстановить без заводского оборудования. На объекте ремонтируют кабель и кабельный ввод, а датчик с повреждённой наклейкой меняют.
Как на заводе проверяют тензодатчик?
Нагружают эталонными нагрузками в нескольких циклах, считают нелинейность, гистерезис, неповторяемость, меряют ползучесть за 30 минут, уход нуля и чувствительности в термокамере, сопротивление изоляции при 50 В и сопротивления моста. Требования — по OIML R 60.
Словарь
- Упругий элемент
- Металлическая деталь датчика, которая деформируется под нагрузкой пропорционально силе.
- Тензорезистор
- Резистор, сопротивление которого меняется при деформации; в весах — решётка из фольги на полимерной подложке.
- Коэффициент тензочувствительности (k)
- Отношение ΔR/R к деформации ε; у константановой фольги около 2.
- База тензорезистора
- Длина активной части решётки вдоль оси чувствительности.
- Отверждение (полимеризация)
- Химическое затвердевание клея; у клеев горячего отверждения — по температурному режиму.
- Ползучесть
- Изменение выхода под постоянной нагрузкой во времени, в % РКП за 30 минут.
- Гистерезис
- Разница выхода при одной нагрузке, достигнутой нагружением и разгрузкой.
- ТКН / ТКЧ
- Температурный коэффициент нуля / чувствительности; в паспорте — температурное отклонение НКП / РКП в % РКП на 10 °C.
- Нормирование
- Подгонка выхода датчика к номинальной чувствительности резистором в цепи питания.
- РКП
- Рабочий коэффициент передачи — выход на номинальной нагрузке, мВ/В.
- НПИ
- Наибольший предел измерений — номинальная нагрузка датчика.
- Ra
- Среднее арифметическое отклонение профиля — показатель шероховатости поверхности, мкм.
Источники
- Паспорта тензодатчиков Sierra SH8C, SH8C4, SH3, SHM9B, SHM14K, SH9F, SH2D4, SBM11, SL6E, SL6W — материалы, чувствительность, погрешности, термокомпенсация, сопротивления, изоляция, IP, цвета жил (карточки каталога sierra.market).
- OIML R 60 «Metrological regulation for load cells»; ГОСТ 8.631-2013 «ГСИ. Датчики весоизмерительные. Общие технические требования. Методы испытаний».
- ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529) — степени защиты IP.
- Технологические режимы (подготовка поверхности, клеи, отверждение, контроль наклейки) — прежняя версия этой статьи (2025), ориентировочные; точные режимы — документация производителей тензорезисторов и клеев.
- Статьи базы знаний Sierra: «Что такое тензодатчик» (тензоэффект, мост, типы), «Как подключить тензодатчик».