Тензодатчик: принцип работы и подключение тензодатчика

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

Тензометрия (от лат tensus — напряженный) — метод и прием измерения напряженно-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что измерить механическое напряжение напрямую невозможно, поэтому задача заключается в измерении деформации объекта и расчете напряжения с помощью специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

Работа тензорезисторов основана на эффекте деформации — это свойство твердых материалов изменять свое сопротивление при различных деформациях. Датчики деформации — это устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют значение в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом приборов для измерения деформации твердых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

Устройство и принцип работы

Основой тензодатчика является тензодатчик, оснащенный специальными контактами, прикрепленными к передней части измерительной панели. Во время измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, который передается на элементы обработки и отображения измеренного значения тензорезистора.

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 на выходе из пекарни абсолютно не подходит для электронных фармацевтических весов, где важна каждая сотая доля грамма.

Рассмотрим подробнее виды и типы современных тензодатчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленчатый вал двигателя или рулевая колонка. Тензометрические датчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический крутящий момент контактным или бесконтактным (телеметрическим) методом.

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

Эти типы преобразователей обычно изготавливаются на основе параллелограммной конструкции со встроенным изгибающим элементом для обеспечения высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закреплены на чувствительных участках упругого элемента датчика и подключены по всей мостовой схеме.

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и обнаружения деформаций сжатия и растяжения. Для достижения максимального эффекта тензодатчики строго ориентируются по специальным меткам на поверхности балки в самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используются для создания мультисенсорных измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Они нашли свое применение в весовых дозаторах, упаковщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других силовых нагрузочных устройствах.

Конструкция типичного металлического датчика

Инфракрасная паяльная станция

Измерение деформации осуществляется с помощью датчиков металлического пленочного типа. Изготавливаются они несколькими способами, но конструкция остается неизменной. В одном случае на полимерную пленку наносится трафарет (маска) и сверху напыляется тонкий слой металлического сплава.

По-другому токопроводящая форма резиста создается фотолитографией. На напыляемую металлическую поверхность наносится фоторезист. Через фототрафарет поверхность освещается ультрафиолетом. В зависимости от типа фоторезиста открытые участки или необлученные поверхности смываются растворителем. Обнаженный металлизированный слой смывают кислотой, добиваясь фигурной металлической пленки.

Тензодатчик датчика напоминает сжатую пружину в плане. Для уменьшения влияния температуры на показания тензодатчика для печатной формы датчика используются металлические сплавы с низким коэффициентом удельного сопротивления.

Схема металлического датчика

Датчики имеют клейкую основу. Пленки наклеиваются на поверхность изучаемых объектов: это могут быть весы, динамометры, автомобильные валы, части трубопроводов. Таким же образом измеряют степень деформации осей и осевых подшипников в машиностроении и т д.

Примечание! Чувствительность тензодатчика зависит от ориентации датчика в направлении приложения нагрузки к объекту. При сжатии или растяжении детали продольные линии тензорезистора следует располагать вдоль оси нагрузки. В противном случае чувствительность датчика будет равна нулю.

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Датчики нагрузки на растяжение и сжатие обычно имеют S-образную форму, изготовлены из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначен для бункерных весов и дозаторов с диапазоном измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные датчики нагрузки на растяжение и сжатие могут использоваться в машинах для производства кабелей, тканей и волокон для контроля силы растяжения этих материалов.

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензодатчики изготавливают в виде спирали из проволоки малого диаметра и закрепляют на упругом элементе или испытуемой детали с помощью клея. Они характеризуются:

• простое производство;
• линейная зависимость от нагрузки;
• маленький размер и цена.

Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности окружающей среды на погрешность измерения, возможность использования только в пределах упругих деформаций.

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов благодаря их высоким метрологическим качествам и технологичности. Это стало возможным благодаря фотолитографической технологии их производства. Передовая технология позволяет получать простые тензометрические датчики с базой 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензометрических датчиков с широким диапазоном рабочих температур от -240 до +1100 ºС в зависимости от характеристик материалов измерительных сетка.

Настройка тензометра

Измерения деформации корректируются с помощью компьютерной программы Tensiometer. Операционная система позволяет производить измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента по мостовой и полумостовой схемам в тензометрической станции ZET 017-T. С его настройкой можно получить силу, крутящий момент, вес и перемещение.

Регистратор программ ежечасно показывает фиксированные результаты. Статистика показаний отображается графически и в табличной форме.

Параметры

Набор измерений создается путем выбора необходимых свойств в поле «Параметры» интерфейса программы. Это включает:

• источник питания;
• показания;
• единица измерения;
• выравнивание;
• коррекция;
• инверсия данных.

Тензорезистор

Для его настройки используйте окно программы — «Тензористор». Для выбора процесса измерения используйте раздел «Файл калибровки». Поле «Показания» выделено. Он содержит данные датчиков.

Тензодатчик

Воспользуйтесь программным полем — «Load Gauge». Для настройки используются два параметра: это чувствительность и предел измерения.

Многоканальный

Программа поддерживает многоканальные режимы измерения. Они используются при установке группы датчиков на объект.

Подсказки в программе Тензометр

Программа-корректор укажет во всплывающем окне на неправильную настройку тех или иных параметров. Разработчики программного продукта учли наиболее распространенные ошибки и позаботились о следующих предупреждениях:

• отсутствие опорного канала;
• каналы настроены неправильно;
• низкий контрольный уровень (ниже 3% от верхнего диапазона).

Дополнительная информация. Программное обеспечение ZETLAB TENZO включает программу Tensiometer для всех тензометрических станций. Если программы не работают, подключитесь к Ethernet. Для этого запустите панель ZETLAB, нажмите клавишу F1 и найдите строку подключения Ethernet.

Цифровой тензодатчик ZET

Тензометрические исследования помогают избежать просчетов при проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием различных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменение свойств объекта, позволяет сохранить его работоспособность и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.

Читайте также: Расчет тока короткого замыкания трансформатора.

Примеры использования тензометров

Примером может служить максимальная оптимизация натяжения полотна ленточной пилы. Также стоит упомянуть об исследовании железобетонных конструкций, которые изготавливаются с использованием тензодатчиков, фиксирующих степень натяжения арматуры в бетонном массиве.

Измерительная схема

Термостат своими руками

Измерительная схема тензодатчика включает в себя так называемый сбалансированный мост Уинстона. На рисунке ниже он показан со встроенным по диагонали вольтметром. Проводник A-D закорочен на источник постоянного напряжения.

Тензометрический измерительный мост

Переменный резистор R2 при отсутствии нагрузки снижает напряжение до нуля. Вольтметр по диагонали В — С показывает изменение уровня напряжения в цепи при наличии нагрузки, приложенной к исследуемому объекту. Параллельно этому сигнал с линии В — С подается через дифференциальный усилитель на тензодатчик.

Типы

Ассортимент тензометрических датчиков охватывает множество устройств различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия используются тензометрические датчики различных типов. Разделение датчиков по типам осуществляется на основе нескольких факторов.

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания он бывает:

• Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании тары и так далее;
• S-образный – используется для измерения поднимаемых грузов;
• Мембранные — используются в системах управления, высокоточных датчиках и т д;
• Колонна – монтируется в оборудование большой массы;

В зависимости от типа метода измерения все тензорезисторы делятся на:

• Резистивная — работа основана на тензодатчике или мосте из них, размещенном на гибком основании. Такой тензорезистор крепится к поверхности тензорезистора и реагирует на механические деформации. В соответствии с пунктом 1.1 ГОСТ 21616-91 их делят на проволоку и фольгу. По количеству и форме их делят на одинарные, раструбные, цепочные, мембранные раструбы.
• Тактильный – состоит из двух проводников, между которыми находится перфорированная диэлектрическая пленка. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и придают некоторую проводимость, которая изменяет величину сопротивления. В зависимости от типа измерения различают датчики касания, скольжения и силы.
• Пьезорезонанс — на основе полупроводниковых элементов, в таких тензодатчиках реальный сигнал сравнивается с опорным сигналом.
• Пьезоэлектрический — основан на напряжении самовыхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При приложении силы к кристаллу изменяется и величина зарядов, которые передаются на измерительный элемент тензорезистора.
• Магнитные — используют свойство магнитопроводов изменять значение магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. Когда сердечник сжимается или растягивается, электромагнитный поток, создаваемый катушкой, будет изменяться. В результате индуктивность тензорезистора также будет отклоняться от образцового состояния.
• Емкостной — используйте эффект переменного конденсатора, где емкость будет увеличиваться при уменьшении расстояния между пластинами. А с увеличением расстояния или уменьшением площади пластин емкость будет уменьшаться.

Рис. 5. Принцип работы емкостного тензодатчика

В соответствии с п. 1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру приложенного усилия тензорезисторы можно разделить на реагирующие на сжатие, растяжение и универсальные.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Тензорезисторы получили широкое распространение благодаря своим свойствам:

• возможность монолитного соединения тензорезистора с исследуемой деталью;
• малая толщина измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
• легкое крепление, как на ровных, так и на криволинейных поверхностях;
• возможность измерения динамических деформаций, изменяющихся с частотой до 50 000 Гц;
• возможность проведения измерений в сложных условиях внешней среды в диапазоне температур от -240 до +1100˚С;
• возможность измерения параметров одновременно во многих точках деталей;
• возможность измерения деформации объектов, находящихся на больших расстояниях от тензометрических систем;
• возможность измерения деформаций в подвижных (вращающихся) деталях.

Из недостатков следует отметить:

• влияние погодных условий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
• незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требуют применения усилителей сигнала.
• при работе тензорезисторов в условиях высоких температур или агрессивных сред требуются специальные меры по их защите.

Основные схемы подключения

Рассмотрим это на примере подключения тензодатчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа — питание (+Ex, -Ex), два других — выходы измерения (+Sig, -Sig). Также есть варианты с пятью проводами, где дополнительный провод выполняет роль экрана для всех остальных. Суть работы весового датчика балочного типа достаточно проста. На входы подается ток, а с выходов снимается напряжение. Значение напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.

Если длина проводов от тензодатчика к блоку АЦП значительна, сопротивление самих проводов будет влиять на показания весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, компенсирующую падение напряжения путем коррекции погрешности от сопротивления проводов, вводимых в цепь измерения. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: ток, измерение и компенсация потерь.

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различные устройства и агрегаты для контроля реакции на физическое воздействие. Сегодня сфера его применения охватывает широкий спектр отраслей и народного хозяйства, где он используется для:

• Весы — устанавливаются в электронные весы различных типов.
• Определения ускорения — используются при тестировании транспортных средств.
• Измерения давления — распространены при обработке поверхности, контроле силы, механических применениях и т д
• Управление движением — фиксируйте движение строительных элементов, фундаментов, сейсмологических блоков и т д
• Измерение крутящего момента — используется в мастерской, при техническом обслуживании и т д.

Виды тензометров

Для измерения деформаций различных объектов были созданы тензорезисторы, различающиеся принципами действия и сферами применения. По этим функциям измерительная техника делится на следующие виды:

• механический;
• резистивный;
• нить;
• емкостный;
• индуктивный.

Механические

Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензодатчика заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Резистивные

Пленочные тензорезисторы, наклеенные в разных направлениях на тело объекта, при сжатии или растяжении изменяют свое электрическое сопротивление вместе с объектом. Точность измерения деформации обеспечивается применением не одного датчика, а группы тензометрических датчиков.

Пленочные тензорезисторы

Струнные

Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), ее натягивают между опорами, закрепленными на поверхности объекта. Суть измерений заключается в определении зависимости между частотой колебаний струны и степенью натяжения при изменении длины исследуемого тела под действием нагрузки.

Ёмкостные

В качестве датчика используется конденсатор с переменной емкостью. Деформация объекта вызывает изменение зазора между пластинами конденсатора, что отражается на токовой характеристике в измерительной цепи прибора.

Индуктивные

Блок устройства основан на использовании индуктора, в котором установлен подвижный сердечник. Он находится в непосредственном контакте с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности сердечник в катушке смещается. Изменение параметров индуктора регистрируется через электрическую цепь прибора.

Применение тензометрии

Программируемый термостат W1209

Тензометрия является неотъемлемой частью испытаний макетов и опытных образцов, проектируемых ответственных строительных конструкций, изделий авиационно-космической промышленности, космической техники и т д. Тензометрии подвергаются здания и сооружения, в которых выявлены нарушения конструктивной целостности.

Измерительные приборы проектируются и изготавливаются по принципу тензорезисторов. К ним относятся весы, динамометры, торсиометры (датчики крутящего момента). Тензорезисторы играют важную роль в предупреждении и предупреждении возможных аварийных ситуаций, связанных с разрушением строительных конструкций, различного тяжелого промышленного оборудования и т.д.

Тензометрические методы измерения

Как выбрать?

При выборе модели для измерения физических усилий или веса необходимо ориентироваться на основные параметры датчика. Эти характеристики включают в себя:

• Диапазон измерения – определяет пределы весовой нагрузки, которую может зафиксировать тензодатчик;
• Класс точности – выбирается в зависимости от параметров оборудования и требований к точности измерений;
• Схема подключения — по количеству подключаемых выходов может использоваться четырех- или шестипроводная схема;
• Термокомпенсация — для тензодатчиков, где требуется высокая точность измерения, важно учитывать влияние температуры окружающей среды, используются термокомпенсирующие элементы;
• Степень защиты — обозначается индексом IP и определяет устойчивость к пыли и влаге на тензодатчике.

Принцип действия тензометра

Чтобы понять принцип работы тензодатчика, мы должны вернуться к оценке измерительной схемы выше. При деформации тензодатчик Rx меняет свое сопротивление, вызывая падение потенциала в точке схождения R3 и Rx. В результате изменяется напряжение моста ВС. На изменение сопротивления тензорезистора Rx может отрицательно влиять температура окружающей среды. По получении результатов испытаний данные корректируются, чтобы корректировались изменения температуры.