Взвешенное решение для Вашего Бизнеса
г. Москва, Дмитровское шоссе, 71Б
Пн-Чт: 10:00-18:00
Пт: 10:00-17:00
Сб-Вс: Выходной
г. Москва, Москва, Дмитровское шоссе , 71 Б
Пн-чт 10:00-18:00
Пт 10:00-17:00
Заказать звонок
Войти

Что такое тензодатчик? Sierra.market

Самые читаемые
18 мар 2022
#Тензодатчики
Данная статья расскажет о принципе работы и разновидностях тензодатчиков.

Ссылка на тензодатчик
Что такое тензодатчик? Принцип работы

Тензодатчики: принцип работы и классификация

С развитием цифровых технологий возможностей механических весов стало недостаточно. Они не справлялись с такими задачами как быстрая передача выводных данных, проведение высокоточных измерений, снижение человеческого фактора, упрощение труда оператора.

Для преобразования «механического» сигнала в цифровой в составе весового оборудования стали использовать тензорезисторные датчики.

Принцип тензометрии

Тензометрия – это способ измерения напряжений и деформаций, которые возникают в той или иной конструкции, материале. Напрямую исследовать величину напряжения и деформации тела невозможно, поэтому существует методика «перевода» механической деформации в измеримый  электрический сигнал. Она реализована в конструкции тензодатчика.

В основу работы датчика положен тензоэффект. То есть способность твердого материала менять электрическое сопротивление при различных деформациях: сжатии, скручивании, растяжении.

В конструкции датчика главной деталью является тензорезистор (тонкая фольговая решетка, наклеенная на фенольную пленку). Он испытывает деформацию вместе с упругим элементом, что влечет за собой изменение электрического сигнала. Данные изменения фиксируются и передаются на электронные компоненты системы. Пользователь или оператор получают точную информацию в понятной форме (на табло, экране), могут использовать ее для любых вычислений и анализа с помощью компьютера.

Восприятие физического воздействия

Чтобы фиксировать величину физического воздействия на весовую платформу применяются тензодатчики с измерительными телами различных типов и форм. Распространенный пример такого измерительного тела – консоль или балка с упругим элементом в составе. Под воздействием прилагаемой силы тензодатчик деформируется (сжимается, растягивается, скручивается), а когда воздействие устранено – восстанавливает первоначальную геометрию.

Измерительное тело тензодатчика сконструировано таким образом, чтобы деформация приходилась на определенную зону. В случае с балкой наибольшее напряжение будет выявлено на тонких участках (концентраторах напряжения). Строго на них устанавливают тензорезисторы, соединенные проводниками в мост Уинстона. Если бы балка была цельной, без отверстий, то нагрузка распределялась бы непредсказуемо сложным образом по всей конструкции, и выявить деформацию было бы крайне сложно, даже используя чувствительные сенсоры.

Измерительные тела тензодатчиков различаются по типу воспринимаемой нагрузки и строению:

·         Консольные(балочные) – представляют собой балку, которая работает на сдвиг или изгиб. Используются в конструкции бункерных, платформенных весов

·         S-образные – работают на растяжение и сжатие. Тензодатчики на их основе подходят для измерения поднимаемых грузов;

·        Мембранные(шайбы) – наименее чувствительны к скручиванию. Датчики на их основе широко применяются в весах разных типов;

·        Колонные (стержневые) – работают на сжатие. Устанавливаются в оборудование с высокой грузоподъемностью;

·         Торсионные – воспринимают усилие скручивания и т.д.

Преобразование механических данных в цифровой сигнал

Груз уложен на весы, принимающий механизм деформировался вместе с установленным на него тензоэлементом –  фольговой решеткой. Далее в работу вступает электрическая часть тензодатчика.

В состоянии покоя фольговая решетка тензорезистора имеет определенное сечение и длину нитки. Мы точно знаем электрические параметры этого элемента, в частности – сопротивление. Когда тензоэлемент деформируется, длина его ниток меняется.

Если в качестве основания используется простая балка – дорожки растягиваются, а их поперечное сечение уменьшается. Омическое сопротивление тензорезистора увеличивается. При сжатии мы наблюдаем обратный эффект – сопротивление уменьшается из-за сжатия дорожек и увеличения их сечения. Именно электрические параметры, разница между нулевым и выходным сигналом в дальнейшем будут обработаны и преобразованы в понятную для нас форму.



Мостовая измерительная схема

В большинстве датчиков не один тензорезистор, а четыре. Схему, состоящую из них, называют мостом Уитсона. Такой тензодатчик устроен следующим образом:

·         четыре резистивных элемента расположены на гибкой подложке и включены в плечи моста;

·         тензорезисторы равнозначны, поэтому в состоянии покоя ток в схеме не фиксируется измерительными приборами (в действительности токовая нагрузка возникает из-за несовершенства конструкции и температурных колебанй, но находится в строго определенных пределах);

·         при деформации гибкой подложки происходит попарное сжатие и растяжение тензорезисторов, как следствие – изменение рабочих параметров в цепи моста;

·         данные об изменениях в виде электрического напряжение на сигнальных выходах передаются на вторичные преобразователи;

·         после снятия нагрузки с весовой платформы гибкий элемент возвращается в исходное положение, мост переходит в состояние равновесия.

Полномостовой четырехпроводный датчик подключается в общую цепь. При этом соблюдают цветовую маркировку проводов: как правило, красный и черный использую для подачи напряжения, белый и зеленый – для съема полученного сигнала. Кабель также имеет экранирующий провод для защиты от помех. Цветовая маркировка может быть различной у разных производителей и в основном определяется цветовой маркировкой используемого кабеля.

Четырехпроводные датчики подходят для подключения непосредственно к контрольному блоку. Если замеры происходят в одном месте, а вывод и анализ данных с тензодатчика – в другом, то используют шестипроводную схему подключения. Она исключает влияние сопротивления питающих проводников на результаты измерений. С двух дополнительных проводов (+ Sen и – Sen) снимают данные о падении напряжения. Полученную величину затем вычитают из основного результата. Четырехпроводные схемы не рекомендуется удлинять или укорачивать, чтобы не снизить точность тензодатчика.

Типы датчиков по методу измерения

 Для описания принципа действия тензодатчика мы привели пример простого четырехпроводного устройства. На рынке весоизмерительного оборудования представлено множество других сенсоров, которые удобны для решения конкретных задач:

1.       Резистивные. В основе устройства – тензорезистор.

2.       Тактильные. В основе датчика такого типа – два проводника, разделенные диэлектрическим слоем. При восприятии нагрузки проводники сближаются и продавливают мягкую прослойку. В цепи возникает ток с определенными параметрами сопротивления, которые зависят от расстояния между деталями.

3.       Пьезоэлектрические, пьезорезонансные. Работают по технологии полупроводников. Кристаллы воспринимают усилие и измеряют величину зарядов или сравнивают сигнал с эталоном.

4.       Магнитные. В качестве грузопринимающего элемента используется магнитный сердечник, окруженный катушкой. При деформации сердечник влияет на электромагнитный поток в катушке, что позволяет измерять отклонения индуктивности.

5.       Емкостные. Работают по технологии переменного конденсатора. При восприятии нагрузки токопроводящие пластины сближаются, емкость между ними возрастает. Величина отклонения фиксируется и преобразуется в удобную для восприятия форму.

Преимущества и недостатки тензодатчика

Несмотря на разнообразие весоизмерительных датчиков, чаще всего в конструкции современного оборудования используют именно тензорезистивные датчики. Они обеспечивают широкий диапазон и высокую точность измерений (до 0,017%, в зависимости от модели), в том числе при высокой частоте динамических деформаций основания. С условием компенсации тензодатчики работают в широком диапазоне температур. За счет плоской компактной конструкции они легко монтируются на ровные и криволинейные поверхности.

Тензодатчики можно соединить напрямую с контрольным блоком или установить на расстоянии от АЦП. Их используют для проведения измерений на движущихся деталях, одновременно в нескольких точках конструкции и т.д.

К условным минусам тензодатчиков относят:

·         зависимость чувствительности от температуры и влажности окружающей среды (легко компенсируется);

·         снижение точности показаний в условиях вибрации;

·         необходимость усилителей сигнала в конструкции тензодатчика, так как малые скачки сопротивления могут восприниматься некорректно;

·         уязвимость механизма в условиях агрессивной среды (важно защитить компоненты весоизмерительной системы от коррозии, воды, химически активных веществ, механических повреждений).

Тензодатчики используют в составе бытовых, промышленных, высокоточных, специализированных весоизмерительных приборов. Они имеют невысокую стоимость, в исключительных случаях ремонтопригодны, широко представлены в разных ценовых сегментах.

Основные характеристики тензодатчика

Вот ключевые параметры, по которым выбирают тензодатчик для конкретного оборудования:

·         Класс точности измерения, величина погрешности, количество проверочных делений. Приборы класса G (G1, G2, G3 итд) имеют наименьшую точность, а устройства с маркировкой C (С1, С2, С3) – наибольшую. Данные параметры тензодатчика регламентируются государственными стандартами.

·         Грузоподъемность. Параметр указывает на максимальный вес, который способна принимать консоль, мембрана или колонна, испытывая упругую деформацию. Если подается разрушающая нагрузка, не исключена необратимая деформация, которая приведет к поломке измерительного оборудования.

·         Материал корпуса тензодатчика. Чаще всего его изготавливают из никелированной или нержавеющей стали или алюминиевого сплава. От состава металла напрямую зависит способность тензодатчика воспринимать нагрузки, упругость и долговечность всего механизма.

·         Количество диапазонов. Датчик может быть одно-, двух- и многоинтервальным. Для повышения точности измерений на малых нагрузках лучше использовать устройства с несколькими диапазонами, так как они выдают минимальную дискрету. 

·         Пылевлагозащищенность корпуса. Обозначается индексом IP и двумя цифрами, первая из которых указывает на степень защиты от пыли, вторая – от влаги. Приборы с маркировкой IP68 можно использовать в грязной среде и погружать в воду, IP 24 подходят только для применения в чистом сухом помещении.

·         Компенсированный температурный диапазон. Точность зависит от условий среды, поэтому в нижней и верхней части рабочего диапазона показания тензодатчика нуждаются в компенсации. Стандартные модели корректно работают при температуре от -40 до +65 градусов. Существуют тензодатчики для особых условий эксплуатации.

Среди важных параметров датчика стоит отметить чувствительность, максимальное и рекомендуемое напряжение питания, входное и выходное сопротивление. Электрические параметры важны при тестировании датчика в случае неисправности. Они зафиксированы в технической документации и сертификате о калибровке прибора, потребуются при настройке оборудования.

Размеры корпуса влияют на специфику монтажа тензодатчика. Габариты особенно важны, если предстоит установка в стесненных условиях, на криволинейную поверхность.

Конструкция весов с тензодатчиком

Базовое единицей весоизмерительного оборудования можно считать тензорезистор. В случае тензодатчиков, он не является полноценным измерительным прибором, но позволяет «перевести» механическую деформация в цифровую форму по вышеописанному принципу.

Первичным преобразователем измерения массы является тензодатчик. Он состоит из тензорезистора и измерительного тела (балки, колонны и т.д.), которое имеет зону упругости.

С тензодатчика сигнал передается на вторичный прибор учета – терминал. Он преобразует данные в понятную для оператора или компьютера форму, позволяет считать, проанализировать, сохранить полученную информацию. В современных весоизмерительных системах терминалы, как правило, совместимы с несколькими видами тензодатчиков, с которыми имеют общий протокол передачи данных. Заменить один прибор на другой, не перестраивают всю систему, не представляет трудностей.

В комплекс весоизмерительного оборудования может входить весоприемное устройство, тензодатчик, монтажные приспособления и другие узлы, в зависимости от назначения техники. Периферийные приспособления – выносные табло, приборы фото- и видеофиксации, программное обеспечение – напрямую не участвуют во взвешивании, но расширяют возможности тензометров.

Другие примеры использования тензодатчиков

Тензодатчики нужны не только в составе весоизмерительного оборудования. Они являются важным компонентом других промышленных агрегатов, применяются для измерения следующих показателей:

·         деформирующих усилий – в составе штамповочных прессов, прокатных станов, других металлообрабатывающих машин;

·         напряженно-деформационных нагрузок в составе строительных конструкций (при возведении, эксплуатации, в процессе экспертизы);

·         давления в нефте-, газопроводах и других коммуникациях;

·         силы затяжки в электрических приборах, монтажном оборудовании и т.д.

Технологичность, универсальность, удобство использования и выгодная стоимость – это ключевые факторы, которые влияют на востребованность тензодатчиков разных типов. Устройства, работающие по закону Гука, будут еще активнее применяться в промышленном оборудовании и бытовой технике.