Особенности применения тензометрических датчиков
В современном производстве достаточно часто возникают ситуации, когда требуется проведение точных замеров уровня деформации объекта, а также его выражение в понятных численных значениях на электроприборах. Разбираться с этой задачей поручено таким устройствам, как тензометрические датчики. Сегодня они представлены на рынке в различных разновидностях, что делает поиск подходящего трудоемкой задачей, требующей хорошего знания технических моментов этих датчиков.
Назначение и классификация
Что такое тензодатчик? Тензометрические датчики были разработаны для использования в составе высокоточного измерительного оборудования. В задачи тензодатчика входит выполнение функций преобразователя для переработки физической величины измеряемого веса в электрический сигнал. Позже этот сигнал также передается на последующее преобразование, которым может заниматься весовой индикатор или процессор. Основным предметом замеров тензометрического датчика является степень деформации объекта в момент, когда его структура нарушается и перестраивается для оказания сопротивления внешней силе, что влияет на него. Датчик улавливает колебания объекта от этого процесса и преобразует их в цифровые сигналы.
Таким образом, тензометрический датчик, применим для целого спектра измерительных задач:
Пригодность отдельно взятой модели замерочного устройства для какой-либо из перечисленных задач зависит от его архитектуры и назначения. По последним параметрам тензометрические датчики делятся на:
Технические особенности
Даже при внушительном разнообразии различных моделей тензометрических датчиков, у них есть технические особенности, объединяющие между собой все разновидности устройств. В первую очередь речь о погрешности результатов замер, которая в той или иной степени присуща любому типу весовых тензодатчиков. Тем не менее, в самых современных устройствах для измерения веса устанавливаются электронные модели, которые отличаются повышенной точностью замер степени деформации. Такие устройства относятся к классу С3, который предлагает возможность проведения измерения с погрешностью всего в 0.02 %. Ещё одной интересной деталью функционала тензометрических датчиков является возможность измерительного устройства с несколькими датчиками сохранять свою работоспособность, если один из них выйдет из строя.
Отдельно стоит подчеркнуть и материалы, из которых выполнены компоненты тензодатчиков. Чаще всего в эксплуатации встречаются изделия на основе легированной стали или алюминия, благодаря которым датчики обладают отличной долговечностью. Для весов, используемых в пищевой промышленности, принято применять датчики из нержавеющей стали, которые отличаются высокой устойчивостью к коррозии и защитой от влаги уровня IP68.
Устройство и принцип работы тензодатчика
Изгиб и форма корпуса играют большую роль в том, как работает тензодатчик. Принцип действия может быть ориентированным на изгиб моста при замере, его сжатие или растяжение. Наполнение корпуса зависит от типа датчика и может включать в себя множество других блоков, включая преобразователи, форматирователи питания и так далее. Например, в каждом цифровом устройстве должен быть преобразователь аналогового сигнала, которые будет производить перевод механических импульсов в электросигналы.
Еще одним важным нюансом остается то, является ли датчик резистивным или пленочным, что отражается на принципе его работы. Первый представлен в виде подложки, которая покрытия резистивным слоем. В случае, если речь идет про пленочный датчик, то в качестве покрытия будет использована тонкая и не плотная фольга. На проволочных устройствах именно проволока намотана на ее гибкой поверхности.
Работа измерительных приборов заключается в том, что подложка с датчиками оказывается платформой весов, на которые устанавливается предмет измерения. В зависимости от типа считывающего устройства, обложка либо сгибается, либо растягивается, что в любом случае передает механический импульс, который в электронных моделях преображается в цифровой сигнал и отправляется на дисплей. Как только предмет убирают с весов, обложка возвращается в изначальное положение и импульсы перестают поступать.
Выбрать тензометрический датчик
Как и у любого другого точного прибора, у тензодатчиков веса есть ряд важных технических и пользовательских критериев, которые должны соблюдаться покупателем, который хочет правильно подобрать себе это устройство:
Таким образом, выбор тензодатчика веса требует тщательного изучения его технических параметров и понимания принципов работы устройства, чтобы иметь представления о том, какие показатели обладают наибольшей важностью и при отборе.
Как подключить
Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками в соответствии с простой инструкцией. Важную роль в процессе играет длина кабеля подключения, которую нужно учитывать ещё на стадии подбора датчика. Может потребоваться усилитель в виде контроллера SE 01, который уменьшит погрешность измерений в случае, если потребуется увеличивать размеры контакта для подключения. Провода самих датчиков должны быть заземлены с помощью блока для разветвления, устанавливаемого в одной точке, где они все пересекаются. Данная мера обязательна для предотвращения возможного замыкания.
Схема для подключения тензодатчика достаточно проста и подразумевает соединение контактов устройства с измерительным прибором в соответствии с их значениями, описанными на рисунке выше. Кабель, которым монтируется прибор, также нуждается в обязательном экранировании.
После подключения останется провести проверку и калибровку тензометрического датчика. Последняя выполняется одним из двух методов — стандартным или электронным. При первом пользователь записывает значения датчика при нулевой загрузке, после чего устанавливает на весы предмет с эталонным весом, который также вписывается в качестве штатного показателя. Электронный вариант подразумевает ручной ввод минимального и максимального допустимого веса.
Проверка тензодатчика
Проверка весовых тензодатчиков является обязательным этапом подготовки измерительного прибора к работе и проводится сразу после подключения всех контактов устройства. Исправность изделия проверяется тремя способами:
Видео по теме
Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение
«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.
Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики
Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.
В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).
Устройство и принцип работы
Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.
Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.
Датчики крутящего момента
Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.
Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов
Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.
Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.
Тензодатчики силы растяжения и сжатия
Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.
Тензорезисторы проволочные и фольговые
Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:
Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.
Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.
Преимущества и недостатки тензодатчиков
Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:
Из недостатков следует отметить:
Основные схемы подключения
Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.
Примеры использования тензометрических датчиков
Простота, удобство и технологичность тензодатчиков — основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.
Что такое КИП и А и чем занимаются специалисты службы: слесарь и инженер КИП и А
Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды
Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика
Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей
Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность
Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы
Особенности и принцип действия тензометрических датчиков
Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.
Описание и назначение
При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.
Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:
R – исходное значение электрического сопротивления;
ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;
k – коэффициент пропорциональности;
Δl – изменение длины при деформировании;
l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.
Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.
Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.
Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.
Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:
В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.
Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.
Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:
Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.
Устройство и принцип работы
По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.
Тактильные
Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.
Резистивные
Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.
Пьезорезонансные
Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.
Пьезоэлектрические
По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.
Магнитные
Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.
Емкостные
Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.
Характеристика
Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.
Условия оптимального использования тензорезисторов:
На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.
Схемы подключения
Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.
Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:
Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.
Сферы применения
Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.
Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.
Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.
Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.
Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.
Измерение веса
Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.
Измерение давления
Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.
Измерение крутящего момента
Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.
Определение ускорения
Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.
Контроль перемещения
Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.
Плюсы и минусы
Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.
Преимущества тензометрических технологий:
Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.
Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.