Тензодатчик на растяжение: S-образный, сильфонный, колонна или шайба

Тензодатчик на растяжение — это датчик силы, который работает в линии тяги: сверху его подвешивают к раме или крюку, снизу на нём висит груз, бункер или трос. Чаще всего для этого берут S-образный датчик на шарнирных проушинах, для малых нагрузок — сильфонную балку в подвесе, а колонны и шайбы работают только на сжатие. Ниже — сравнение конструкций по направлению силы, правила монтажа на растяжение и типичные ошибки, по паспортам и ТУ датчиков Sierra.

Растяжение и сжатие: в чём разница для датчика

Внутри любого датчика силы стоит упругий элемент с тензорезисторами, собранными в полный мост. Под нагрузкой одни тензорезисторы растягиваются, другие сжимаются, и мост выдаёт сигнал. Если поменять направление силы, деформации меняют знак, и сигнал тоже меняет знак: при растяжении и сжатии сигнал противоположного знака.

Индикатор показывает знак силы по знаку сигнала моста. Поэтому, если после монтажа вес идёт «в минус», чаще всего перепутаны сигнальные жилы или датчик нагружают не в том направлении, в котором его калибровали.

Главное отличие — в монтаже. Датчик на сжатие стоит под грузом, датчик на растяжение висит в линии тяги и становится её звеном. Узлы для этих случаев разные, и для каждого направления силы нужны свои монтажные приспособления.

Какие датчики работают на растяжение, а какие только на сжатие

Колонны SHM14K и SBM14G стоят между опорными чашками и работают на сжатие вдоль оси: при смещении платформы колонна наклоняется в чашках, а вес возвращает её в вертикаль. Шайба — низкий круглый корпус, сила приходит в центр, наружное кольцо опирается на плиту. Подробно о них — в статьях о колонных датчиках и о мембранных датчиках SH2.

S-образный датчик: основной выбор для растяжения

S-образный датчик — стальной брусок в форме буквы S с резьбовыми отверстиями сверху и снизу. Средняя перемычка работает как упругий элемент: при растяжении или сжатии она изгибается в виде буквы S, а тензорезисторы стоят у отверстия-концентратора. По паспорту SH3 и SH3G работают и на растяжение, и на сжатие, но на практике их чаще всего тянут: груз висит на датчике снизу, а сверху датчик подвешен к балке или раме. На сжатие S-датчик ставят реже — в стендах и прессах.

• SH3 — базовая модель: класс C3, чувствительность 2,0 мВ/В, IP67, предельная нагрузка 150 % НПИ, разрушающая — 300 %.
• SH3G — модификация с уменьшенной конструктивной высотой: номиналы от 20 кг до 3 т, предельная нагрузка 150 %, разрушающая — 200 % НПИ.
• Резьба зависит от номинала: от M8×1,25 у исполнений на 20–30 кг до M42×3 у исполнений на 20–30 т.

Устройство S-датчика, подвес бункеров на трёх и четырёх точках и подбор проушин подробно разобраны в статье «S-образный тензодатчик».

Сильфонный датчик: растяжение на малых нагрузках

Сильфонный датчик — балка, рабочая зона которой закрыта гофрированной оболочкой из нержавеющей стали. Сильфон герметизирует датчик и почти не мешает балке прогибаться, поэтому такой датчик точно работает на малых нагрузках. У SBM11 номиналы 5–500 кг, класс C3, IP68 по паспорту.

Для балки растяжение и сжатие — изгиб в одну и ту же сторону. Один конец закреплён, на другой приходит сила: если она давит на свободный конец сверху — это сжатие, если тянет его вниз через подвес снизу — растяжение. Разница только в том, как устроен узел передачи силы. Резьбы под проушину у SBM11 нет: датчик крепится болтами, а тягу к свободному концу делают с шарниром или гибким звеном. Подробнее — в статье о сильфонном датчике SBM11.

Можно ли нагружать датчик в обе стороны попеременно

Формулировка «работает на растяжение и сжатие» не означает, что датчик можно то тянуть, то давить в одной конструкции. По п. 1.1.6 ТУ 26.51.66-001-83071865-2018 датчики SH2, SH3 и SBM14D не нагружают на растяжение и сжатие в одном цикле нагружения: для разных направлений силы нужны конструктивно разные монтажные приспособления. Датчик калибруют в том направлении, в котором он работает.

Если сила в конструкции может менять знак — например, стенд то тянет, то давит образец, — схему нужно продумать заранее и согласовать с инженером до выбора датчика.

Как монтировать датчик на растяжение

Датчик в подвесе точен, пока сила идёт строго по его оси. Допустимое отклонение силы от оси по п. 1.1.9 ТУ — 0,5°. Если сила приходит под углом, датчик измеряет только осевую составляющую, а поперечная давит на корпус сбоку: при 0,5° ошибка показаний около 0,0038 %, боковая сила — около 0,87 % от силы, а при 3° ошибка уже около 0,14 %, боковая сила — около 5,2 %.

Подвешенная конструкция никогда не висит идеально ровно: она прогибается под грузом, удлиняется при нагреве, покачивается при загрузке. Если датчик закреплён жёстко, каждое такое смещение превращается в боковую силу и изгибающий момент. Поэтому:

• S-датчик ставят между проушинами со сферическим шарниром, например SHL-3-003, или с комплектом вилка плюс проушина SHL-3-006;
• шарнир нужен с обеих сторон: верхний даёт датчику повернуться относительно рамы, нижний — грузу относительно датчика; с одним шарниром датчик всё равно получает изгиб;
• резьбу проушины берут по паспорту датчика для конкретного номинала, а не по диапазону в названии проушины;
• при затяжке датчик держат ключом за корпус и вращают проушину, кабель подключают после монтажа и крепят с петлёй.

Готовые проушины и штанги собраны в разделе проушин и штанг.

Типичные ошибки и как выбрать датчик

• Жёсткая стяжка. Бункер дополнительно привязан к раме трубами или растяжками: часть веса идёт мимо датчиков, и весы недовешивают.
• Нет шарниров. Датчик прикручен прямо к кронштейну: показания зависят от положения груза, ноль «плавает».
• Растяжение и сжатие в одном цикле. Узел и датчик рассчитаны на одно направление силы.
• Сварка рядом с установленным датчиком. Сварочный ток через датчик выводит его из строя.

Выбор по задаче:

• Груз висит — бункер на тягах, крановые весы, натяжение троса: S-образный датчик на шарнирах.
• Малые нагрузки, мойка, дозаторы и фасовка — сильфонный датчик в подвесе или на опоре.
• Тяжёлая платформа на опорах — колонны на сжатие.
• Мало места по высоте — шайба.

Номинал в любом случае считают по силе на один датчик с запасом. В крановых весах помните о динамике: при подъёме рывком и раскачивании сила в подвесе больше веса груза. Запас между НПИ и предельной нагрузкой нужен на случай рывка, а не для работы.