Тензодатчик: принцип работы, устройство, типы, схемы подключения

Подключение

Что такое тензодатчик?

Тензометрический датчик в соответствии с п. 2.1.2 ГОСТ 8.631-2013 представляет собой весоизмерительный элемент, реагирующий на изменение величины физического воздействия (силы) и преобразующий его в электрический сигнал. Фактически это резистор, изменяющий параметр омического сопротивления в зависимости от приложенной силы.

На практике они широко используются для измерения массы и нагрузки в системах взвешивания. В зависимости от области применения применяются различные типы тензорезисторов, которые различаются как по принципу действия, так и по конструктивным особенностям.

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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.

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

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 измерительную цепь.

В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: ток, измерение и компенсация потерь.

Что такое тензодатчик, виды тензорезисторов, схема подключения и их применение

Примеры использования тензометрических датчиков

  • весовой элемент.
  • измерение сил деформации при обработке металлов давлением на штамповочных и прокатных станах.
  • контроль нагрузочного режима строительных конструкций и сооружений в процессе строительства и эксплуатации.
  • высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
  • с эластичным элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивных средах.
  • для измерения давления в нефте- и газопроводах.

Простота, удобство и технологичность тензодатчиков являются основными факторами для их дальнейшего активного внедрения, как в метрологические процессы, так и в быт в качестве измерительных элементов в бытовых приборах.

Конструкция

В качестве примера рассмотрим простейший вариант тензорезистора, где в качестве чувствительного элемента выступает тензорезистор. Структурно его можно представить в виде тонкой эластичной нити или пленки, распределенной по контролируемой поверхности.

Работа тензодатчика основана на законе Гука, который гласит, что изменение электрического сопротивления по отношению к начальному положению элемента пропорционально растяжению или сжатию датчика. Руководствуясь этим принципом, определяют коэффициент пропорциональности:

К = ∆l / l = ∆R / R

Где:

  • К — коэффициент пропорциональности;
  • Δl — изменение длины при 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 (рис. 1):

Устройство тензодатчика
Рис. 1. Блок тензодатчиков

В состоянии покоя дорожки тензодатчика имеют определенное сечение и длину проводника. Сопротивление всего резистивного элемента в тензодатчике будет определяться по формуле:

R = (p*l)/S, где

  • ρ — удельное сопротивление материала, как правило, в качестве металла с постоянным удельным сопротивлением используется константан;
  • l — длина провода тензодатчика;
  • S — поперечное сечение проводника тензорезистора.

Таким образом, при удлинении тензодатчика длина токопроводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. В результате омическое сопротивление тензорезистора увеличится.

При его сжатии будет происходить обратный процесс – длина токопроводящих элементов будет уменьшаться, а их сечение увеличиваться. В результате сжатия сопротивление тензодатчика уменьшится, что лежит в основе принципа его работы.

Принцип работы

В большинстве случаев тензодатчик работает не от одного тензодатчика, а включает мостовую схему тензодатчика. Этот принцип называется мостом Уитстона и реализуется следующим образом (рис. 2):

Принцип работы тензодатчика
Рис. 2. Принцип работы тензодатчика

Как видно на рисунке, в плечи моста входят четыре тензорезистора, которые размещены на гибком основании, что придает им упругую деформацию при измерениях. Все резистивные элементы в тензодатчике выбраны эквивалентными, что дает нулевое значение разности потенциалов в точках +S и -S на выходе в состоянии покоя.

Это означает, что в выходной цепи измерительного блока не будет протекать ток в ненагруженном идеальном тензодатчике. В реальном устройстве все равно присутствует токовая нагрузка из-за конструктивных различий резистивных частей, колебаний температуры.

Как только к измерительному корпусу прибора будет приложена механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, что приведет к изменению рабочих параметров всех резисторов в мостовой схеме тензодатчика. В большинстве случаев тензорезисторы сжимаются и растягиваются попарно (рис. 3):

Влияние нагрузки на тензодатчик
Рис. 3. Влияние нагрузки на тензодатчик

Как вы можете видеть на рисунке, два резистора сжаты, а два других растянуты, что приводит к деформации моста. Электрическая цепь разбалансирована, и через выход тензодатчика начинает протекать электрический ток.

О чем будет свидетельствовать отклонение стрелки гальванометра или дисплея прибора, реагирующего на изменение разности потенциалов. Как только нагрузка перестанет действовать на тензорезистор, гибкая пластина вернется в исходное состояние, а тензометрический мост снова войдет в состояние равновесия.

В данном примере мы рассмотрели простейший вариант четырехпроводного тензодатчика. Но на практике применяются также пяти- и шестипроводные тензодатчики, что связано с типом конкретного узла.

Читайте также: Подключение трехклавишного выключателя: схема, область применения, конструкция и принцип работы тройного выключателя

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.

Типы датчиков по форме основания нагрузки
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 значение 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.

Принцип работы емкостного тензодатчика
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.

Схемы подключения

На практике используются различные способы подключения тензодатчика к общей цепи. Самый простой вариант – четырехпроводная схема подключения, которая показана на рисунке 6 ниже:

Четырехпроводное соединение
Рис. 6. Четырехпроводное подключение

При этом схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красный и белый для подачи напряжения, а черный и зеленый для съема принимаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех.

Этот вариант используется для датчиков тока, слаботочной аппаратуры, устанавливаемой непосредственно на месте измерения и фиксирующей результат. На практике это может быть реализовано следующим образом:

Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения
Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

При снятии блока весов с блока управления используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления линий электропередач на результат измерения.

Шестипроводная схема с обратной связью
Рис. 8. Шестипроводная схема с обратной связью

Выводы +Е и -Е служат для подачи напряжения на тензодатчик. Падение напряжения на проводах снимается с клемм +Sen и -Sen, которые затем вычитаются из результирующего сигнала. Контакты +S и -S используются для снятия показаний, функция вычитания реализована следующим образом:

Практическая реализация вычитания напряжения
Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

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.

Как выбрать?

При выборе модели для измерения физических усилий или веса необходимо ориентироваться на основные параметры датчика. Эти свойства 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.

Как подключить

Подключение тензодатчика несложно сделать своими руками, если под рукой есть схема. Для начала нужно купить прибор, при этом учитывать, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно продлить в случае острой необходимости, но тогда точность индикатора сильно упадет.

Контроллер тензодатчика см. 01, который действует как усилительный модуль, поможет нормализовать этот параметр путем встраивания.

схема подключения
Фото – схема подключения

Если в весах используется несколько индикаторов, их необходимо соединить параллельно с помощью соединительных коробок. Независимо от типа электропитания, провода к датчикам также должны быть заземлены. Заземление должно быть установлено в одной общей точке, также для этого можно использовать распределительную коробку, например КАС.

После этого датчики проверяются на правильность подключения. Перед выездом рекомендуется проверить все контакты и контуры заземления. Монтаж устройств осуществляется с помощью экранированного кабеля, гасящего помехи, благодаря чему дополнительные модули не требуются. Аналогичным образом преобразователь подключается к дозатору.

стандартное соединение
Фото — стандартное подключение

Чрезмерное усилие может сломать преобразователь, в этом случае не пытайтесь ремонтировать его вручную.

Большой популярностью пользуются модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, ADC, KELY (Кели), НВМ (HBM), NSK KB-12A и DST. Модели имеют разные характеристики и сферы применения, поэтому перед покупкой внимательно изучите параметры.

Как поступить, если весы вышли из строя

Бывают ситуации, когда электронное устройство отказывается работать. Причина поломки скорее всего кроется в тензодатчиках. Для каждой конструкции производителем предусмотрена максимально допустимая нагрузка. Поэтому при превышении допустимого веса рамы гнутся, вес выходит из строя. Достаточно просто расправить рамы, и агрегат готов к дальнейшей эксплуатации.

Если визуально определить причину поломки не представляется возможным, можно диагностировать проблему с помощью тестера. В этом случае нужно отключить датчик от платы, а затем измерить сопротивление во всех трех проводах.

Если параметры в какой-либо части устройства не соответствуют нормам, причина найдена. В противном случае вам придется отсоединить микроскопическую пластину.

Это важно знать. Пластину снимаем аккуратно, так как любое механическое повреждение может спровоцировать полную неработоспособность устройства.

Внутри устройства находим медную пластину с проводами. Иногда причиной ошибки может быть обрыв провода. Тогда достаточно просто восстановить вложение. Но бывает и хуже, датчик выходит из строя и его приходится менять. Сменить датчик несложно, но после установки нового элемента шкалу необходимо откалибровать. В противном случае работоспособность не будет восстановлена.

Калибровка

Микроскопический принцип работы тензодатчика своеобразен и особенен; в одной партии и от одного производителя датчики все равно будут отличаться мостовыми соединениями. Небольшой баг, но будет присутствовать. Калибровка поможет устранить это.

В случае неправильной калибровки или неправильного измерения датчик можно вывести из рабочего процесса, просто сняв с него нагрузку или воспользовавшись резисторами для имитации требуемых параметров.

Работоспособность механизма будет восстановлена, а благодаря тому, что общая масса рассчитывается путем суммирования значений, измерения будут проводиться точно.

Есть еще один способ — отключить неисправный элемент. Тогда механизм примет свое измерение за нулевое значение.

Узнать причину ошибки и устранить ее можно самостоятельно непрофессионалу, так как электронные весы представляют собой простую комбинацию резисторов и платы.

Модели

Ассортимент современной бытовой техники пестрит разнообразными предложениями электронных измерительных приборов. Но самый большой спрос на небольшое количество моделей от разных производителей.

Medisana 40419 TargetScale

Ладонь рук занимают многофункциональные весы Medisana 40419 TargetScale. Купить их может позволить себе не каждый, цена доходит до 15 тысяч рублей. Ими можно управлять с помощью мобильного телефона или другого подобного гаджета на платформе Android или IOS, достаточно их синхронизировать.

Принцип работы электронных весов можно оценить сразу, показания будут перед глазами, а не где-то внизу у ног. Можно будет отображать графики, показывающие динамику веса, жировых отложений, артериального давления, температуры тела и уровня сахара. Комфорт в управлении сочетается с великолепным внешним дизайном. Простыми словами, «не весы, а приключение».

SUPRA BSS-6200GN

На втором месте в рейтинге популярности весы электрические SUPRA BSS-6200GN. Это самый бюджетный вариант, он дает возможность узнать не только массу тела, но и содержание в нем жира и мышц. Пользуется спросом у женщин, ведущих здоровый образ жизни и правильное питание.

Beurer BF-100

Третью позицию занимает модель Beurer BF-100. Погрешность измерения практически исключена. Этот экземпляр имеет восемь электродов, которые считывают и передают данные на компьютер, имеет возможность запоминать информацию более чем об одном пользователе.

Платформа этой модели выполнена в сочетании металла и пластика, оснащена пультом дистанционного управления. Стоят они около восьми тысяч рублей. Они не пользуются большой популярностью, поскольку, по отзывам покупателей, имеют крайне неудачную схему измерения состава тела.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector