Тензометрический измерительный преобразователь (тензодатчик) – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д. Хвольсоном. В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента. Несмотря на всеобщую симпатию к тензодатчикам, пневматические и гидравлические датчики все еще используется в некоторых сферах деятельности человека. Например пневматические датчики нагрузки все еще используются в местах, где очень важен фактор внутренней безопасности и гигиены, тогда как гидравлические датчики нагрузки спасают в отдаленных местах, где нет доступа к источнику бесперебойного питания, так как они в нем совсем не нуждаются.
1. Аналитический обзор
Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры.
Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить. По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, по-этому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только специальных случаях.
Наладка датчиков
... имплантации на мембране формируются резистивные элементы и соединения. Под давлением мембрана прогибается, что обусловливает деформацию резистора через отверстие в корпусе датчика давления и, как следствие ... Основным элементом подобных систем является первичный преобразователь неэлектрических величин (датчик). Датчики реагируют на внешние раздражители, в частности температуру, давление, свет, ...
На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит. Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил.
2. Параметры тензометрических датчиков силы
1. Форма датчика
Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и
материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.
2. Диапазон измерения
Основным параметром тензометрического датчика является его диапазон измерения, который можно повысить максимально на 30-50%. Более высокая
перегрузка датчика, хоть и на краткое время, почти всегда ведет к его повреждению. Такой датчик уже нельзя исправить, поскольку при этом
происходит нарушение структуры материала. Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где возможны биение и вибрации.
3. Чувствительность датчика
Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее
значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в PC или PLC.
3. Температурные характеристики
С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка
чувствительности).
Обе ошибки указываются в процентах диапазона.
Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении
температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка
чувствительности.
4. Точность датчика
Индукционные датчики
... -электронные), индуктивные, емкостные и д.р. Различают три класса датчиков: аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие ... датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, ... достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений. По принципу действия датчики можно ...
У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к
его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при
помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность,
установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности СЗ).
В этом случае процентная погрешность (класс
точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.
Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.
5. Диапазон температуры
Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры
соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон
температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика
уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.
6. Иные параметры
Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обработки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки
зрения безопасности), степень защиты (сточки зрения условий труда) и т. п.
3. Конструкция тензодатчика
Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):
1) Упругий элемент — тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);
2) Тензорезистор — фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;
3) Корпус датчика — предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);
4) Герметичный ввод (кабельный разъем) — предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля.
На Рисунке 2 отображена конструкция тензодатчика с упругим элементом в виде кольца поз. 1.
Датчики силы и перемещения
... изменяются, что приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала Пьезорезонансные датчики силы В датчиках силы этого типа используются оба эффекта, свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой ... электрическом уровнях. На физическом уровне приложенная сила вызывает деформацию упругого элемента и закрепленного на нем тензодатчика. На электрическом уровне происходит преобразование ...
Для правильно функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении оси датчика (упругий элемент тензодатчика стержень, кольцо).
Для исключения бокового влияния нагрузки, применяют самоустанавливающиеся (самоцентрирующиеся) конструкции. Поверхность опор таких тензодатчиков имеет сферическую выпуклую форму.
Принцип действия тензодатчика основан на измерении изменения сопротивления тензорезисторов наклееных на упругое тело, которое под действием силы (вес груза), деформируется и деформирует размещенные на нем тензорезисторы.
4. Тензометрические датчики — выбор по типу
Выбирая датчики веса учитывается много исходных данных, такие как: предел измерения, погрешность, материал датчика, но наиболее важный параметр это тип тензометрического датчика. Нет общепринятых наименований видов, поэтому у различных фирм одинаковые виды называются по-разному. Датчики силы балочные — датчики имеют форму балки, также такие датчики называют простая балка или балка среза. Способ использования заключается в том, что один край крепится жестко, а на другой конец прикладывается сила.
Тензодатчики мостовые — датчики похожи на балочные датчики, но крепятся с обоих сторон, а вес действует в среднюю часть датчика. Еще эти датчики называют двуопорные или сдвоенная балка.
Одноточечные тензодатчики — по конструкции и виду закрепления датчики надпоминают балочные, но отличаются тем, что чаще всего применяются по одному и закрепляются в центре массы взвешиваемого груза. Тензодатчики веса такого типа имеют особенную внутреннюю форму, которая позволяет тензодатчикам не реагировать на смещение места приложения массы в определенном диапазоне.
Колонные датчики веса — обычно это датчики которые имеют вид колонны. Такие тензодатчики работают на сжатие. Чаще всего такие тензодатчики имеют сферические опорные поверхности определенного радиуса, что позволяет таким датчикам естественно возвращаться в обратное состояние.
Датчики силы типа «шайба» — по форме, достаточно надпоминают колонные тензодатчики, но обычно не имеют возможности качения как колонные датчики. Верхняя часть датчика веса выполняется в виде сферы, это позволяет предотвратить «паразитное» действие изгибающего момента на тензодатчик. Эти датчики еще называют целиндрическими датчиками.
Тензорезисторные датчики S-типа – по форме такие датчики похожи на английскую букву «S». Датчики тензометрические способны определять как силу сжатия, так и растяжения, но чаще используются на растяжение в виде подвесов бункеров и прочих грузов.
Миниатюрные датчики веса – к этому типу относятся датчики с малыми габаритами и чаще всего на маленькие силы. Отличительная черта таких датчиков это возможность применять их в устройствах с дифицитом пространства. Цена за малые размеры это чаще всего относительно большая погрешность этих датчиков.
5. О компаниях
Ведущие компании впроизводстве тензодатчиков, такие как Eilersen, Futek, DS Europe, Gefran, PT, Lorenz Messtechnik, Interface, специализируются на конкретных видах датчиков, имеющих узкое фокусное применение в определённой области промышленности. Более известные на российском рынке производители весовых датчиков HBM, Flintec, Sartorius, CAS и др. представлены гораздо шире, и всё же некоторые из них, несмотря на качество, слишком дороги для российского производителя оборудования, другие же не выдерживают конкуренции по качеству и надёжности для ответственных применений.
Современные датчики давления
... режима работы тестируемой конструкции. Тензометрия широко используется для измерения веса. Принцип действия датчиков давления, Оптические Оптические датчики давления могут ... наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры. Тензодатчик, представляет собой резистор, сопротивление ... в держателе 4. Шарик 4 передает силу давления на силочувствительный резонатор 5. Провода 7 ...
Следует отдать должное российским производителям, использовавшим в своих разработках материалы и специальные конструкции, технологии отечественной «оборонки». Так, некоторые датчики, не уступающие, а порой и превосходящие по параметрам известные западные аналоги, значительно превосходят своих западных собратьев по доступности.
