Тензометрические датчики: виды, принцип работы

Системы контроля производят постоянное наблюдение за состоянием различных механизмов и, в том числе, контролируют вес. Для проведения измерений на многих предприятиях широко востребованы тензодатчики. Основным компонентом прибора выступает тензорезистор. Он преобразует величину упругой деформации в удобный для измерения сигнал, в основном — в электрический.

Процесс происходит при изменении сопротивления измерительной решетки тензорезистора при его растяжении или сжатии. Конструктивно резистивный преобразователь можно представить в виде тонкой упругой проволоки из константана или пленки (фольги), распределенной по контролируемой поверхности. Устройство позиционируется как один из основных составляющих высокоточного оборудования для взвешивания. Его используют в любых весах электронного типа: от бытовых напольных до сверхточных лабораторных.

Содержание:

1. Виды:
   • Фольговый тензорезистор
   • Пленочный тензорезистор
   • Проволочный тензорезистор
2. Принцип действия тензодатчиков
3. Принцип действия датчиков силы
4. Преимущества тензометрических датчиков
5. Подключение тензометрических датчиков к индикатору веса

Виды

Ассортимент тензометрических датчиков очень большой, их выбирают с учетом сферы использования: измеряют силу и нагрузку; контролируют давление; контролируют момент для станков, моторов автомобилей.

Чаще всего для определения веса используются следующие модели:

• мембранные — широко используются в вагонных и автомобильных весах, для взвешивания цистерн, баков;
• колонные — для многотонных весов — автомобильных, вагонных, бункерных, а также для модернизации механического весового оборудования;
• S-образные — для подвесных, бункерных измерительных приборов, дозаторов массы.

Кроме классификации по форме, тензорезисторы различают по конструкционному чувствительному элементу. Рассмотрим эти разновидности подробнее.

Фольговый тензорезистор

Получили наибольшее распространение. Производят методом фотохимического травления.

Решетка тензорезистора выполняется из разных металлосплавов, обеспечивающих достаточную чувствительность и в то же время имеющих хорошую адгезию с изоляционной основой, на которой выполняется устройство. Толщина проводящего покрытия 3–15 мкм. Сопротивление находится в пределах 30–2000 Ом. Для защиты от внешней среды датчик покрывается специальным слоем.

Основные преимущества изделий — наибольшая чувствительность по сравнению с проволочными устройствами, прочные выводы и сложная конфигурация решетки.

Пленочный тензорезистор

Изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

Малая толщина таких тензодатчиков (15–30 мкм) предоставляет существенный плюс при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур. Тензометрический коэффициент преобразователя равен 2–4, а его сопротивление варьируется в пределах 100–1000 Ом.

Проволочный тензорезистор

Представляет собой тонкую проволоку диаметром d 0 002н–0 5 мм, которая укладывается в виде петель длиной 5–25 мм, шириной 8–10 мм и приклеивается к бумаге. К ее концам припаиваются выводы 3 из более толстой проволоки, при помощи которых тензорезистор включается в цепь измерительной системы. Проволока должна соответствовать высокому удельному сопротивлению и малому температурному коэффициенту.

Принцип действия тензодатчиков

Суть работы довольна проста: на вход подается питание, с выхода снимается сигнал. Выходное напряжение зависит от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов.

На практике используют несколько типов весоизмерительных датчиков — четырех-, и шестипроводные. Предлагаем рассмотреть подробнее принцип действия на самом простом — первом варианте.

Четырехпроводной и шестипроводной тензодатчик работает по принципу моста Уитстона. Измерительная схема следующая: на гибкой подложке расположены четыре тензорезистора. Для обеспечения на выходе в состоянии покоя нулевого значения разности потенциалов в точках + S и – S все элементы имеют равное сопротивление. Ток не протекает в выходной цепи измерительного прибора, если считать тензорезистор идеальным. На практике из-за конструкционных особенностей и температурных перепадов все равно наблюдается токовая нагрузка.

При механическом воздействии нагрузки на тензодатчик гибкое основание деформируется. В результате в мостовой измерительной схеме изменяются рабочие параметры 4 резисторов, в том числе сжатие и растяжение. Обратите внимание на рисунок ниже.

Стрелка гальванометра отклоняется, что свидетельствует о том, что равновесие электроцепи нарушается, и ток начинает протекать через выход тензорезистора. Гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост придет в равновесие, как только нагрузка прекратится.

По факту, тензорезистор меняет параметр омического сопротивления по отношению к прилагаемой силе. На практике устройства широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах.

Принцип действия датчиков силы

Специальные устройства предназначены для измерения показателей силы или получения параметров момента действующей силы. Они определяют усилие либо силу, с которой один объект действует на другой.

Наличие датчиков силы в весах обуславливает возможность автоматизировать техпроцесс на производстве. Они востребованы в различных сферах — в с/х, строительстве и металлургической промышленности.

Принцип работы: весовая нагрузка деформирует упругий элемент. В месте возникновения деформации возрастает сопротивление, что приводит к изменению силы тока. Последняя пропорциональна величине деформации и, соответственно, действующей на датчик силе. Модели тензометрических датчиков характеризуются высокой точностью, обладают минимальными габаритами и весом.

Высокоточные малогабаритные устройства предназначены для измерения усилий сжатия и расширения. Самое широкое распространение получили датчики с металлическими тензометрами за свою универсальность, достаточную точность, простоту обработки выходного сигнала и приемлемую цену. Кроме того, они универсальны — подходят для измерения статических и динамических сил.

Преимущества тензометрических датчиков

К преимуществам тензодатчиков следует отнести:

• малый вес и размеры. Современные устройства компактные и не такие громоздкие, как раньше;
• простоту конструкции и крепления датчиков к изделиям. Процесс взвешивания гораздо упростился, а фиксация возможна как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
• способность измерять статические и динамические деформации. Это очень востребовано при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
• возможность проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -50 до +50 ˚С.

У нас вы можете купить тензометрические датчики для различных, в том числе больших нагрузок — до 200 т. Устройства работают результативно и обладают максимальной точностью измерения показателей. Подберем для вас нужную конструкцию исходя из области использования — S-образный, колонный, консольный, мембранный, балочный.

Подключение тензометрических датчиков к индикатору веса

В зависимости от пожеланий заказчика и технического задания мы можем изготовить устройства, которые могут иметь 4-х проводный или 6-ти проводный кабель для подключения к весовому индикатору.

Посмотрите на рисунок, где указаны эти две схемы:

Если промышленные весы имеют сразу несколько тензодатчиков, то они должны быть подключены параллельно, желательно с использованием специализированных соединительных коробок. Также они позволят сбалансировать систему, состоящую из множества устройств.

Например, для автовесов используют сборную конструкцию грузоприемного устройства. Платформа состоит из двух полуплатформ. Каждая платформа размещается на четырех тензодатчиках. Для подключения группы тензометрических датчиков применяют соединительные коробки. Они позволяют не только объединить сигналы с тензометрических датчиков, но и произвести выравнивание угловых нагрузок за счет добавочных резисторов, которые включаются в цепь сигнала датчиков.

В комплектацию устройств входит кабель. Если изменить его длину, то требуется обязательная калибровка весового индикатора, иначе показания могут быть недостоверными. Например, удлинение и укорачивание кабеля всегда приводят к потере точности определения массы. Отметим, что сколько бы проводов не было, датчик должен соответствовать требованиям ГОСТ.

Смотрите также:

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ