Миниатюрные тензодатчики (минисенсоры): как выбрать для стенда и робототехники

Где применяют миниатюрные тензодатчики

Минисенсор устроен так же, как большой весовой датчик: на упругом элементе наклеены тензорезисторы, собранные в мост (подробно — в статье «Что такое тензодатчик»). Отличаются номинал, размер и то, куда датчик встраивают. Большой датчик стоит под платформой весов. Минисенсор обычно работает внутри механизма, и сила на него часто приходит не сверху, а сбоку, через рычаг или тягу.

Порядок выбора один для всех этих задач: определить вид нагрузки → посчитать номинал с запасом → проверить габарит и крепёж → подобрать электронику → откалибровать. По этим шагам и построена статья.

Виды миниатюрных тензодатчиков

Конструкцию выбирают по тому, как сила попадает на датчик. Если конструкция выбрана неверно, датчик не удастся нормально закрепить, а боковые силы исказят показания. Нажмите на вид, чтобы увидеть схему нагружения и модели каталога Sierra.

Балочка (параллелограмм)

Самый распространённый вид минисенсора. Это алюминиевый брусок со сквозным окном в форме «очков» или прорези: под нагрузкой он изгибается S-образно, как параллелограмм. Один конец крепят винтами к основанию, на другой ставят площадку, рычаг или толкатель. Сила действует поперёк длинной оси. В каталоге Sierra так устроены Q70X5X9-H, Q84x5x12, Q45, 1X, 1A, 1HM, 1F6-S, 1V3-350. По тому же принципу работают малые одноточечные SL6J1 (от 0,6 кг) и SL6H5 (от 4 кг), но у них есть полный паспорт.

Тонкая полоса

2A — пластина длиной 31,7 мм и шириной 7,9 мм, толщина по карточке 1–2 мм. Её встраивают туда, где брусок не помещается: в тонкие механизмы и детали, которые работают на изгиб. Исполнения по карточке: 15 lb (6,8 кг) с мостом 350 Ом и 50 lb (22,68 кг) с мостом 1000 Ом.

Плоский датчик для напольных весов

2N — плоский корпус 42 × 42 × 9,6 мм (по карточке) на 40 или 50 кг. Такие датчики ставят по углам платформы бытовых напольных весов, а в проектах на Arduino из них собирают весы из нескольких датчиков. Схему включения (мост или полумост) и число жил проверьте по фото и этикетке исполнения или уточните у менеджера Sierra: в карточке эти данные совпадают с другими моделями (см. примечание к таблице).

Растяжение-сжатие (S-образный)

Если сила действует вдоль тяги (трос, толкатель, подвес), нужен датчик с резьбой по оси нагрузки. Самый малый такой датчик в каталоге — S-образный SH3: исполнения от 5 кг, корпус около 51 × 64–76 мм (по исполнениям карточки), резьба M8 или M12. Он работает и на растяжение, и на сжатие. Подробнее — в разделе о точке приложения силы.

Шайба (сжатие по оси)

Мембранный датчик-шайба воспринимает сжатие по оси при малой высоте. Это вариант для прессов, упоров и толкателей. Самая малая шайба в каталоге Sierra — SH2D4: исполнения от 50 кг в корпусе Ø90 × 25 мм. SH2F и SH2T — от 1 т. Кнопочных датчиков диаметром 10–30 мм в каталоге Sierra сейчас нет. Если нужна именно «кнопка», опишите задачу менеджеру Sierra.

Специальный датчик силы

SL16B — датчик силы для измерения натяжения ручного тормоза автомобиля (так указано в карточке). Балка 84 × 65 × 12 мм с нажимным винтом, исполнение SL16B-C1-150kg.

SL6E · Одноточечный (тот же принцип, что у балочки) SH3 · Растяжение-сжатие SH2D4 · Шайба

3D-модели датчиков Sierra. Нажмите на карточку, чтобы открыть раздел каталога.

Миниатюрные тензодатчики в каталоге Sierra

В таблице — все модели подраздела «Миниатюрный тензодатчик, минисенсор», а также малые одноточечные датчики, S-образные датчики и шайбы с номиналом до 1 т. Номиналы, габариты, резьба и длина кабеля взяты из исполнений карточек (сентябрь 2026). Фильтр показывает модели, у которых есть исполнение не меньше нужного номинала.

Паспортные данные малых датчиков

Для датчиков, у которых в карточке есть PDF-паспорт, приводим ключевые строки паспорта. По этим данным можно считать сигнал и запас.

Источник: паспорта SL6J1, SL6H5, SL6N, SH3, SH2D4 из карточек каталога sierra.market. В каталоге продаются не все номиналы из паспорта, актуальные исполнения — в первой таблице.

Мастер подбора: сила, вид нагрузки, габарит → модель

Введите наибольшую рабочую силу или массу, опишите, как она приложена, и задайте ограничения по размеру. Мастер делит нагрузку на число датчиков, добавляет запас по характеру нагрузки и выбирает из исполнений каталога ближайший номинал вверх, который помещается в габарит.

Мастер работает только с номиналами и габаритами из исполнений карточек. Если в карточке габарит указан лишь для части исполнений, модель показана с пометкой. Цены и наличие смотрите в карточке.

Перевод единиц: кг, Н, кН, lbf

Номинал датчиков Sierra указан в граммах, килограммах или тоннах, то есть в единицах массы. Для весов это удобно: 1 кг массы давит на датчик силой 1 кгс. Усилие на стенде чаще задают в ньютонах, а в американских чертежах и на части минисенсоров — в фунтах (lb, lbf). Например, у 2A номиналы указаны как 15 LB и 50 LB.

Когда датчик стоит в линии силы (например, толкатель давит на кнопку с усилием 20 Н), переведите силу в кгс и выберите номинал в «кг»: 20 Н ÷ 9,80665 ≈ 2,04 кгс, то есть датчик нужен на 3 кг и больше с учётом запаса. Датчик, который откалиброван гирями в граммах, после калибровки показывает кгс. Чтобы получить ньютоны, умножьте показание на 9,80665.

Номинал с запасом: перегрузка и удар

НПИ (номинальная нагрузка) — сила, при которой гарантированы паспортные характеристики. Для датчиков с граммовым номиналом запас особенно важен: их упругий элемент тонкий, и его легко «пережать» пальцем, ключом при монтаже или ударом захвата.

Три уровня нагрузки из паспорта

• До 100 % НПИ — рабочий диапазон: погрешности в пределах паспорта.
• До предельной нагрузки — датчик не повреждается, но точность выше НПИ не гарантирована. У SL6J1 и SL6H5 по паспорту — 120 %, у SL6N, SH3, SH2D4 — 150 %. В карточках минисенсоров: 120 % у 1X, 1V3-350, 2A, 2N и 150 % у Q70X5X9-H, Q84x5x12, Q45, 1A, 1HM, 1F6-S.
• До разрушающей нагрузки — остаточная деформация, сдвиг нуля, риск разрушения. По паспортам SL6J1 и SL6H5 разрушающая нагрузка — 150 % (у датчиков на 120 % запас между предельной и разрушающей ещё меньше), у SL6N и SH2D4 — 200 %, у SH3 — 300 %.

Практическое правило: в работе не нагружать малый датчик больше чем на 70–80 % НПИ, а при ударах, рывках и в роботах — на 50 %. Предельная нагрузка — страховка от случайности, закладывать её в расчёт нельзя. Если удар возможен (падение детали, заклинивание привода), ставят механический упор: он забирает на себя силу раньше, чем датчик дойдёт до предельной нагрузки (см. монтаж).

Сколько даёт внезапная нагрузка

Если груз не опускают плавно, а отпускают сразу над датчиком (без падения), пиковая сила в упругой системе без демпфирования достигает двойного веса груза. При падении с высоты пик ещё больше и зависит от жёсткости датчика и опоры. Точно его без измерений не посчитать, поэтому в таких случаях ставят упор или демпфер.

Коэффициенты 1,5 и 3 — оценки для начального выбора, а 2 — теоретический предел для мгновенно приложенной нагрузки. Реальный пик при ударе измеряют на стенде, а сам датчик защищают упором.

Точка приложения силы и боковые нагрузки

Балочка-параллелограмм устроена так, чтобы показание почти не зависело от того, в каком месте площадки лежит груз. Насколько «почти», указано в паспорте строкой «угловая коррекция»: у SL6J1, SL6H5 и SL6N — 0,02 % от нагрузки на 100 мм смещения при платформе 200 × 200 мм (SL6J1, SL6H5) и 350 × 350 мм (SL6N). Для минисенсоров без паспорта такой цифры нет, поэтому смещение нагрузки проверяют при калибровке: кладут одну и ту же гирю в центр и по углам.

Боковые силы и кручение

Датчик меряет силу только по своей оси чувствительности, но всё, что приходит сбоку, его нагружает. Боковая сила, момент от длинного рычага, кручение от перекоса креплений добавляют ошибку и отнимают запас прочности. Особенно это заметно у 2A и балочек сечением 5–10 мм. Чтобы в датчик приходила только измеряемая сила:

• подводите силу через шарик, сферическую шайбу или шарнир по оси чувствительности;
• на стендах с приводом ставьте направляющие, чтобы шток не давил на датчик вбок;
• для тяги используйте гибкую связь или проушины с шарниром (у S-образного SH3 для этого есть узлы встройки);
• не крепите к подвижной части датчика тяжёлые кронштейны: их масса станет тарой, а при ускорении робота — ещё и динамической нагрузкой.

Монтаж и крепёж минисенсора

Ошибки монтажа в минисенсоре обходятся дороже, чем в большом датчике: винт M3, затянутый с силой на «весы для грузовика», уже перегружает балочку на 100 г. Выберите вариант, чтобы увидеть правильную схему и типичные ошибки.

Правила крепления балочки

1. Крепите только за концевые зоны с резьбовыми отверстиями. Один конец — к жёсткому основанию, другой — к площадке или рычагу. Середина датчика с окном и тензорезисторами (обычно под белым защитным покрытием) должна висеть свободно.
2. Ставьте проставки под оба конца, чтобы при прогибе балочка не касалась основания и площадки.
3. Длина винта — чтобы он не упирался в дно отверстия и не доходил до зоны тензорезисторов.
4. Направление силы — по стрелке на корпусе, если она есть, и по оси чувствительности.
5. Упор от перегрузки — жёсткий винт или выступ под подвижным концом с зазором, выставленным по гире: упор должен сработать раньше, чем нагрузка дойдёт до предельной.
6. Не нагружайте датчик при затяжке: придерживайте подвижный конец ключом за площадку, а не через датчик.
7. Кабель закрепите на основании рядом с датчиком, чтобы его натяжение не превращалось в силу. Кабель не укорачивают без необходимости: подробности в статье о подключении.

Резьба и кабель по исполнениям каталога

По полям «Резьба» и «Кабель» исполнений карточек. Прочерк — в карточке не указано. Момент затяжки в карточках не указан, уточняйте у менеджера Sierra.

Малый сигнал: сколько милливольт даёт минисенсор

Выход моста пропорционален питанию и нагрузке: U_вых = РКП × U_пит × F / НПИ. Малый датчик сам по себе не «тише» большого: при равном РКП он даёт те же милливольты на номинале. Трудность в другом: нужное разрешение измеряется долями грамма, а это микровольты.

Цвета жил

По паспортам SL6J1, SL6H5 и SL6N подключение 4-проводное: красный — питание (+), чёрный — питание (−), зелёный — сигнал (+), белый — сигнал (−), прозрачный — экран. У минисенсоров без паспорта цвета сверяйте с этикеткой исполнения. Если выход растёт не в ту сторону, поменяйте местами сигнальные жилы (подробнее — в статье «Как подключить тензодатчик», мостовая схема — в статье «Мостовая схема»).

Цвета жил — по паспортам SL6J1, SL6H5, SL6N. Экран подключают к GND модуля с одной стороны.

HX711: сигнал, разрешение и шум

HX711 — 24-битный АЦП для мостовых датчиков. Он питает мост, усиливает сигнал и передаёт код по двум проводам. По даташиту у канала A усиление 128 или 64, диапазон входа — ±0,5 × AVDD / усиление, то есть ±20 мВ при усилении 128 и AVDD = 5 В. Частота данных — 10 или 80 Гц. Шум входа при усилении 128 — 50 нВ СКЗ при 10 Гц и 90 нВ СКЗ при 80 Гц. Подключение, библиотеки и скетчи разобраны в статье «Тензодатчик с Arduino и HX711». Калькулятор ниже показывает, какую часть диапазона займёт ваш датчик и какой шаг в граммах можно ожидать в лучшем случае.

Как читать результат. Разрядность HX711 огромная, и на практике точность ограничивает не она, а шум модуля и проводов, дрейф нуля от температуры, механика и ползучесть датчика. Значения калькулятора — теоретический предел по даташиту: реальный модуль с проводами и питанием от USB шумит сильнее. Если датчик занимает меньше 30 % диапазона (РКП 1 мВ/В — это около 26 % при усилении 128), разрешение в граммах получается хуже, чем у датчика на 2 мВ/В того же номинала.

Когда HX711 мало: SMB101, FD-3 и весовые индикаторы

HX711 хорош для макета и прибора, который собирают своими силами. Если датчик работает в составе промышленного стенда или линии и сигнал нужно передать в ПЛК или SCADA, выбирают готовый преобразователь в корпусе.

Как выбрать индикатор и что значат его характеристики, разобрано в статье «Весовой индикатор». Все преобразователи — в разделе «Усилители сигнала».

Калибровка малыми гирями

Минисенсор без паспорта калибруют в сборе, вместе с площадкой и электроникой. Даже у датчика с паспортом РКП задан с допуском (у SL6J1 — 1,0 ± 0,1 мВ/В), поэтому калибровка нужна всегда. Общая методика калибровки весов — в статье «Калибровка тензодатчиков».

1. Прогрейте электронику и датчик 10–15 минут при той температуре, при которой прибор будет работать.
2. Ноль: пустая площадка (с захватом, рычагом), запомнить сырой код АЦП R₀, усредняя 10–20 отсчётов.
3. Гиря известной массы m, лучше 50–100 % рабочего диапазона: запомнить код R₁. Коэффициент k = (R₁ − R₀) / m.
4. Проверка: вторая гиря другой массы и гиря по углам площадки. Разница показывает нелинейность и влияние смещения груза.
5. Повтор: снять и положить гирю 3–5 раз. Разброс показаний — реальное разрешение, а не число разрядов АЦП.

Для граммовых датчиков берите гири известного класса точности по ГОСТ OIML R 111-1: погрешность гири прямо входит в погрешность калибровки. Гири кладите пинцетом или в перчатках, без удара: 20-граммовый датчик легко перегрузить, уронив на него гирю.

Типичные проблемы: симптом → причина

Проверка самого датчика мультиметром (сопротивления моста, изоляция, выход без нагрузки) описана в статье «Как проверить тензодатчик», а поиск неисправности в системе — в статье «Тензодатчик не работает».

Чек-лист перед заказом минисенсора

Соберите эти данные, и менеджер Sierra сможет подобрать датчик и электронику по одному сообщению.

Проверьте себя

Частые вопросы

Словарь

Минисенсор

Миниатюрный тензодатчик с номиналом от граммов до десятков килограммов, обычно в форме балочки-параллелограмма.

НПИ

Наибольший предел измерений (номинальная нагрузка) — нагрузка, до которой гарантированы паспортные характеристики.

Предельная нагрузка

Наибольшая нагрузка, после снятия которой характеристики датчика не меняются, % НПИ. У малых датчиков бывает 120 %.

Разрушающая нагрузка

Нагрузка, при которой возможно разрушение упругого элемента, % НПИ.

РКП

Рабочий коэффициент передачи (чувствительность): выход на НПИ в мВ на 1 В питания.

Угловая коррекция

Паспортный допуск на изменение показаний при смещении груза от центра площадки, % от нагрузки на 100 мм.

HX711

24-битный АЦП с усилителем для мостовых датчиков, частота данных 10 или 80 Гц.

кгс, Н, lbf

Единицы силы: 1 кгс = 9,80665 Н, 1 lbf = 4,44822 Н.

Упор от перегрузки

Жёсткий ограничитель хода подвижного конца датчика, который забирает силу до предельной нагрузки.

Источники

• Карточки каталога sierra.market, подраздел «Миниатюрный тензодатчик, минисенсор»: исполнения, номиналы, габариты, резьба, кабель, предельная и разрушающая нагрузка (сентябрь 2026).
• Паспорта тензодатчиков Sierra SL6J1, SL6H5, SL6N, SH3, SH2D4 (карточки каталога): РКП, предельная и разрушающая нагрузка, сопротивления, питание, IP, угловая коррекция, размер платформы, цвета жил.
• Карточки преобразователей SMB101 и FD-3 (раздел «Усилители сигнала»).
• Даташит Avia Semiconductor HX711 «24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales»: усиление, входной диапазон, частота данных, шум.
• ГОСТ 8.631–2013 (OIML R 60:2000) «Датчики весоизмерительные. Общие технические требования. Методы испытаний».
• ГОСТ 8.417–2002 «Единицы величин»: ньютон; стандартное ускорение свободного падения 9,80665 м/с².
• ГОСТ OIML R 111-1–2009 «Гири классов E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 и M3».

Читайте также