В промышленных весоизмерительных системах тензодатчик является ключевым компонентом, преобразующим механическую нагрузку в электрический сигнал. От правильности подключения тензометрического датчика напрямую зависит точность измерений и долговечность всего оборудования. В этом подробном руководстве мы рассмотрим все аспекты подключения тензодатчиков - от принципа работы до практических схем монтажа.
Основой работы любого тензометрического датчика является тензоэффект - свойство проводника изменять свое электрическое сопротивление при механической деформации. Этот физический принцип был открыт еще в XIX веке, но свое практическое применение в промышленных измерениях нашел только в середине XX века.
Конструкция современного тензодатчика включает несколько ключевых элементов:
Упругий элемент - металлическая конструкция (балка, мембрана, колонна), которая деформируется под действием нагрузки. Этот элемент изготавливается из специальных сплавов с высоким пределом упругости.
Тензорезисторы - миниатюрные резисторы из металлической фольги, которые наклеиваются на упругий элемент в местах максимальной деформации. При деформации основания длина и сечение проводника тензорезистора изменяются, что приводит к изменению его электрического сопротивления.
Мостовая схема Уинстона - электрическая схема, в которой четыре тензорезистора соединены в мостовую конфигурацию. При отсутствии нагрузки мост сбалансирован, и выходное напряжение равно нулю. При приложении нагрузки баланс моста нарушается, и на выходе появляется сигнал, пропорциональный величине деформации.
Защитный корпус - герметичный корпус, защищающий чувствительные элементы тензодатчика от влаги, пыли и механических повреждений. В зависимости от условий эксплуатации, корпуса имеют различную степень защиты IP.
Кабельный ввод - специальное герметичное соединение для подключения кабеля к тензометрическому датчику, обеспечивающее защиту от попадания влаги внутрь корпуса.
Чувствительность тензодатчика выражается в милливольтах на вольт (мВ/В) и обычно составляет 1-3 мВ/В. Это означает, что при номинальном напряжении питания 10 В и полной нагрузке выходное напряжение датчика составит 10-30 мВ. Такие слабые сигналы требуют особого внимания при подключении и защите от помех.
Правильная установка тензодатчика - залог его долгой и точной работы. Нарушение этих правил может привести к необратимым повреждениям даже самого качественного тензометрического датчика:
Защита от механических повреждений - тензодатчики являются прецизионными приборами. Никогда не бросайте датчик, не допускайте ударов по корпусу, не роняйте прибор. При транспортировке используйте оригинальную упаковку.
Правильное обращение с кабелем - не поднимайте тензометрический датчик за кабель, избегайте резких изгибов и натяжения проводов. Минимальный радиус изгиба кабеля должен быть не менее 5-8 его диаметров.
Защита от сварочных токов - завершите все сварочные работы до установки тензодатчиков. Сварочный ток, проходящий через датчик, мгновенно выводит его из строя. Если сварка неизбежна после установки, отсоедините кабели от всех датчиков и закоротите их концы.
Подготовка посадочных мест - поверхности, на которые устанавливается тензометрический датчик, должны быть тщательно очищены, выровнены и проверены на параллельность. Используйте строительный уровень высокой точности.
Правильный инструмент - для проверки и настройки тензодатчика потребуется качественный мультиметр с высоким входным сопротивлением (не менее 10 МОм) и функцией измерения милливольт. Для проверки изоляции необходим мегаомметр.
Документация - всегда имейте под рукой технический паспорт и сертификат калибровки тензометрического датчика. В документации указаны номинальные значения сопротивлений, которые понадобятся при проверке.
Условия окружающей среды - калибровку и первоначальную настройку тензодатчика следует проводить в помещении со стабильной температурой, без сквозняков и вибраций. Температура должна соответствовать рабочему диапазону датчика.
Выбор схемы подключения тензометрического датчика зависит от его типа, расстояния до измерительного прибора и требований к точности. Рассмотрим две основные схемы подключения тензодатчиков.
Четырехпроводная схема является наиболее распространенным способом подключения тензометрических датчиков на небольших расстояниях (до 15-20 метров). Основные характеристики:
Проводная конфигурация:
Красный: Exc+ (Питание +)
Черный: Exc- (Питание -)
Зеленый: Sig+ (Сигнал +)
Белый: Sig- (Сигнал -)
Принцип работы четырехпроводного тензодатчика основан на подаче стабилизированного напряжения питания на входные клеммы (Exc+ и Exc-) и снятии пропорционального нагрузке сигнала с выходных клемм (Sig+ и Sig-).
Преимущества четырехпроводной схемы:
Недостатки четырехпроводного подключения тензодатчика:
Важное правило: Кабель четырехпроводного тензометрического датчика нельзя произвольно укорачивать или наращивать! Это неизбежно приведет к изменению характеристик прибора. Если наращивание неизбежно, используйте кабель того же типа, сечения и материала.
Шестипроводная схема подключения тензометрического датчика используется в случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность измерений на значительных расстояниях (более 20 метров) или в условиях сильных электромагнитных помех.
Проводная конфигурация:
Красный: Exc+ (Питание +)
Черный: Exc- (Питание -)
Зеленый: Sig+ (Сигнал +)
Белый: Sig- (Сигнал -)
Синий: Sense+ (Сенсор +)
Желтый: Sense- (Сенсор -)
Дополнительные сенсорные провода (Sense+ и Sense-) подключены непосредственно к измерительному мосту внутри тензодатчика и позволяют измерительному прибору компенсировать падение напряжения в силовых проводах питания.
Принцип компенсации в шестипроводном тензометрическом датчике:
Измерительный прибор подает напряжение питания по проводам Exc+ и Exc-.
Через сенсорные провода Sense+ и Sense- прибор измеряет фактическое напряжение на мосту Уинстона.
Если фактическое напряжение меньше требуемого, прибор автоматически увеличивает выходное напряжение.
Благодаря этому компенсируется падение напряжения в проводах питания.
Преимущества шестипроводного подключения тензодатчика:
Недостатки шестипроводной схемы:
Правильное определение назначения проводов - критически важный этап подключения тензометрического датчика. Большинство производителей придерживаются стандартной цветовой маркировки, но возможны исключения.
Стандартная цветовая схема для четырехпроводного тензодатчика:
Красный - Exc+ (Питание +)
Черный - Exc- (Питание -)
Зеленый - Sig+ (Сигнал +)
Белый - Sig- (Сигнал -)
Возможные варианты цветовой маркировки:
Стандартная цветовая схема для шестипроводного тензодатчика:
Красный - Exc+ (Питание +)
Черный - Exc- (Питание -)
Зеленый - Sig+ (Сигнал +)
Белый - Sig- (Сигнал -)
Синий - Sense+ (Сенсор +)
Желтый - Sense- (Сенсор -)
Особенности сенсорных проводов:
В практике часто возникает необходимость подключить тензодатчик с одним типом кабеля к оборудованию, рассчитанному на другой тип подключения.
При подключении четырехпроводного тензометрического датчика к шестипроводному входу измерительного прибора:
Подключите провода питания и сигнала напрямую: Красный → Exc+, Черный → Exc-, Зеленый → Sig+, Белый → Sig-
Установите перемычки: Красный (Exc+) → Синий (Sense+)
Установите перемычки: Черный (Exc-) → Желтый (Sense-)
При подключении шестипроводного тензометрического датчика к четырехпроводному входу:
Подключите основные провода: Красный → Exc+, Черный → Exc-, Зеленый → Sig+, Белый → Sig-
Установите перемычку: Красный (Exc+) → Синий (Sense+)
Установите перемычку: Черный (Exc-) → Желтый (Sense-)
Изолируйте неиспользуемые сенсорные провода, чтобы избежать короткого замыкания
Если документация к тензометрическому датчику утеряна, а цветовая маркировка нестандартная, распиновку можно определить с помощью мультиметра:
Отключите тензодатчик от всех устройств и подготовьте мультиметр в режиме измерения сопротивления (Ом).
Измерьте сопротивление между всеми возможными парами проводов. Для 4-проводного датчика выполните 6 измерений, для 6-проводного - 15 измерений.
Найдите пару проводов с наибольшим сопротивлением (обычно 350 Ом, 700 Ом или 1000 Ом) - это провода питания (Exc+ и Exc-).
Найдите пару проводов со средним значением сопротивления (близким к значению моста) - это сигнальные провода (Sig+ и Sig-).
Для шестипроводного тензометрического датчика найдите два провода, которые показывают очень низкое сопротивление (близкое к 0 Ом) при подключении к Exc+ и Exc- соответственно - это Sense+ и Sense-.
Для определения полярности внутри пар: подайте стабилизированное напряжение 5-10 В на предполагаемые Exc+ и Exc- и измерьте напряжение между предполагаемыми Sig+ и Sig-. Если показания положительные - полярность определена верно.
Правильное заземление и экранирование - обязательное условие для стабильной работы тензодатчиков. Слабый сигнал тензометрического датчика (обычно 0-30 мВ) крайне чувствителен к электромагнитным помехам.
Используйте кабель с металлическим экраном (оплеткой или фольгой с дренажным проводом) для всех тензометрических датчиков.
Заземляйте экран ТОЛЬКО С ОДНОЙ СТОРОНЫ - обычно со стороны измерительного прибора или балансировочной коробки. Заземление с двух сторон создает "земляную петлю".
Подключите экран к надежной точке защитного заземления (PE) в электрощите. Никогда не используйте "ноль" (N) в качестве заземления!
Для металлических корпусов тензодатчиков соедините корпус с экраном кабеля и заземлите через тот же провод PE.
В системах с несколькими тензометрическими датчиками соедините экраны всех кабелей внутри балансировочной коробки и заземлите в одной точке.
Используйте ферритовые фильтры на кабелях вблизи клемм контроллера для подавления высокочастотных помех.
Последствия неправильного заземления тензодатчиков:
В весовых системах с несколькими точками опоры (платформенные весы, бункерные весы, автомобильные весы) используется несколько тензодатчиков, сигналы которых необходимо суммировать и балансировать.
Зачем нужна балансировочная коробка для тензометрических датчиков?
Каждый тензометрический датчик подключается к коробке отдельным кабелем
Питание (Exc+ и Exc-) от контроллера подается на общие шины внутри коробки
Сигнальные провода (Sig+ и Sig-) от каждого датчика подключаются к балансировочным резисторам
Суммарный сигнал (Sum Sig+ и Sum Sig-) передается на весовой терминал
Экраны всех кабелей соединяются вместе и заземляются в одной точке
Процедура балансировки системы с тензодатчиками:
Установите весы на ровное основание и убедитесь, что платформа свободно лежит на датчиках
Снимите всю нагрузку с весов и обнулите показания на терминале
Поместите эталонный груз (20-30% от максимальной нагрузки) последовательно в зону каждого тензодатчика
Регулируйте подстроечные резисторы для каждого канала, пока показания не будут одинаковыми для каждого положения груза
После балансировки выполните полную калибровку весовой системы
Современные тензометрические датчики все чаще выпускаются в цифровом исполнении, что открывает новые возможности для интеграции в автоматизированные системы.
Особенности цифровых тензодатчиков:
Подключите провода питания тензодатчика к стабилизированному источнику 5V или 10V
Подключите сигнальные провода к усилителю для тензодатчиков (HX711)
Соедините усилитель с аналоговыми входами Arduino
Установите библиотеку для работы с тензодатчиками (HX711_ADC)
Напишите скетч для калибровки и считывания показаний
Реализуйте дополнительные функции: тарирование, усреднение, фильтрацию
Программные функции для работы с тензометрическими датчиками:
Правильная эксплуатация тензодатчиков значительно увеличивает их срок службы и сохраняет точность измерений.
Не превышайте максимальную нагрузку на тензодатчик (150% от номинальной обычно вызывает необратимую деформацию)
Защищайте датчики от боковых нагрузок и крутящих моментов, для которых они не предназначены
Обеспечьте соответствие условий эксплуатации классу защиты IP датчика
Регулярно очищайте тензометрический датчик от пыли и загрязнений сжатым воздухом
Не используйте агрессивные химические вещества для очистки корпуса датчика
Проводите периодическую поверку и калибровку весовой системы (рекомендуется 1 раз в год)
Контролируйте состояние кабелей и соединений
Типичный срок службы тензодатчиков: 5-10 лет при правильной эксплуатации. Факторы, сокращающие срок службы:
При появлении проблем в работе весовой системы первым шагом должна быть диагностика тензометрических датчиков.
Проверка сопротивления изоляции: Измерьте сопротивление между каждым проводом и экраном/корпусом мегаомметром (должно быть > 1000 МОм)
Проверка входного сопротивления: Измерьте сопротивление между Exc+ и Exc- (должно соответствовать паспортному значению ±1%)
Проверка выходного сопротивления: Измерьте сопротивление между Sig+ и Sig- (должно соответствовать паспортному значению ±1%)
Проверка сопротивления утечки: Измерьте сопротивление между Exc+ и Sig+, Exc+ и Sig-, Exc- и Sig+, Exc- и Sig- (должно быть > 5000 Ом)
Проверка нулевого сигнала: Подайте номинальное напряжение питания и измерьте выходное напряжение без нагрузки (должно быть в пределах ±1% от номинального выходного сигнала)
Проверка реакции на нагрузку: Подайте известную нагрузку и убедитесь, что изменение сигнала пропорционально приложенной силе
Типичные неисправности тензометрических датчиков:
Избегайте этих распространенных ошибок при работе с тензометрическими датчиками:
Перепутаны провода питания и сигнала при подключении тензодатчика
Неправильная полярность подключения питания к тензометрическому датчику
Использование неэкранированного кабеля или неправильное заземление экрана
Параллельное подключение нескольких тензодатчиков без балансировочной коробки
Неправильное соединение 4-х и 6-проводных компонентов системы
Подача слишком высокого напряжения питания на тензодатчик
Использование длинных кабелей без соответствующей компенсации
Пренебрежение температурной компенсацией в условиях переменных температур
Последствия ошибок подключения:
Для улучшения работы сайта и его взаимодействия с пользователями мы используем файлы cookie.
Продолжая работу с сайтом, Вы разрешаете использование cookie-файлов. Вы всегда можете отключить файлы cookie в настройках Вашего браузера.