Что такое тензодатчик

Тензометрический датчик (от латинского tensus — «напряженный») — это измерительный прибор для взвешивания, применяемый практически во всех устройствах для определения веса груза. При воздействии нагрузки в устройстве происходит механическая деформация, которую регистрирует прибор. Данная деформация преобразуется в сигнал (электрический или цифровой), который затем передается на дисплей для отображения массы. Этот резистивный измерительный преобразователь является ключевым элементом в системах взвешивания с высокой точностью.

Согласно разделу 2.1.2 ГОСТ 8.631-2013, тензометрический сенсор функционирует как элемент для измерения веса, который реагирует на изменение физических воздействий (усилий) и преобразует их в электрический сигнал. По сути, это резистор, который меняет свое сопротивление в ответ на приложенное усилие. В практическом использовании такие датчики находят широкое применение для определения массы и нагрузки в системах весоизмерения. В зависимости от сферы использования, выбираются различные модели тензодатчиков, которые отличаются как по механизму действия, так и по конструктивным характеристикам.

Конструкция

Рассмотрим самый базовый тип тензодатчика, где основным элементом является тензорезистор. Конструктивно его можно описать как тонкую эластичную проволоку или пленку, которая распределена по измеряемой поверхности.

Принцип работы тензорезистора основывается на законе Гука, согласно которому изменение электрического сопротивления относительно исходного состояния элемента прямо пропорционально его растяжению или сжатию. Этот закон также определяет коэффициент, который характеризует эту пропорциональность.

K = Δl / l = ΔR / R

Где:

K – коэффициент пропорциональности;

Δl – величина изменения длины в ходе деформации;

l – длина измеряемого элемента в состоянии покоя;

ΔR – изменение величины сопротивления при деформации;

R – значение сопротивления тензорезистора в нормальном положении.

На практике это реализуется следующим образом (см. рисунок 1):

В отсутствие деформации проводящие дорожки тензорезистора обладают определённым поперечным сечением и длиной.

Когда тензодатчик растягивается, длина этих проводящих дорожек возрастает, а поперечное сечение уменьшается, что ведёт к увеличению омического сопротивления тензорезистора. В случае сжатия происходит противоположный процесс: длина проводящих элементов уменьшается, их поперечное сечение увеличивается, что вызывает снижение сопротивления тензодатчика. Эти изменения и лежат в основе принципа работы данного устройства.

Как работает тензодатчик?

Оборудование изготовлено из сверхчувствительных тензорезисторов, изготовленных из специальных тензоматериалов. Часто для создания используют алюминиевую проволоку, пленку или фольгу. Резистор функционирует по принципу, схожему с другими весоизмерительными устройствами. Благодаря изменению сопротивления устройства можно точно определить величину действующей силы и, соответственно, массу взвешиваемого груза.

Принцип работы системы взвешивания с использованием этого устройства отличается своей простотой. Инструменты для определения массы груза эффективно функционируют даже в сложных условиях, благодаря надежной защите от влаги и пыли.

Тензодатчик обычно оснащается не одним тензорезистором, а мостовой измерительной схемой, известной как мост Уитстона. В состав моста входят четыре тензорезистора, размещенные на гибкой подложке, что обеспечивает упругую деформацию при измерениях.

Все резистивные элементы тензодатчика подбираются идентичными, что в состоянии покоя приводит к равенству потенциалов в точках + S и – S, следовательно, в идеальном тензодатчике через выходную цепь тока не течет. Однако в реальных условиях наличие токовой нагрузки неизбежно из-за различий в деталях и температурных колебаниях.

Как только на измерительное устройство оказывается механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, вызывая изменение параметров всех резисторов в мосту. Чаще всего это приводит к попарному сжатию и растяжению тензорезисторов, изменяя состояние моста и вызывая протекание тока через выход тензодатчика. После прекращения нагрузки, гибкая пластина возвращается в начальное положение, и измерительный мост стабилизируется.

В данном случае рассмотрен пример простейшего четырехпроводного тензометрического датчика. На практике могут использоваться пяти- и шестипроводные сенсоры, в зависимости от требований к точности и конструкции устройства.

Виды и типы тензодатчиков

Область применения тензометрических датчиков охватывает широкий спектр устройств с различными функциональными задачами, что обуславливает необходимость использования множества типов тензодатчиков для измерения физических воздействий. Ниже представлена классификация сенсоров на основе нескольких критериев.

Типы датчиков по конструкции грузоприемного основания:

Консольные (балочные): используются в весовых системах, например, при взвешивании контейнеров. Они имеют низкий профиль и монтируются на платформенные или конвейерные весы, предназначены для взвешивания тяжелых грузов в диапазоне от 5 до 7 тонн.
Цилиндрические: верхняя часть выполнена в форме сферы, работают по принципу "бочки", но обладают меньшей степенью качения и размерами. Используются в вагонных, бункерных и автомобильных весах с максимальной массой взвешивания до 100 тонн.
S-образные: применяются для измерения массы поднимаемых грузов, в том числе в крановых, подвесных и бункерных весах.
Мембранные: используются в высокоточных измерительных системах и системах контроля.
Колонные: подходят для установки в оборудовании с большой массой.

Типы датчиков по методу измерения:

Резистивные: базируются на использовании тензорезисторов или мостовых схем из них, которые размещаются на гибком основании. Виды резистивных датчиков включают проволочные и фольгированные, а также могут быть выполнены в форме одиночных элементов, розеток, цепочек или мембранных розеток.
Тактильные: состоят из двух проводников с перфорированной диэлектрической пленкой между ними, реагирующей на давление.
Пьезорезонансные: основаны на полупроводниковых элементах, которые сравнивают измеряемый сигнал с эталонным.
Пьезоэлектрические: генерируют напряжение на основе собственного напряжения электронов определенных полупроводниковых кристаллов.
Магнитные: изменяют магнитную проницаемость в ответ на изменение физических параметров.
Емкостные: функционируют на принципе переменного конденсатора, где изменение расстояния между пластинами влияет на изменение емкости.

Тензодатчики могут быть адаптированы для реагирования на сжатие, растяжение или использоваться в универсальных приложениях.

Назначение

Тензодатчик находит применение в различных устройствах и механизмах, служа для мониторинга ответной реакции на физические воздействия. Сегодня его использование охватывает множество сфер промышленности и аграрного сектора, где он задействован для следующих целей:

Измерение веса: установка в электронных весах разнообразных моделей.
Определение ускорения: применение в проведении испытаний транспортных средств.
Измерение давления: активное использование в процессах обработки поверхностей, контроле приложенной силы и в различных механических устройствах.
Контроль перемещения: применение для отслеживания движений строительных элементов, фундаментов, в сейсмических приборах и т.д.
Измерение крутящего момента: использование в машиностроении для обслуживания оборудования и других технических целей.

Тензодатчики интегрированы в множество измерительных устройств, включая лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы и универсальные испытательные машины.

Например, с 1993 года Британская антарктическая служба использует тензодатчики, установленные в гнездах из стекловолокна, для взвешивания птенцов альбатросов. Тензодатчики находят применение и в таких специализированных устройствах, как семипостовой шейкер, который часто используют для тонкой настройки гоночных автомобилей.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Тензорезистивные датчики, хотя и представлены в разнообразии весоизмерительных систем, наиболее часто используются в современном оборудовании. Они предоставляют обширный диапазон измерений и обеспечивают высокую точность (до 0,017%, в зависимости от модели), особенно при высокой частоте динамических деформаций базы. Эти датчики функционируют в широком температурном диапазоне благодаря возможности температурной компенсации. Их плоская компактная конструкция упрощает монтаж как на ровных, так и на изогнутых поверхностях.

Тензодатчики могут быть непосредственно подключены к контрольному блоку или установлены на расстоянии от аналого-цифрового преобразователя. Они активно применяются для измерений на мобильных элементах, в нескольких точках конструкции одновременно и в других аналогичных случаях.

Среди недостатков тензодатчиков выделяют:

Зависимость чувствительности от температуры и влажности окружающей среды, что, однако, легко компенсируется.
Снижение точности измерений на фоне вибраций.
Необходимость включения усилителей сигнала в конструкцию датчика для предотвращения неправильных интерпретаций малых изменений сопротивления.
Уязвимость устройства при контакте с агрессивной средой. Важно обеспечить защиту компонентов весоизмерительной системы от коррозии, воды, химически активных веществ и механических повреждений.

Тензодатчики широко используются как в бытовых, так и в промышленных, высокоточных и специализированных весоизмерительных устройствах. Они доступны по стоимости и, хотя редко, могут подлежать ремонту. Тензодатчики представлены в разных ценовых категориях, делая их доступными для различных групп потребителей.

Выбор прибора

При выборе устройства рекомендуется учитывать ряд важных параметров, включая максимальный предел измерения (НПИ), материал исполнения и класс точности, а также схему подключения. Особой популярностью пользуются приборы, изготовленные из нержавеющей стали или алюминия, причем последний часто используется для производства одноточечных моделей. Важно иметь обоснование для использования датчиков с высокой точностью, поскольку повышенная точность приводит к увеличению стоимости оборудования.

При подборе тензодатчика следует тщательно проверять следующие характеристики:

Класс защиты;
Материал изготовления;
Диаметр или длину кабеля;
Температурный диапазон использования;
НПИ.

Также целесообразно обратить внимание на производителя устройства и страну его происхождения.

Часто задаваемые вопросы

Что такое тензометрические весы?

Тензометрические весы — это устройства измерительной техники, используемые для определения аэродинамических сил и моментов, действующих на модели летательных аппаратов во время аэродинамических испытаний в трубах. Эти весы также применяются в гидродинамических тестах моделей судов в специальных бассейнах и каналах.

Где используется тензодатчик?

Тензодатчики находят применение в различных измерительных приборах, включая лабораторные и промышленные весы, платформенные весы, а также универсальные испытательные машины. Например, Британская антарктическая служба использует тензодатчики для взвешивания птенцов альбатросов с 1993 года. Также тензодатчики применяются в специализированном оборудовании, таком как многопозиционные шейкеры для настройки гоночных автомобилей.

Что показывают тензодатчики?

Тензодатчики используются для измерения веса объектов, давления жидкостей и газов в трубопроводах, крутящего момента в машиностроении, а также для фиксации ускорения и контроля перемещения объектов.

В чем состоит принцип работы тензодатчика?

Принцип работы тензометрического устройства базируется на изменении электрического сопротивления проводника при механическом воздействии. В базовой конструкции датчик состоит из проводниковой сетки, прикрепленной к металлической фольге. При воздействии (нажатии, ударе) устройство фиксирует локацию, силу и время действия.

Из чего сделан тензодатчик?

Тензодатчики изготавливаются из материалов, таких как высокопрочная закаленная сталь или алюминий, специально предназначенных для этих целей. Различные модели могут быть изготовлены из разнообразных материалов в зависимости от их конструкции и назначения.

Как работает тензодатчик давления?

Тензодатчик давления работает по принципу изменения своего сопротивления в ответ на сжимающие или растягивающие усилия. Точность показаний зависит от температуры тензорезистора. Включение аналогичного тензосопротивления, которое не испытывает нагрузки, в другое плечо моста позволяет компенсировать температурные воздействия.

Почему не работает тензодатчик?

Причины выхода тензодатчика из строя могут включать перегрузку, воздействие молнии, скачки напряжения, химические вещества, влагу, неправильную установку, вибрации и ударные нагрузки.

Что такое тензометрические измерения?

Тензометрия — это метод измерения напряжений и деформаций в конструкциях с помощью тензодатчиков. Тензодатчик в этом контексте представляет собой резистор, изменяющий свое сопротивление в ответ на деформацию.

Основные характеристики тензодатчика

Ключевые технические параметры тензодатчиков включают тензочувствительность при нормальной температуре, связующее, механический гистерезис, ползучесть, электрическое сопротивление изоляции и номинальное сопротивление.

Что такое чувствительность тензодатчика?

Чувствительность тензодатчика определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению питания, измеряется в мВ/В. Это показывает, насколько сильно изменяется выходное напряжение при изменении деформации.

Итог

Таким образом, в заключение можно подчеркнуть, что тензодатчики играют важную роль в современных системах взвешивания и измерения массы. Они обеспечивают высокую точность и надежность при определении веса грузов в разнообразных сферах, включая производство, логистику, медицину и другие. Благодаря своей простоте и эффективности, тензодатчики стали неотъемлемой частью технологических процессов и повседневной жизни.