Тензометрические датчики веса и силы: принцип работы

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

Конструкция

Тензорезистивный датчик обычно представляет собой специальную упругую конструкцию с закреплённым на ней тензорезистором и другими вспомогательными деталями. После калибровки, по изменению сопротивления тензорезистора можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.

Существуют разные типы датчиков:

  • датчики силы (измеряет усилия и нагрузки)
  • датчики давления (измерение давления в различных средах)
  • акселерометры (датчик ускорения)
  • датчики перемещения
  • датчики крутящего момента

Наиболее типичным применением тензодатчиков являются весы. В зависимости от конструкции грузоприёмной платформы, применяются тензодатчики различного типа:

  • консольные
  • s-образные
  • «шайба»
  • «бочка»

Конструкция резистивного тензодатчика представляет собой упругий элемент, на котором зафиксирован тензорезистор. Под действием силы (веса груза) происходит деформация упругого элемента вместе с тензорезистором. В результате изменения сопротивления тензорезистора, можно судить о силе воздействия на датчик, а, следовательно, и о весе груза. Принцип измерения веса при помощи тензодатчиков основан на уравновешивании массы взвешиваемого груза с упругой механической силой тензодатчиков и последующего преобразования этой силы в электрический сигнал для последующей обработки. Для характеристики защиты тензодатчика от воды и пыли используется IP-рейтинг.

Блок: 2/5 | Кол-во символов: 1387
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BD%D0%B7%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B4%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA

Конструктивные особенности

Устройства разделяются как по типу формы, так и по типу конструкции. Для вычисления точной деформации тензометрический датчик должен иметь предельно чувствительные элементы. Их контакты делятся на следующие типы:

  • проволочные;
  • фольговые;
  • пленочные.

Тензодатчик с фольговыми элементами

Тензодатчик с фольговыми элементами применяется путем наклеивания. Система представляет собой полосу из фольги толщиной 12 мкм, но бывает и тоньше. Один участок ленты имеет решетчатую форму, а второй — плотную пленку. Это позволяет разместить на материале дополнительные контакты, что делает систему очень удобной в эксплуатации. Устройство способно переносить экстремально низкие температуры.

Аналогом фольговых являются пленочные модели. Единственное отличие между ними — материал для изготовления. Пленочные датчики производят из тензочувствительной пленки, поверхность которой имеет особое напыление, увеличивающее чувствительность устройства. С их помощью измеряют точные динамические нагрузки. Пленки делаются из германия, титана и висмута.

Для измерения нагрузок от 100 грамм до тонн применяются проволочные приспособления. Пленочные и фольговые модели способны измерять нагрузки по всей площади, а проволочные датчики вычисляют давление только в одной точке. Одноточечные тензодатчики часто используют для замера деформации на растяжение и сжатие.

Устройство и принцип действия

Для измерения давления или веса используется тензодатчики, все они выдают электрический цифровой или аналоговый электрический сигнал при изменении формы чувствительного элемента. Но из чего они состоят?

Основа или корпусы бывают разных типов, от этого зависит, куда вы сможете установить датчик. А также то, в каком направлении он работает – на сжатие, растяжение или на изгиб.

Тензометрические датчики

В корпусе тензодатчика кроме чувствительного элемента могут находиться и дополнительные блоки, например, АЦП, формирователи питания и пр. Если тензометрический датчик цифровой, то и блок для преобразования аналогового сигнала (АЦП). Рассмотрим принцип работы чувствительного элемента тензометрического датчика на примере тензорезистивного компонента – они нашли наиболее широкое применение.

Тензометрический датчик резистивного типа представляет собой гибкую плёнку или подложку, на которую нанесён резистивный слой. Если это плёночный датчик – тонкое напыление или фольга, если проволочный — на гибкой подложке размещена проволока. Напыление или проволока укладываются в извилистую линию.

Тензорезистор

При механическом воздействии на подложку он изгибается, в результате чего плёнка, фольга или проволока растягивается. Соответственно в натянутом состоянии изменяется (уменьшается) её площадь поперечного сечения и сопротивление увеличивается. При снижении давления подложка возвращается в исходное положение, резистивный слой тоже, а его сопротивление начинает уменьшаться и возвращаться к норме.

Пьезоэлектрические чувствительные органы работают напротив. При давлении на пьезокристалл возникает ЭДС, тогда как у пьезорезистивных датчиков из тонких плёнок полупроводников также изменяется сопротивление.

Пьезорезистивный датчик

Ещё можно встретить и емкостные датчики – это приборы, принцип работы которых заключается в измерении ёмкости между гибкими пластинами. А также электромагнитные устройства, в которых под воздействием на магнитопровод изменяются характеристики контура.

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:

  • простота изготовления;
  • линейная зависимость от деформации;
  • малые размеры и цена.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

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

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Измерительная схема

Тензорезисторная измерительная схема включает в себя так называемый сбалансированный мост Уинстона. Ниже на рисунке он представлен со встроенным по диагонали вольтметром. Проводник A – D замкнут на источнике постоянного напряжения.

Измерительный мост тензометра

Измерительный мост тензометра

Переменный резистор R2 в отсутствие нагрузки сводит напряжение к нулю. Вольтметр диагонали B – C показывает изменение уровня напряжения в схеме при наличии нагрузки, приложенной к исследуемому объекту. Параллельно этому сигнал с линии B – C подаётся через дифференциальный усилитель в тензометр.

Применение тензометрии

Тензометрия является неотъемлемой частью испытаний макетов и экспериментальных образцов, проектируемых ответственных строительных конструкций, продукции авиапрома, космической техники и пр. Тензометрии подвергают здания и сооружения, в которых были замечены нарушения целостности конструкций.

На принципах тензометрии проектируют и производят приборы измерительного назначения. К ним относятся весы, динамометры, торсиометры (датчики крутящего момента). Тензорезисторы играют большую роль в профилактике и предупреждении возникновения возможных аварийных ситуаций, связанных с разрушением строительных конструкций, различного оборудования тяжёлой промышленности и т.п.

Тензометрические методы измерения

Тензометрические методы измерения

Схема подключения

Грамотно подключить датчик не составит труда, если воспользоваться схемой. Перед покупкой приспособления нужно определиться с длиной провода, потому что правильно удлинить кабель будет сложно. Зачастую после этого точность данных сбивается. Решить эту проблему можно контролером se 01 тензодатчика, являющимся модулем-усилителем. Его надо вмонтировать в само устройство.

В весах могут быть 2 и более индикатора. Они должны подключаться соединительными коробками параллельно. Если аппарат работает от сети, то его нужно заземлить. Провода заземляются в общую точку при помощи разветвлительной коробки. После подключения производится визуальный осмотр на правильность соединения элементов датчика. Также проверяется заземление и все контакты.

Схема подключения тензодатчика

Если преобразователь чрезмерно перегрузить работой, то он может выйти из строя. В таком случае не рекомендуется проводить самостоятельные ремонтные работы. Придется нести приспособление в специализированную мастерскую.

Среди всех моделей большим спросом пользуются: ДСТ, НСК К-Б-12А, Кели, Utilcell, Zemic, Ацп и НВМ. Они отличаются друг от друга техническими характеристиками, следовательно, покупая датчик, нужно внимательно изучить все параметры.

Примеры использования тензометров

Одним из примеров может служить максимальная оптимизация степени натяжения полотна ленточной пилы. Также стоит упомянуть об обследовании железобетонных конструкций, которые производят с помощью тензометров, фиксирующих степень напряжения арматуры в массиве бетона.

Настройка тензометра

Настройку тензоизмерений производят с помощью компьютерной программы Тензометр. Операционная система позволяет осуществлять измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензостанции ZET 017-T. С её настройкой можно проводить измерения силы, крутящего момента, веса и смещений.

Самописец программы отображает фиксированные результаты в почасовом режиме. Статистика показаний отображается графически и в табличном виде.

Параметры

Комплекс измерений формируется выбором нужных характеристик в поле «Параметры» на интерфейсе программы. К ним относятся:

  • ток питания;
  • показания;
  • единицы измерений;
  • сглаживание;
  • коррекция;
  • инверсия данных.

Тензорезистор

Для его настройки пользуются окном программы – «Тензорезистор». Для выбора процесса измерений используют раздел «Файл калибровки». Высвечивается поле «Показания». В нём указываются данные датчика.

Тензодатчик

Используют поле программы – «Тензодатчик». Для настройки применяют два параметра: это чувствительность и предел измерений.

Многоканальный

Программа поддерживает многоканальные режимы измерений. Их использует при установке на объект группы датчиков.

Подсказки в программе Тензометр

Корректировщик программы укажет во всплывающем окне неправильное задание тех или иных параметров. Разработчики программного продукта учли самые распространённые ошибки и позаботились о следующих оповещениях:

  • отсутствие опорного канала;
  • неправильно заданы каналы;
  • низкий уровень опорного сигнала (ниже 3% верхнего диапазона).

Дополнительная информация. Программное обеспечение ZETLAB TENZO содержит программу Тензометр для всех тензостанций. При сбое программ подключают Ethernet. Для этого запускают панель ZETLAB, нажимают клавишу F1 и находят строку подключения к Ethernet.

Цифровой тензорезистор ZET

Цифровой тензорезистор ZET

Тензометрические обследования помогают избегать просчётов в проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием разных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменения характеристик объекта, позволяет сохранить его эксплуатационные качества и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом