Что такое тензодатчик?

Содержание:

• Что такое тензодатчик?
• Конструкция
• Как работает?
• Виды и типы тензодатчиков
• Назначение
• Преимущества и недостатки
• Особенности выбора
• Частозадаваемые вопросы
• Итоги

Что такое тензодатчик?

Тензодатчик (от лат. tensus — «напряжённый») – весоизмерительный инструмент, использующийся практически в любых устройствах для определения массы груза. Под воздействием груза в приборе возникает механическая деформация, которая учитывается прибором. Эта деформация трансформируется в сигнал (электрический или цифровой), который передается на индикатор отображения веса. Это резистивный измерительный преобразователь, являющийся важной составляющей весов повышенной точности.

Тензометрический сенсор, согласно пункту 2.1.2 ГОСТ 8.631-2013, функционирует как весоизмерительный элемент, реагирующий на изменения физического воздействия (усилия) и преобразующий его в электрический сигнал. Фактически, это представляет собой резистор, изменяющий свое омическое сопротивление в зависимости от приложенной силы. В практическом применении такие сенсоры широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах. В зависимости от области применения применяются различные типы тензодатчиков, которые различаются как по принципу работы, так и по конструктивным особенностям.

Конструкция

Возьмем в качестве примера самый простой вариант тензодатчика, где используется тензорезистор в качестве чувствительного элемента. Конструктивно его можно представить как тонкую упругую проволоку или пленку, распределенную по контролируемой поверхности.

Принцип работы тензорезистора основан на законе Гука, который утверждает, что изменение электрического сопротивления относительно начального положения элемента пропорционально его удлинению или сжатию. Этот принцип определяет коэффициент пропорциональности.

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):

Рис. 1. Устройство тензодатчика

При отсутствии деформации проволочные дорожки тензорезистора имеют определенное сечение и длину проводника. 

При удлинении тензодатчика длина проводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается, что приводит к повышению омического сопротивления тензорезистора. При сжатии происходит обратный процесс: длина проводящих элементов уменьшается, а их поперечное сечение увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления тензодатчика, что и лежит в основе его принципа работы.

Как работает тензодатчик?

Оборудование производится из сверхчувствительного тензорезистора выполненного из тензоматериалов. Зачастую при изготовлении используется алюминиевая проволока, пленка или фольга. Резистор работает аналогично другим весовым устройствам. В результате изменения сопротивления устройства, можно определить силу воздействия на датчик, а вместе с тем, массу груза который взвешивается.

Принцип действия системы измерения веса с использованием данного устройства отличается простотой. Инструменты для измерения массы груза отлично выполняют свою работу даже в сложных условиях, так как оснащены надежной защитой от пыли и влаги.

В большинстве случаев тензодатчик не работает с одним тензорезистором, а включает в себя мостовую измерительную схему. Этот принцип называется мостом Уитстона. В мостовую схему входят четыре тензорезистора, размещенные на гибкой подложке для обеспечения упругой деформации во время измерений.

Все резистивные элементы тензодатчика подбираются одинаковыми, что приводит к нулевой разности потенциалов в точках + S и – S в состоянии покоя. Это означает, что в ненагруженном идеальном тензодатчике не будет течь ток через выходную цепь измерительного прибора. Однако в реальном устройстве всегда присутствует токовая нагрузка из-за конструктивных отличий резистивных деталей и температурных колебаний.

Как только на измерительный прибор будет оказана механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, что приводит к изменению рабочих параметров всех резисторов в цепи моста тензодатчика. В большинстве случаев происходит попарное сжатие и растяжение тензорезисторов. Это искажает состояние моста и приводит к выходу электрического тока через выход тензодатчика. Как только нагрузка перестает воздействовать на тензодатчик, гибкая пластина возвращается в исходное состояние, и измерительный мост снова переходит в состояние равновесия.

В данном примере рассмотрен простейший вариант четырехпроводного тензометрического датчика. Однако на практике также используются пяти- и шестипроводные весоизмерительные сенсоры, в зависимости от конкретного устройства.

Виды и типы тензодатчиков

Область применения тензометрических датчиков включает в себя множество устройств различного назначения, что требует использования разнообразных типов тензодатчиков для измерения физических воздействий. Классификация сенсоров на основании нескольких факторов представлена ниже.

Типы датчиков по форме грузоприемного основания:

• Консольные (балочные): применяются в весах, при взвешивании контейнеров и т. д. Отличаются низким профилем, устанавливаются на весы платформенного/конвейерного типа, предназначены для взвешивания грузов массой от 5 до 7 тонн.
• Цилиндрические: верхняя часть в форме сферы работает по принципу «бочки», но не изгибается за счет меньшей степени качения и габаритов. Применяются для вагонных, бункерных и автомобильных весов (масса взвешивания до 100 тонн).
• S-образные: используются для измерения поднимаемых грузов. Устройства, которые предназначены для крановых, подвесных, бункерных весов, для взвешивания предметов, конструкций, которые поднимаются краном.
• Мембранные: применяются в системах контроля, высокоточных измерителях и др.
• Колонные: устанавливаются в оборудовании с большой массой.

Типы датчиков по методу измерения:

• Резистивные: основаны на использовании тензорезисторов или мостов из них, размещенных на гибком основании. Подразделяются на проволочные и фольгированные, а также по количеству и форме на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки.
• Тактильные: состоят из двух проводников с перфорированной пленкой диэлектрика между ними, реагирующей на нажатие.
• Пьезорезонансные: основаны на полупроводниковых элементах, сравнивающих реальный сигнал с эталонным.
• Пьезоэлектрические: используют собственное напряжение выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов.
• Магнитные: изменяют магнитную проницаемость в зависимости от физических параметров.
• Емкостные: используют эффект переменного конденсатора, где изменение расстояния между пластинами влияет на емкость.

Тензодатчики могут реагировать на сжатие, растяжение или быть универсальными.

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различных устройствах и механизмах для отслеживания реакции на физическое воздействие. В настоящее время его применение распространено на различные отрасли промышленности и сельского хозяйства, где он используется для:

1. Измерения веса – установлен в электронных весах различных типов.
2. Определения ускорения – применяется при испытаниях транспортных средств.
3. Измерения давления – широко используется в обработке поверхностей, контроле приложенной силы, механических устройствах и т. д.
4. Контроля перемещения – служит для отслеживания движения строительных элементов, фундаментов, сейсмических приборов и т. д.
5. Измерения крутящего момента – применяется в машиностроении, для технического обслуживания и других целей.

Тензодатчики используются в нескольких типах измерительных приборов, таких как лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы и универсальные испытательные машины. С 1993 года Британская антарктическая служба устанавливала тензодатчики в гнездах из стекловолокна для взвешивания птенцов альбатросов. Тензодатчики используются в самых разнообразных изделиях, таких как семипостовой шейкер, который часто используется для настройки гоночных автомобилей.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Тензорезистивные датчики, несмотря на многообразие весоизмерительных устройств, чаще всего находят применение в современном оборудовании. Они обеспечивают широкий диапазон измерений и высокую точность (до 0,017%, в зависимости от модели), особенно в условиях высокой частоты динамических деформаций основания. Тензодатчики способны работать в широком диапазоне температур благодаря возможности компенсации. Благодаря плоской компактной конструкции они легко монтируются как на ровные, так и на криволинейные поверхности.

Тензодатчики могут быть прямо подключены к контрольному блоку или установлены на расстоянии от аналого-цифрового преобразователя. Они используются для проведения измерений на движущихся деталях, в нескольких точках конструкции одновременно и в других случаях.

Среди недостатков тензодатчиков можно выделить:

• Зависимость чувствительности от температуры и влажности окружающей среды, которая легко компенсируется.
• Снижение точности измерений в условиях вибрации.
• Необходимость использования усилителей сигнала в конструкции тензодатчика из-за возможных некорректных интерпретаций малых изменений сопротивления.
• Уязвимость механизма при воздействии агрессивной среды. Важно защитить компоненты весоизмерительной системы от коррозии, воды, химически активных веществ и механических повреждений.

Тензодатчики широко применяются в бытовых, промышленных, высокоточных и специализированных весоизмерительных приборах. Они обладают доступной стоимостью и, в редких случаях, могут быть подвержены ремонту. Тензодатчики представлены в различных ценовых категориях, что делает их доступными для широкого круга потребителей.

Выбор прибора

При подборе устройства рекомендуется учитывать множество показателей, начиная наибольшим пределом измерения (НПИ), материалом и классом точности, заканчивая схемой подключения. Самыми востребованными являются приборы, выполненные из нержавеющей стали или алюминия (из него чаще всего производятся одноточечные модели). Для использования датчиков с максимальной точностью должно быть четкое обоснование, так как чем выше точность, тем выше стоимость оборудования.

При выборе осуществляется проверка тензодатчика на самые различные показатели:

• Класс защиты;
• Материал;
• Диаметр/длина кабеля;
• Диапазон температур использования;
• НПИ.

Также рекомендуется обращать внимание на компанию и страну производителя устройства.

Частозадаваемые вопросы по теме

Итоги

Итак, в заключении можно отметить, что тензодатчики играют ключевую роль в современных системах взвешивания и измерения массы. Они обеспечивают высокую точность и надежность при определении веса грузов в различных областях применения, таких как производство, логистика, медицина и другие. Благодаря своей простоте и эффективности тензодатчики становятся неотъемлемой частью технологических процессов и повседневной жизни.

В статье также представлен обзор различных видов и типов тензодатчиков, что демонстрирует их разнообразие и универсальность. От консольных до мембранных, от резистивных до емкостных — каждый тип тензодатчика имеет свои особенности и преимущества, что позволяет выбирать наиболее подходящий вариант для конкретной задачи.

В целом, тензодатчики являются неотъемлемой частью современной техники и технологий, обеспечивая точные измерения и управление процессами на основе данных о весе. Их значимость продолжает расти вместе с развитием промышленности и научных исследований, что делает их важным объектом изучения и развития в будущем.