Какую измерительную схему применяют для проволочных тензодатчиков

Тензометрические датчики

Тензометрические датчики служат для измерения дефор­маций и механических напряжений в деталях машин и механиз­мов. Они могут также использоваться для измерения других меха­нических величин (давления, вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники (в виде про­волоки, фольги или пленки) и полупроводники.

В данной главе рассматриваются проволочные, фольговые, пле­ночные и полупроводниковые тензодатчики, относящиеся к пара­метрическим датчикам. В них выходной сигнал формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют еще тензорезисторами. Для измерения деформаций используются и тензометрические датчики, основанные на других принципах: магнитоупругие датчики (рассмотрены в § 6.5) и струнные датчики (рассмотрены в гл. 11).

§ 5.2. Принцип действия проволочных тензодатчиков

Принцип работы проволочного тензодатчика основан на изменении активного сопротивления проволоки при ее деформации. Изменение активного сопротивления проволоки происходит по двум причинам: во-первых, изменяются геометрические размеры про­волоки (длина l, сечение s); во-вторых, при деформации изменяет­ся удельное сопротивление р материала проволоки. А эти величины и определяют активное сопротивление проволоки:

(5.1)

Рекомендуемые материалы

Рассмотрим (рис. 5.1) провод длиной, радиусом , сечением и объемом, который при деформации (растяжении)

под влиянием силыполучает удлинениеи уменьшение радиуса . Следовательно, новый объем проволоки

(5.2)

Пренебрегая бесконечно малыми высших порядков [вида , , получим :

откуда приращение объема

(5.3)

Рис. 5.1. Деформация про­вода

Преобразуем уравнение (5.3), помножив и поделив вычитаемое аи заменив на:

где — коэффициент Пуассона, характеризующий изменение размеров проволоки при растяжении; для металлов Если бы материал не изменял объем при растяжении, то и . Таким образом, реальные металлы изменяют свой объем, а сле­довательно, они претерпевают и внутриструктурные изменения: очевидно, меняется плотность материала и его удельное сопротив­ление. Для определения изменения сопротивления проволоки при рас­тяжении продифференцируем уравнение (5.1), полагая, что все вхо­дящие в него члены зависят от усилия.

Напомним формулу для дифференцирования произведения фун­кций

Используя эти правила дифференцирования, записываем :

Продифференцируем также выражение для объема проволоки

(5.6)

Сравнивая (5.6) и (5.4), получаем

(5.7)

Подставляя (5.7) в (5.5), имеем

(5.8)

Выражение для относительного изменения сопротивления получим, поделив (5.8) на (5.1):

(5.9)

Чувствительность проволочного тензодатчика определяем как отношение величины относительного изменения сопротивления по (5.9) к относительному изменению линейного размера:

(5.10)

Обозначим третье слагаемое в (5.10) через коэффициент, учиты­вающий изменение удельного сопротивления, связанное с измене­нием размеров:

(5.11)

Слагаемое для металлов может иметь максимальное значение 1,8 (при). Но чувствительность для некоторых сплавов превышает 2. Это как раз и означает, что , т. е. при деформации изменяется удельное сопротивление.

В табл. 5.1 приведены характеристики некоторых сплавов, ис­пользуемых для проволочных тензодатчиков. Следует иметь в виду, что деформация не является единственной причиной изменения со­противления тензодатчика. Сопротивление меняется и в зависимо­сти от температуры. Это явление используется в термосопротивле­ниях (см. гл. 9). Очевидно, для уменьшения температурной по­грешности тензодатчика его материал должен иметь высокую чув­ствительностьпри малом температурном коэффициенте расши­рения и малом значении термоЭДС при контакте с медными соеди­нительными проводами. В табл. 5.1 приведены пределы изменения характеристик материалов проволочных тензодатчиков, посколь­ку эти характеристики зависят не только от состава сплава, но и от технологии изготовления.

Тензочувствительность полу­проводников во много раз больше тензочувствительности металлов.

§ 5.3. Устройство и установка проволочных тензодатчиков

Устройство наиболее распространенного проволочного тензодатчика показано на рис. 5.2. На полосу тонкой прочной бу­маги наклеена уложенная зиг­загообразно тонкая проволока.

Рис. 5.2. Проволочный на­клеиваемый тензодатчик

К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены выводы из медной фольги, с по­мощью которых датчик подклю­чен в измерительную цепь. Свер­ху проволока также защищена от внешних воздействий тонкой бу­магой. Тензодатчик приклеивают испытуемой детали, благодаря чему деформацию детали воспри­нимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая прово­локой, называется измерительной базой датчика.

Для того чтобы получить наибольшее изменение сопротивле­ния датчика, его надо расположить в направлении действия де­формирующего усилия (сжатия или растяжения), т. е. направле­ние измерительной базы должно совпадать с осью, по которой на­правлено усилие. Если же направления базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изменение сопротивления очень малы. Если расположить несколько датчиков под углом друг к. другу, то можно определить не только величину деформации, но и направление приложенных к детали усилий.

Приклейка датчика к детали — очень важная технологическая операция. Качество ее выполнения сильно влияет на точность и надежность работы тензодатчика. Перед приклейкой производят тщательную очистку и обезжиривание поверхности детали. Наи­более часто для приклейки используются бакелито-фенольные клеи: для температуры до 100°С и кислой среды;для температуры до 60°С и щелочной среды. Сушка проводится при повы­шенных температурах в течение часа. Для защиты от влаги ис­пользуют парафиновые и другие покрытия. Разработаны специаль­ные клеи (на кремнийорганической основе) и покрытия для исполь­зования тензодатчиков при температурах до 1000°С.

При выборе измерительной схемы для тензодатчиков необхо­димо учитывать два обстоятельства. Во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое относительное изменение сопротивления (). Для увеличения чувствительности применяют мостовые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми датчиками, накле­иваемыми на испытуемую деталь таким образом, что датчик, вклю­ченный в одно плечо моста, работает на сжатие, а датчик, вклю­ченный в смежное плечо моста, работает на растяжение. Во-вто­рых, необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности. Мостовая схема включения тензодатчиков с компен­сацией температурной погрешности показана на рис. 5.3, а.

Рабочий датчик с сопротивлениемнаклеивается в направле­нии действия усилия, а другой — компенсационный — датчик с со­противлениемнаклеивается в перпендикулярном направлении. Датчикиинаходятся в одинаковых тепловых условиях. При деформации детали изменяется сопротивление только датчика А при изменении температуры в одинаковой степени изменяются со­противленияи. Поэтому при деформации нарушается баланс моста () и появляется выходной сигнал, пропорциональный усилию или деформации. При изменении температуры баланс моста не нарушается.

На рис. 5.3, б показана мостовая схема включения тензодатчи­ков повышенной чувствительности, а на рис. 5.3, в показаны места крепления тензодатчиков. В противоположные плечи мостаи включены датчики, работающие на растяжение (приклеенные к верхней поверхности изгибающейся под действием силы пласти­ны). А в плечи мостаивключены датчики, работающие на сжатие (приклеенные к нижней поверхности пластины). Условие баланса моста () при деформации пластины нарушается

Рис. 5.3. Схемы включения и места крепления тензодатчиков

весьма сильно:иувеличиваются,иуменьшаются. По­этому выходной сигнал мостовой схемы значительно больше, чем при одном изменяющемся плече моста. Чувствительность при этом повышается примерно в четыре раза. Одновременно такая схе­ма обеспечивает и температурную компенсацию.

По конструктивным параметрам тензодатчики подразделяются на датчики с малой базой (L = 0,4…4 мм); со средней базой (L ==4-^25 мм); с большой базой (). Активное сопротивление датчиков с малой базой 5—100 Ом, со средней базой 100— 400 Ом, с большой базой до 1000 Ом. Ширина датчиков от 3 до 60 мм. Длина выводов датчиков составляет 20—80 мм. Относи­тельная чувствительность проволочных тензодатчиков зависит от материала проволоки: для константана; для элинвара(см. табл. 5.1).

§ 5.4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохи­мического травления. Решетка такого датчика выполняется из раз­ных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик. Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению с проволоч­ными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обес­печиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколь-

Рис. 5.4. Фольговые тензодатчики

ко раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 10 3 А/мм 2 ). Благо­даря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков дости­гает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пле­ночной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3— 15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить лю­бой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 5.4 показаны различные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, пред­назначенный для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Для измерения механических усилий и напряжений используют­ся и угольные датчики. Их работа основана на зависимости актив­ного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5.5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным вин­том 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Давле­ние на угольные диски 3 передается через металлические диски /, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивлениеугольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы и переходного контактно­го сопротивления между шайбами:

(5.12)

Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30— 150 Ом-мм 2 /м- Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

(5.13)

Рис. 5.5. Угольный датчик для изме- Рис. 5.6. Тензолитовый уголь-
рения усилия ный датчик

где k — коэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Под­ставляя (5.12) в (5.13), получим

(5.14)

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия пока­зана на рис. 5.5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гисте­резиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого заливания угольных дисков. При небольших усилиях () из-за слабого контакта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопределенности и служит прижимный винт в, обеспечивающий начальное усилие сжатия F₀.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (графитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим ла­ком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 5.6) в виде стержней / диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2, а к бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стержень также деформируется. Происходит изменение плотности контакта, между частицами угля, и, следовательно, сопротив­ление датчика изменяется: при сжатии — уменьшается, при растя­жении— увеличивается. Относительная чувствительность тензоли-тового датчика определяется, как и для проволочных тензодатчиков, по формуле•. Она не является постоянной величиной из-за нелинейной зависимости (см. рис. 5.5, б) и может достигать больших величин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках используются кристалличе­ские полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивления из-за механической деформации самого проводника и изменения удельного сопротивления. Но если в металлических про­водниках главным является изменение размеров [коэффициент m. в уравнении (5.11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в -уравнении (5.11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, чтоЧувствительность полупроводникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствитель­ность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и крем­ниевые тензодатчики, причем последние способны работать при высоких температурах (до 540°С) и больших механических на­грузках.

§ 5.5. Методика расчета мостовой схемы с тензодатчиками

Расчет мостовой схемы с тензодатчиками выполняется на основе следующих исходных данных: максимальное усилие F; чувствительность ; сопротивление датчика ; сопротивление измерительного прибора, или входное сопротивление усилителя, • ; допустимый ток элементов схемы; размеры испытуемой де­тали и модуль упругости Е ее материала.

Эскиз крепления тензодатчика на консольной балке шириной и толщиной h показан на рис. 5.7. Расчет выполняется в такой последовательности: 1. Прогиб балки под действием силы F, приложенной на рас­стоянии L от места закрепления,

(5.15)

где —момент инерции;

2. Относительное удлинение балки

(5.16)

3. Относительное изменение сопротивления датчика

(5.17)

4. Общая чувствительность измерения

(5.18)

где —используемая шкала прибора. Желательно использовать
всю шкалу прибора, что позволит полностью реализовать точность
измерительного прибора.

5. Необходимая чувствительность моc-

товой схемы: для схемы с двумя датчиками

для схемы с четырьмя датчиками

где— чувствительность измерительного

6. Затем по методике, изложенной в гл. 2, на основании (2.16)
находим функцию коэффициентов т, п, q, которые выражают соот­ношение сопротивлений плеч моста и измерительного прибора:

(5.20)

7. Определяем коэффициенты q и т:(для двух датчиков).

8. Необходимое значение коэффициента п находим по номограм­ме, построенной для полученных значений q n m аналогично рис. 2.4.
Полученное значение чувствительности сопоставляется с формулой
(5.20), и решается вопрос об использовании всей шкалы прибора.

Значение коэффициента п не должно превышать определенного предела, при котором ток не превышает допустимого значения при напряжении питания мостовой схемы U.

9. При измерении динамических деформаций частота питания
должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемой деформации.
При измерении деформаций частотой более 1 кГц мост обычно пи­
тают постоянным током.

10. Если невозможно обеспечить требуемую точность измерения,
то применяют методы тарировки (градуировки) измерительного
прибора по образцовому прибору.

Тензодатчики – устройство, классические схемы подключения, маркировка, полезная информация для ремонта

Занимаясь ремонтом весоизмерительной техники приходится сталкиваться с некоторым непониманием со стороны механиков такого важного понятия, как принцип работы тензодатчика. Постепенно собралась небольшая коллекция часто задаваемых вопросов и ответов на них. В принципе в интернете и на книжной полке есть достаточно материалов, но, как правило, это в основном информация для инженеров проектировщиков, вызывающая зевоту у инженеров ремонтников. Ответы на вопросы делались на основе практических умозаключений и на основании полученных знаний на лекциях по метрологии, но вполне допускаются ошибки в оконечных выводах, фактически все ответы подкреплены практическими данными. Вопросы будем рассматривать от простого к сложному.

Как правильно называть весовой измерительный датчик для весов

Работая с весами уже более 20 лет, ответ на этот вопрос так и не был найден, поэтому просто перечислим встречавшиеся термины:

• Датчик ХХХХ (где ХХХХ маркировка датчика), чувствительный элемент — Масса-К
• Тензометрический датчик (тензодатчик) – CAS
• Балка – жаргон
• Мы же будем дипломатично называть — весовой измерительный датчик для весов.

Устройство весового измерительного датчика для весов

Вопрос довольно глобальный, постараемся упростить материал как можно больше, и не вдаться в теоретические выкладки. В самом конце подборки мы все-таки рассмотрим весовой измерительный датчик для весов в более расширенном варианте. А пока, максимально упрощенный вариант.

Классический весовой измерительный датчик для весов на выходе имеет четыре разноцветных провода два — питание (+Ex, -Ex), два — измерительные концы (+Sig, -Sig).

Для справки. Встречаются несколько вариантов обозначения выводов весового измерительного датчика для весов

Питание

Выход

Цепи компенсации (только для 6-проводного варианта)

Иногда встречается вариант с пятью проводами, где пятый провод служит экраном для остальных четырех. Суть работы весовой измерительный датчик для весов проста, на вход подается питание, с выхода снимается напряжение. Выходное напряжение меняется в зависимости от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов (балку).

Основное отличие 6-проводного весового измерительного датчика от 4-проводного

При большой длине проводов от весового измерительного датчика до блока АЦП, сопротивление самих проводов начинает влиять на показания весов.

Существует два решения этой проблемы:

1. Делать длину проводов одной и той же длины, тогда погрешность от сопротивления проводов вносимая в цепь измерения будет заранее известна, и будет скомпенсирована на уровне АЦП.

Для справки. На весах Масса-К серии ВТ было использовано оригинальное решение, АЦП был установлен прямо на весовом измерительном датчике, что позволяло решить проблему сопротивления проводов. Но был допущен серьезный инженерный просчет – переключатель калибровки не был вынесен за переделы весового измерительного датчика, и как результат усложненная процедура калибровки.

2. Добавить измерительную цепь, с помощью которой можно измерить сопротивление провода (а точнее падение напряжения) и в динамике подкорректировать погрешность от сопротивления проводов вносимую в цепь измерения.

Для этих целей добавляют два провода +Sen, -Sen которые и позволяют измерить падение напряжения на проводах, теперь достаточно вычесть это значение из общих измерений и мы получим показания только с тензорезисторов.

Вывод: Из вышесказанного следует, для 4-проводной схемы подключения весового измерительного датчика категорически не рекомендуется изменять (удлинять или укорачивать) длину кабеля от датчика до АЦП. В принципе при изменении длины соединительного кабеля можно сделать повторную калибровку, но вот калибровку термокомпенсации, вряд ли удастся, если это не предусмотрено конструкцией весов

Зачем в балке весового измерительного датчика для весов сделаны отверстия?

Если бы в балке не было отверстий, то вся нагрузка была бы распределена по всей поверхности в равной степени, и выявить деформацию было бы очень трудно. Так как тензорезисторы должны размещаться в местах наибольшего напряжения, то место установки последних делают специально тонким, нагрузка приложенная на конец балки, была максимально выражена в этих самых местах. Для максимального эффекта тензорезисторы строго ориентируют на поверхности балки, строго под самым тонким местом.

Тензорезистор установлен строго по меткам на поверхности балки и в соответствии с метками на подложке.

Двумя отверстиями расположенными рядом достигается эффект – на одной плоскости один датчик работает на сжатие другой на растяжение.

Устройство тензорезистора

Как правило, тензорезистор весового измерительного датчика для весов представляет собой длинный проводник выполненный в виде змейки. При сжатии длина проводника уменьшается и сопротивление уменьшается, при растяжении длина увеличивается и сопротивление увеличивается.

Основной тензорезистор, его положение строго позиционировано, в примере 265 Ом

Измерительный тензорезистор устанавливается строго по меткам, позиционные метки расположены по трем сторонам.

Компенсационный тензорезистор, требования к позиционированию менее жесткие, в примере 20 Ом

Китайский тензодатчик

Несмотря на привычный образ для китайской продукции – товар плохого качества. Китайские тензодатчики обладают довольно хорошими измерительными параметрами, и это не просто цифра на бумажке, а реальная цифра снимаемая с тензодатчика при измерениях. Но без ложки дегтя не обойтись, именно на китайских датчиках первый раз довелось увидеть деформацию балки, видимую даже невооруженным взглядом.

Тензодатчик 6кг (Китай) деформация видна без линейки Тензодатчик 150кг (Китай) и снова деформация видна без измерительных приспособлений

Не то что бы тензодатчики других производителей (не Китай) работают безотказно, например при наезде на тензодатчик машиной, конечно он выходит из строя. Однако на нем просто срезает резьбу. Нарезаем новую резьбу и датчик снова исправен.

Определяем маркировку проводов для измерительного датчика весов

Применяем теорию на практике. В качестве образца рассмотрим датчик с весов CAS DB H, у которого нам надо определить назначения контактов с датчика, а именно входные/выходные цепи.

Для справки. Весы CAS DB H со старым АЦП, дисплей люминесцентный с накалом. Напряжение питания может отличаться от весов с черным АЦП.

Провода имеют цветовую маркировку и их 5 – черный, синий, зеленый, красный, белый. Черный откидываем сразу, он ни с чем не звонится – это экран. Будем отталкиваться от того факта, что большинство датчиков имеют выходное сопротивление измерительного моста кратным 350 Ом, а сами датчики подключены по мостовой схеме. Измеряем сопротивления между всеми выводами, получаем 6 значений:

1. красный-белый 422 Ом
2. синий-зеленый 350 Ом
3. синий-красный 335 Ом
4. зеленый-красный 335 Ом
5. синий-белый 261 Ом
6. зеленый-белый 261 Ом

Способ №1: классический

Более быстрый, но дающий результат, в случае если датчик имеет выходное сопротивление измерительного моста кратное 350 Ом.

Как можно увидеть синий и зеленый провод являются контактами выходного сопротивления измерительного моста, так как сопротивление между ними кратно 350 Ом. Соответственно оставшиеся два контакта красный и белый — это контакты питания датчика.

Для справки. Остальные данные по сопротивлению проводов весового датчика весов CAS DB H можно посмотреть здесь. Допускается отклонение сопротивления от указанных +-1 Ом. Стандартное напряжение питания датчика – это +5В, но датчики обычно рассчитываются на 12В.

Способ №2: альтернативный

Проверялся только на мостовой схеме, для других схем подключения может не подойти.

Находим контакты с максимальным сопротивлением, красный и белый провод имеют сопротивление больше всех , 422 Ом – это контакты для входного напряжения. Соответственно оставшиеся два синий и зеленый, есть контакты выходного сопротивления измерительного моста.

Мы намеренно опустили определение полярности входных и выходных групп контактов, что бы не перегружать материал информацией.

Определение полярности контактов для измерительного датчика весов (в разработке)

Тут все несколько неоднозначно, по крайней мере, для нас. Поэтому выкладываем только данные практических экспериментов. В качестве объекта измерения выбраны весы CAS DB 1H с тензодатчиком BC-150DB. Зная паспортные данные тензодатчика, имея 4 варианта подключения и зная правильную ориентацию на станине – снимем показания с выходного датчика. Правильное подключение по паспорту.

Вариант 1. (паспортное подключение)

• 0кг, на выходе 0мВ
• 20кг, на выходе 1мВ
• 40кг, на выходе 1,9мВ

Показания родного АЦП с весов

• 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,160
• 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,956
• 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,751

Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.

Вариант 2. (перевернутое подключение)

• 0кг, на выходе 0мВ
• 20кг, на выходе 1мВ
• 40кг, на выходе 1,9мВ

Показания родного АЦП с весов

• 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,150
• 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,916
• 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,679

Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.

Как видно из показаний, данные АЦП несколько отличаются. В рабочем режиме весы начинают «врать», то есть показывать меньший вес, но если весы откалибровать — показания становятся правильными и весы становятся полностью работоспособными.

Вывод

Фактически подключение не влияет на работоспособность весов в целом, но показания при разных подключениях имеют небольшое отличие. Тензодатчик можно заставить работать в обоих подключениях. Два других варианта подключения рассматривать не будем, так как показания вольтметра на выходе получаются отрицательными, а соответственно нас не интересуют.

Теория тензоизмерений, схемы подключения тензорезисторов

Рассмотрим цилиндрический проводник (провод), который растягивается с силой F. Объем провода v остается постоянным, при этом сечение уменьшается и длина увеличивается. Сопротивление проводника можно записать в виде:

где ρ — удельное сопротивление материала.

После дифференцирования получим выражение для определения чувствительности сопротивления к удлинению провода:

Чувствительность повышается при увеличении длины провода и его удельного сопротивления и уменьшается при увеличении сечения провода. Относительное изменение сопротивления провода в зависимости от относительной деформации можно записать в виде:

где S_k — коэффициент тензочувствительности. Для металлических проводов он лежит в пределах 2-6, а для полупроводников — 20-200.

Например, рассмотрим тензосопротивление со следующими характеристиками:

Чувствительность (Sk)	2,0
Материал подложки	Полиамид
Измерительная решетка	Константовая фольга
База (длина измерительной решетки), мм	20; 50; 100; 150
Температурный коэффициент чувствительности, 1/К	115 * 10 -6
Поперечная чувствительность, %	0,1
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-70…+200 статические измерения -200…+200 динамические измерения
Номинальное сопротивление, Ом	120; 350; 700; 1000

Рассмотрим тензометрические весы, основанные на измерении стрелы прогиба центра балки лежащей на двух опорах (рисунок 1).

Стрела прогиба равна:

где F — приложенная сила в середине балки, l — длина балки, I — момент инерции поперечного сечения балки. Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с шириной a и высотой b, то

Для кругового поперечного сечения радиуса r:

Радиус изгиба балки составит:

Если на нижнюю сторону балки прямоугольного сечения наклеить тензорезистор, то относительная деформация резистора будет:

Пусть стальная балка имеет сечение a = b = 1 см = 10 -2 м и длину l = 10 см =10 -1 м, тогда стреле прогиба λ = 1 мм будет соответствовать усилие F = 8000 Н, что соответствует весу массы 800 кг. Относительная деформация тензорезистора наклеенного на нижнюю сторону балки будет составлять 0,006 и относительное изменение сопротивления 0,012. Для создания весов имеющих разрешающую способность 1 кг, необходимо регистрировать относительное изменение сопротивления до 10 -5 .

В таблице ниже приведены модуль Юнга и предел прочности для некоторых материалов.

Материал	Модуль Юнга, 10 9 Н/м 2	Предел прочности, 10 7 Н/м 2
Сталь	196	127
Железо	186	33
Медь	120	24
Латунь	102	35
Алюминий	68	7,8
Свинец	1,7	1,5

Схема измерений

Обычно применяются три схемы подключения резистивных датчиков. Первая схема (рисунок 2) — мостовая, вторая (рисунок 3) и третья (рисунок 4) — полумостовые схемы. В первой и второй схеме происходит контроль подаваемого напряжения и измеряется относительное падение напряжения V₁/V₂. В третей схеме проводится измерение напряжения V₁ относительно подаваемого напряжения.

В качестве сопротивлений R₁ — R₃ обычно используется такие же тензорезисторы, как и измерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. При использовании в качестве R₁ — R₃ таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Для этого необходимо использовать 6-проводную схему измерения. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара — для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.

При использовании 6-проводной схемы подключения датчика исключается погрешность падения напряжения на подводящих проводах и изменения падения напряжения на подводящих проводах из-за температурной зависимости сопротивления. Другим источником погрешности является наводимая помеха от других цепей. Самой значимой является сетевая помеха 50 Гц. Чем длиннее подводящие провода, тем выше уровень наводимой помехи. Для снижения уровня наводки необходимо использовать витые пары проводов в экране.

При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

Если сопротивления R₁ = R₂ = R₃ = R , то можно записать:

Для полумостовой схемы:

Дополнительными источником помех является нелинейная зависимость падения напряжения от значения измеряемого сопротивления.

Тензорезистивные датчики

На основе тензорезистивного эффекта также изготавливаются датчики давления со встроенной мостовой схемой.

Фоторезистивные датчики — это датчики, сопротивление которых изменяется в зависимости от освещенности датчика. В темноте такой датчик обладает высоким сопротивлением, а при падении света сопротивление уменьшается. Такой датчик обладает нелинейной характеристикой.

Также существует большое количество потенциометрических датчиков — датчиков положения, угла поворота. Принцип измерения сопротивления таких датчиков аналогичен измерению сопротивления терморезистора.

Сходным по функционированию являются емкостные и индукционные датчики. Например, индукционный датчик линейного перемещения построен по полумостовой схеме с входным сопротивлением 350 Ом. Для питания датчика необходима несущая частота 5 кГц. Датчик состоит из двух трансформаторных обмоток. На одну обмотку трансформатора подается переменное напряжение, с другой обмотки снимается выходной сигнал. Выдвижной щуп выполнен из ферромагнетика. В зависимости от положения щупа меняется коэффициент трансформации между обмотками и соответственно меняется амплитуда выходного сигнала. По амплитуде выходного сигнала определяется перемещение щупа. Линейность такого рода датчиков не превышает 1-2%.

Для каждого типа датчика компания ZETLAB предлагает измерительные модули из серии ZETSENSOR. Разработанные специально для решения конкретной измерительной задачи, модули ZETSENSOR позволяют подключать первичные преобразователи напрямую, т.е. минуя согласующие, усилительные цепи и цепи питания. Питание осуществляется от измерительного модуля постоянным (статические измерения) или переменным (динамические измерения) током. Обработка сигналов с датчиков осуществляется непосредственно измерительным модулем, результаты измерений передаются в цифровом виде по интерфейсу RS-485 или CAN, используя протокол Modbus. Для отображения результатов измерений может использоваться цифровой индикатор, или ПК. При использовании управляющих модулей ZETSENSOR реализуются системы контроля и управления — как с участием ПК, так и автономные.

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

«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

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).

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

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 грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.

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.

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.

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.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

• возможности монолитного соединения датчика деформации с исследуемой деталью;
• малой толщине измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
• удобстве крепления, как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
• возможности измерения динамических деформаций, меняющихся с частотой до 50000 Гц;
• возможности проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -240 до +1100˚С;
• возможности измерений параметров одновременно во многих точках деталей;
• возможности измерения деформации объектов, расположенных на больших расстояниях от тензометрических систем;
• возможностью измерения деформаций в движущихся (крутящихся) деталях.

Из недостатков следует отметить:

• влияние метеоусловий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
• незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требует применение усилителей сигналов.
• при работе тензодатчиков в условиях высокотемпературной или агрессивной среды необходимы специальные меры их защиты.

Основные схемы подключения

Рассмотрим это на примере подключения тензометрических датчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа — питание (+Ex, -Ex), два других — измерительные выходы (+Sig, -Sig). Встречаются также варианты с пятью проводами, где дополнительный провод служит в качестве экрана для всех остальных. Суть работы весового измерительного датчика балочного типа довольно проста. На входы подается питание, а с выходов снимается напряжение. Величина напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.

Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.

Примеры использования тензометрических датчиков

• элемент конструкции весов.
• измерение усилий деформации при обработке металлов давлением на штамповочных прессах и прокатных станах.
• мониторинг напряженно-деформационных состояний строительных конструкций и сооружений при их возведении и эксплуатации.
• высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
• с упругим элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивной среде.
• для измерения давления в нефте и газопроводах.

Простота, удобство и технологичность тензодатчиков — основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.

Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы

Что такое КИП и А и чем занимаются специалисты службы: слесарь и инженер КИП и А

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика

Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность