Опубликовано

Тензометрический датчик

Что это такое

Тензодатчики веса и давления – это устройства, которые могут преобразовать механическую деформацию тела в электрический сигнал, который позволяет определить уровень растяжения и сжатия конкретного предмета. Он является резистивным преобразователем и считается одним из главнейших составляющих высокоточного весового оборудования.

Устройство изготовлено из чувствительного тензорезистора, который производится из тензоматериалов. Чаще всего это фольга или алюминиевая проволока с небольшим сечением. Как и прочие весовые приборы, резистор реагирует на изменение постоянного сопротивления на контактах, которое происходит в результате воздействия всестороннего сжатия.

Фото – тензодатчик шайбового типа

Бывают самые разные датчики, которые могут использоваться в любых отраслях: атомной, фармацевтической, металлургической и прочих. Виды тензодатчиков:

  1. Приборы для измерения нагрузки и силы (динамометры);
  2. Измерители давления;
  3. Модели, фиксирующий ускорение;
  4. Устройства для контроля перемещения;
  5. Тензодатчики крутящего момента для автомобильных и станочных двигателей.

Несмотря на такое разнообразие моделей, в повседневной жизни используется только один тип датчика – для взвешивания, его можно увидеть в разных исполнениях. S-образный, бочковой, консольный и шайбовый — нужная конструкция подбирается исходя из области использования. Иногда используются балочные модели.

Описание

Тензодатчики классифицируются не только по своей форме, но и по конструктивным особенностям. Конструкция прибора зависит от типа чувствительного элемента. Для контроля деформации используются следующие типы контактов:

  1. Фольговые;
  2. Пленочные;
  3. Проволочные.

Индикатор с фольговым элементом используется как наклеиваемый тензодатчик. Это очень удобная система, которая представляет собой фольговую ленту, толщиной до 12 мкм. Часть пленки имеет плотную форму, а часть – решетчатую. Данная модель отличается от остальных тем, что можно припаивать дополнительные контакты, к тому же они нормально переносят низкие температуры.

Фото – фольговый преобразователь

Пленочные являются аналогом фольговых, за исключением материала, из которого изготовлены. Производители изготавливают такие модели из тензочувствительных пленок с особым напылением, которое увеличивает чувствительность системы. Такие измерительные узлы удобно использовать при необходимости измерить динамические нагрузки. Производство пленок выполняется из таких материалов, как титан, висмут, германий.

Проволочные способны измерить нагрузку от нескольких сотых грамма до целых тонн (скажем, весовой бункер и прочие). Их называют одноточечные, т. к в отличие от пленочных и фольговых моделей, они измеряют в одной точке, а не площади. Такая конструкция позволяет использовать проволочные тензодатчики для измерения деформации сжатия и растяжения.

Фото – проволочная модель

Принцип работы

Конструктивно прибор представляет собой тензорезистор с контактным элементом. Он закреплен на верхней панели устройства, которая соприкасается с измеряемым телом. Принцип работы любого тензодатчика основан на воздействии на чувствительный элемент определенной детали. Для включения датчика в сеть применяется специальные электрические отводы, которые подключаются к чувствительной пластине. Благодаря этому в контактном элементе наблюдается постоянное напряжение. Но, при работе датчика на специальную подложку устанавливается деталь. Её вес разрывает цепь и образовывается механическая деформация, которая при помощи контрольных контактов преобразуется в электрический сигнал.

Измерительный мост тензодатчика позволяет измерить наименьшие нагрузки, благодаря чему значительно расширяется использование прибора. Мостовая схема подключения тензометрического датчика основана на законе Ома, при котором если все сопротивления имеют равное значение, то ток, проходящий через резисторы, также будет иметь одинаковое значение. Здесь воздействие из вне принято называть «внешним фактором», а преобразование сигнала – «внутренним». Тогда принцип действия основан на анализе внешнего фактора при помощи внутреннего.

В бытовом использовании работы тензодатчиков наглядно демонстрируют электронные или цифровые весы. В них установлены специальные тензорезисторы, которые контактами соединены с рабочей поверхностью весов. Питание таких приборов производится при помощи батарей.

Фото – принцип работы тензометрического модуля Z-SG

Этот измерительный прибор обладает чрезвычайно высокой точностью анализа. Чувствительность рабочих элементов допускает погрешность не более 0,02 %, что является довольно высоким показателем. Но некоторые устройства выполняются с еще большим классом точности. Работа таких моделей основана на измерении силы воздействия на контакты. Электрический преобразованный сигнал является прямо пропорциональной величиной силе давления.

Достоинства тенодатчиков:

  1. Высокая точность измерения;
  2. Подходят для измерения статических и динамических напряжений, при этом, не искажают полученные данные. Это очень удобно при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
  3. Небольшие размеры позволяют использовать такие датчики практически в любых измерительных устройствах.

Но, у тензодатчиков есть и определенные недостатки. Любой преобразователь такого типа подвержен снижению чувствительности при перепадах температуры. Для наиболее точного измерения требуется производить опыты только при комнатной температуре и влажности не более 30 %.

Видео: Тензометрический датчик

Как подключить

Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками, если под рукой есть схема. Для начала Вам нужно будет купить устройство, при этом, учитывайте, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно будет удлинить при острой необходимости, но тогда у индикатора значительно упадет точность. Нормализовать этот параметр путем встройки поможет контроллер se 01 тензодатчика, работающий как модуль-усилитель.

Фото – схема подключения

Если в весах используется несколько индикаторов, то их при помощи соединительных коробок нужно подключить параллельно. Независимо от типа питания также нужно заземлить провода датчиков. Монтаж заземления должен производиться в одной общей точке, для этого также может использоваться разветвительная коробка, например, CAS.

После производится исследование датчиков на правильность соединения. Перед выходом рекомендуется проверить все контакты и заземляющие петли. Установка приборов производиться при помощи экранированного кабеля, который глушит помехи, поэтому дополнительные модули не понадобятся. Аналогичным путем подключается преобразователь в дозатор.

Фото – стандартное подключение

От чрезмерного усилия преобразователь может сломаться, в таком случае не пытайтесь проводить его ремонт вручную.

Очень популярны модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, Ацп, KELY (Кели), HBM (НВМ), НСК К-Б-12А и ДСТ. У моделей разные технические характеристики и применение, поэтому перед покупкой внимательно изучайте параметры.

Измерительный мост

У этого термина существуют и другие значения, см. Мост (электротехника).

Принципиальная схема моста Уитстона. Обозначения:

  • R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} , R x {\displaystyle R_{x}} — «плечи» моста;
  • AC — диагональ питания;
  • BD — измерительная диагональ;
  • R x {\displaystyle R_{x}} — элемент, сопротивление (Ом) которого требуется измерить;
  • R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} и R 3 {\displaystyle R_{3}} — элементы, сопротивления (Ом) которых известны;
  • R 2 {\displaystyle R_{2}} — элемент, сопротивление которого может регулироваться (например, реостат);
  • V G {\displaystyle V_{G}} — гальванометр (В);
  • R G {\displaystyle R_{G}} (не показано) — сопротивление гальванометра (Ом).
  • Измери́тельный мост (мост Уи́тстона, мо́стик Ви́тстона, англ. Wheatstone bridge) — электрическая схема или устройство для измерения электрического сопротивления. Предложен в 1833 году Самуэлем Хантером Кристи (англ. Samuel Hunter Christie) и в 1843 году усовершенствован Чарльзом Уитстоном (англ. Charles Wheatstone). Мост Уитстона относится к одинарным мостам в отличие от двойных мостов Томсона. Мост Уитстона — электрическое устройство, механическим аналогом которого являются аптекарские рычажные весы.

    Измерение сопротивлений с помощью моста Уитстона

    Принцип измерения сопротивления основан на уравнивании потенциала средних выводов двух ветвей (см. рисунок).

    1. В одну из ветвей включён двухполюсник (резистор), сопротивление которого требуется измерить ( R x {\displaystyle R_{x}} ).

    Другая ветвь содержит элемент, сопротивление которого может регулироваться ( R 2 {\displaystyle R_{2}} ; например, реостат).

    Между ветвями (точками B и D; см. рисунок) находится индикатор. В качестве индикатора могут применяться:

    • гальванометр;
    • нуль-индикатор — прибор, отклонение стрелки которого показывает наличие тока в цепи и его направление, но не величину. На шкале такого прибора отмечено только одно число — ноль;
    • вольтметр ( R G {\displaystyle R_{G}} принимают равным бесконечности: R G = ∞ {\displaystyle R_{G}=\infty } );
    • амперметр ( R G {\displaystyle R_{G}} принимают равным нулю: R G = 0 {\displaystyle R_{G}=0} ).

    Обычно в качестве индикатора используется гальванометр.

    1. Сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} второй ветви изменяют до тех пор, пока показания гальванометра не станут равны нулю, то есть потенциалы точек узлов D и B не станут равны. По отклонению стрелки гальванометра в ту или иную сторону можно судить о направлении протекания тока на диагонали моста BD (см. рисунок) и указывают в какую сторону изменять регулируемое сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} для достижения «баланса моста».

    Когда гальванометр показывает ноль, говорят, что наступило «равновесие моста» или «мост сбалансирован». При этом:

    • отношение R 2 / R 1 {\displaystyle R_{2}/R_{1}} равно отношению R x / R 3 {\displaystyle R_{x}/R_{3}} :

    R 2 R 1 = R x R 3 , {\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}},}

    откуда

    R x = R 2 R 3 R 1 ; {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}R_{3}}{R_{1}}};}

    • разность потенциалов между точками B и D (см. рисунок) равна нулю;
    • ток по участку BD (через гальванометр) (см. рисунок) не протекает (равен нулю).

    Сопротивления R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} должны быть известны заранее.

    1. Изменяют сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} до баланса моста.
    1. Вычисляют искомое сопротивление R x {\displaystyle R_{x}} :

    R x = R 2 R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}R_{3}}{R_{1}}}.}

    Вывод формулы см. ниже.

    Точность

    При плавном изменении сопротивления R 2 {\displaystyle R_{2}} гальванометр способен зафиксировать момент наступления равновесия с большой точностью. Если величины R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} и R 3 {\displaystyle R_{3}} были измерены с малой погрешностью, величина R x {\displaystyle R_{x}} будет вычислена с большой точностью.

    В процессе измерения сопротивление R x {\displaystyle R_{x}} не должно изменяться, так как даже небольшие его изменения приведут к нарушению баланса моста.

    Недостатки

    К недостаткам предложенного способа можно отнести:

    • необходимость регулирования сопротивления R 2 {\displaystyle R_{2}} . На поиски «равновесия» тратится время. Гораздо быстрее измерить несколько параметров цепи и вычислить R x {\displaystyle R_{x}} по другой формуле.

    Условие баланса моста

    Выведем формулу для расчёта сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} .

    Схема к расчёту сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} . Красными стрелками показаны выбранные произвольно направления токов. Обозначения:

  • I G {\displaystyle I_{G}} — ток, протекающий через гальванометр, А;
  • I 1 {\displaystyle I_{1}} , I 2 {\displaystyle I_{2}} , I 3 {\displaystyle I_{3}} , I x {\displaystyle I_{x}} — токи, протекающие через элементы R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} и R x {\displaystyle R_{x}} соответственно, А;
  • другие обозначения см. выше.
  • Первый способ

    Считается, что сопротивление гальванометра R G {\displaystyle R_{G}} мало настолько, что им можно пренебречь ( R G = 0 {\displaystyle R_{G}=0} ). То есть, можно вообразить, что точки B и D соединены (см. рисунок).

    Воспользуемся правилами (законами) Кирхгофа. Выберем:

    • направления токов — см. рисунок;
    • направления обхода замкнутых контуров — по часовой стрелке.

    По первому правилу Кирхгофа сумма токов, входящих в точку (узел) равна нулю:

    • для точки (узла) B:

    I 3 + I G − I x = 0 ; {\displaystyle I_{3}\ +I_{G}\ -I_{x}\ =\ 0;}

    • для точки (узла) D:

    I 1 − I 2 − I G = 0. {\displaystyle I_{1}\ -I_{2}\ -I_{G}\ =\ 0.}

    По второму правилу Кирхгофа сумма напряжений в ветвях замкнутого контура равна сумме ЭДС в ветвях этого контура:

    • для контура ABD:

    ( R 3 ⋅ I 3 ) − ( R G ⋅ I G ) − ( R 1 ⋅ I 1 ) = 0 ; {\displaystyle (R_{3}\cdot I_{3})\ -(R_{G}\cdot I_{G})\ -(R_{1}\cdot I_{1})=0;}

    • для контура BCD:

    ( R x ⋅ I x ) − ( R 2 ⋅ I 2 ) + ( R G ⋅ I G ) = 0. {\displaystyle (R_{x}\cdot I_{x})\ -(R_{2}\cdot I_{2})\ +(R_{G}\cdot I_{G})=0.}

    Запишем 4‑е последних уравнения для «сбалансированного моста» (то есть учтём, что I G = 0 {\displaystyle I_{G}=0} ):

    { I 3 = I x I 1 = I 2 R 3 ⋅ I 3 = R 1 ⋅ I 1 R x ⋅ I x = R 2 ⋅ I 2 {\displaystyle {\begin{cases}I_{3}=I_{x}\\I_{1}=I_{2}\\R_{3}\cdot I_{3}=R_{1}\cdot I_{1}\\R_{x}\cdot I_{x}=R_{2}\cdot I_{2}\end{cases}}}

    Поделив 4‑е уравнение на 3‑е, получим:

    R x ⋅ I x R 3 ⋅ I 3 = R 2 ⋅ I 2 R 1 ⋅ I 1 . {\displaystyle {\frac {R_{x}\cdot I_{x}}{R_{3}\cdot I_{3}}}={\frac {R_{2}\cdot I_{2}}{R_{1}\cdot I_{1}}}.}

    Выразив R x {\displaystyle R_{x}} , получим:

    R x = R 2 ⋅ I 2 ⋅ R 3 ⋅ I 3 I 1 ⋅ R 1 ⋅ I x . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot I_{2}\cdot R_{3}\cdot I_{3}}{I_{1}\cdot R_{1}\cdot I_{x}}}.}

    С учётом того, что

    { I 3 = I x I 1 = I 2 {\displaystyle {\begin{cases}I_{3}=I_{x}\\I_{1}=I_{2}\end{cases}}}

    получим

    R x = R 2 ⋅ R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot R_{3}}{R_{1}}}.} Второй способ

    Считается, что сопротивление гальванометра R G {\displaystyle R_{G}} велико настолько, что точки B и D можно считать не соединёнными (см. рисунок) ( R G = ∞ {\displaystyle R_{G}=\infty } ).

    Введём обозначения:

    • φ A {\displaystyle \varphi _{A}} , φ B {\displaystyle \varphi _{B}} , φ C {\displaystyle \varphi _{C}} и φ D {\displaystyle \varphi _{D}} — соответственно потенциалы точек A, B, C и D, В;
    • U A C {\displaystyle U_{AC}} — напряжение между точками C и A, В:

    U A C = φ A − φ C ; {\displaystyle U_{AC}=\varphi _{A}-\varphi _{C};}

    • U D B {\displaystyle U_{DB}} — напряжение между точками D и B, В:

    U D B = φ D − φ B ; {\displaystyle U_{DB}=\varphi _{D}-\varphi _{B};}

    • R A D C {\displaystyle R_{ADC}} — сопротивление участка ADC (последовательное соединение), Ом:

    R A D C = R 1 + R 2 ; {\displaystyle R_{ADC}=R_{1}+R_{2};}

    • R A B C {\displaystyle R_{ABC}} — сопротивление участка ABC (последовательное соединение), Ом:

    R A B C = R 3 + R x ; {\displaystyle R_{ABC}=R_{3}+R_{x};}

    • I A D C {\displaystyle I_{ADC}} , I A B C {\displaystyle I_{ABC}} — токи, протекающие на участках ADC и ABC соответственно, А.

    По закону Ома токи I A D C {\displaystyle I_{ADC}} , I A B C {\displaystyle I_{ABC}} равны:

    I A D C = U A C R A D C = U A C R 1 + R 2 ; {\displaystyle I_{ADC}={\frac {U_{AC}}{R_{ADC}}}={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}};} I A B C = U A C R A B C = U A C R 3 + R x . {\displaystyle I_{ABC}={\frac {U_{AC}}{R_{ABC}}}={\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}.}

    По закону Ома падения напряжения на участках DC и BC равны:

    U D C = I A D C ⋅ R 2 ; {\displaystyle U_{DC}=I_{ADC}\cdot R_{2};} U B C = I A B C ⋅ R x . {\displaystyle U_{BC}=I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Потенциалы в точках D и B равны:

    φ D = φ C + U D C = φ C + I A D C ⋅ R 2 ; {\displaystyle \varphi _{D}=\varphi _{C}+U_{DC}=\varphi _{C}+I_{ADC}\cdot R_{2};} φ B = φ C + U B C = φ C + I A B C ⋅ R x . {\displaystyle \varphi _{B}=\varphi _{C}+U_{BC}=\varphi _{C}+I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Напряжение между точками D и B равно:

    U D B = φ D − φ B = ( φ C + I A D C ⋅ R 2 ) − ( φ C + I A B C ⋅ R x ) = I A D C ⋅ R 2 − I A B C ⋅ R x . {\displaystyle U_{DB}=\varphi _{D}-\varphi _{B}=\left(\varphi _{C}+I_{ADC}\cdot R_{2}\right)\ -\left(\varphi _{C}+I_{ABC}\cdot R_{x}\right)\ =I_{ADC}\cdot R_{2}-I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Подставив выражения для токов I A D C {\displaystyle I_{ADC}} и I A B C {\displaystyle I_{ABC}} , получим:

    U D B = U A C R 1 + R 2 ⋅ R 2 − U A C R 3 + R x ⋅ R x . {\displaystyle U_{DB}={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}-{\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Учитывая, что для «сбалансированного моста» U D B = 0 {\displaystyle U_{DB}=0} , получим:

    0 = U A C R 1 + R 2 ⋅ R 2 − U A C R 3 + R x ⋅ R x . {\displaystyle 0={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}-{\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Поместив слагаемые по разные стороны от знака равенства, получим:

    U A C R 1 + R 2 ⋅ R 2 = U A C R 3 + R x ⋅ R x . {\displaystyle {\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}={\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Сократив U A C {\displaystyle U_{AC}} , получим:

    R 2 R 1 + R 2 = R x R 3 + R x . {\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}+R_{x}}}.}

    Умножив на произведение знаменателей, получим:

    R 2 ⋅ ( R 3 + R x ) = R x ⋅ ( R 1 + R 2 ) . {\displaystyle R_{2}\cdot (R_{3}+R_{x})=R_{x}\cdot (R_{1}+R_{2}).}

    Раскрыв скобки, получим:

    R 2 ⋅ R 3 + R 2 ⋅ R x = R x ⋅ R 1 + R x ⋅ R 2 . {\displaystyle R_{2}\cdot R_{3}+R_{2}\cdot R_{x}=R_{x}\cdot R_{1}+R_{x}\cdot R_{2}.}

    После вычитания R x ⋅ R 2 {\displaystyle R_{x}\cdot R_{2}} получим:

    R 2 ⋅ R 3 = R 1 ⋅ R x . {\displaystyle R_{2}\cdot R_{3}=R_{1}\cdot R_{x}.}

    Выразив R x {\displaystyle R_{x}} , получим:

    R x = R 2 ⋅ R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot R_{3}}{R_{1}}}.}

    В данном случае мостовая схема рассматривалась, как комбинация двух делителей, а влияние гальванометра считалось пренебрежимо малым.

    Применение для измерения неэлектрических величин

    Мост Уитстона часто используется для измерения самых разнообразных неэлектрических параметров, например:

    • механических деформаций упругих элементов в тензометрии;
    • температуры;
    • освещённости;
    • состава вещества, в том числе влажности и газовом анализе;
    • теплопроводности и теплоёмкости и многого другого.

    Принцип действия всех этих приборов основан на измерении сопротивления чувствительного резистивного элемента-датчика, сопротивление которого изменяется при изменении воздействующей на него неэлектрической величины. Резистивный датчик (датчики) включается электрически в одно или несколько плеч моста Уитстона и измерение неэлектрической величины сводится к измерению изменения сопротивления датчиков.

    Применение моста Уитстона в этих приложениях обусловлено тем, что позволяет измерять относительно малое изменение сопротивления, то есть в случаях когда Δ R x / R x ≪ 1. {\displaystyle \Delta R_{x}/R_{x}\ll 1.}

    Обычно в современных измерительных приборах мост Уитстона подключается через аналого-цифровой преобразователь к цифровому вычислительному устройству, например, к микроконтроллеру, обрабатывающему сигнал моста. При обработке, как правило, производится линеаризация, масштабирование с преобразованием в численное значение неэлектрической величины в единицы её измерения, коррекция систематических погрешностей датчиков и измерительной схемы, индикация в удобном и наглядном для пользователя цифровом и/или машинно-графическом виде. Также может производиться статистическая обработка измерений, гармонический анализ и другие виды обработки.

    Принцип работы тензометрических измерителей

    Основная статья: Тензометрия

    Тензодатчики тензорезисторы применяются в:

    • электронных весах;
    • динамометрах
    • измерителях давления (манометрах);
    • измерителях крутящего момента на валах (торсиометрах);
    • измерителях деформации деталей под воздействием механической нагрузки и др.

    При этом тензорезисторы, наклеенные на упругие деформируемые детали включаются в плечи моста, а полезным сигналом является напряжение диагонали моста между точками D и B (см. рисунок).

    Если выполняется соотношение:

    R 1 / R 2 = R 3 / R x , {\displaystyle R_{1}/R_{2}=R_{3}/R_{x},}

    то независимо от напряжения на диагонали моста между точками A и C (напряжения) между точками D и B ( U D B {\displaystyle U_{DB}} )) будет равно нулю:

    U D B = 0. {\displaystyle U_{DB}=0.}

    Но если R 1 / R 2 ≠ R 3 / R x , {\displaystyle R_{1}/R_{2}\neq R_{3}/R_{x},} то на диагонали появится ненулевое напряжение («разбаланс» моста), однозначно связанное с изменением сопротивления тензорезистора, и, соответственно, с величиной деформации упругого элемента, при измерении разбаланса моста измеряют деформацию, а так как деформация связана, например, в случае весов, с весом взвешиваемого тела, то и в результате измеряют его вес.

    Для измерения знакопеременных деформаций помимо тензодатчиков часто используют пьезоэлектрические датчики. Последние в этих приложениях вытеснили тензодатчики благодаря лучшим техническим и эксплуатационным характеристикам. Недостатком пьезодатчиков является непригодность их для измерения медленных или статических деформаций.

    Измерения других неэлектрических величин

    Описанный принцип измерения деформации с помощью тензорезисторов в тензометрии сохраняется для измерения иных неэлектрических величин с применением других резистивных датчиков, сопротивление которых изменяется под воздействием неэлектрической величины.

    Измерение температуры

    В этих приложениях применяются резистивные датчики, находящиеся в тепловом равновесии с изучаемым телом, сопротивление датчиков изменяется при изменении их температуры. Также применяются датчики не контактирующие непосредственно с изучаемым телом, а измеряющие интенсивность теплового излучения от объекта, например, болометрические пирометры.

    В качестве термочувствительных датчиков обычно используются резисторы, изготовленные из металлов — термометры сопротивления, имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления, или полупроводниковые — терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

    Косвенно через измерение температуры также производится измерение теплопроводности, теплоёмкости, скорости потоков газов и жидкостей в термоанемометрах и измерение иных неэлектрических величин, связанных с температурой, например, концентрации компонента в газовой смеси с помощью термокаталитических датчиков и датчиков теплопроводности в газовой хроматографии.

    Измерение потоков излучения

    В фотометрах применяются датчики, изменяющие своё сопротивление в зависимости от освещенности — фоторезисторы. Также существуют резистивные датчики для измерения потоков ионизирующих излучений.

    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.

    > Литература

    • Политехнический словарь / А. Ю. Ишлинский и др.. — 3 изд., перераб. и доп.. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 523. — 656 с. — ISBN 5-85270-003-7.

    Ссылки

    • Проверка работоспособности тензодатчика
    Для улучшения этой статьи по технике желательно:

    • Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.
    • Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).

    Во многих отраслях промышленности необходимо измерение размера деформации. Для таких целей применяется тензорезисторы, который помогает преобразовать уровень деформации в определенную электрическую величину. Благодаря этому можно определить её значение.

    ЧТО ЭТО ТАКОЕ

    Тензодатчики – это устройства, которые могут преобразовать механическую деформацию тела в электрический сигнал, который позволяет определить уровень растяжения и сжатия конкретного предмета. Он является резистивным преобразователем и считается одним из главнейших составляющих высокоточного оборудования.

    Устройство изготовлено из чувствительного тензорезистора, который производится из тензоматериалов. Чаще всего это фольга или алюминиевая проволока с небольшим сечением.
    тензодатчик шайбового типа

    Бывают самые разные датчики, которые могут использоваться в любых отраслях: атомной, фармацевтической, металлургической и прочих. Виды тензодатчиков:
    Приборы для измерения нагрузки и силы (динамометры);
    Измерители давления;
    Тензодатчики крутящего момента для автомобильных и станочных двигателей.

    ОПИСАНИЕ

    Тензорезисторы классифицируются не только по своей форме, но и по конструктивным особенностям. Конструкция прибора зависит от типа чувствительного элемента. Для контроля деформации используются следующие типы тензорезисторов:
    Фольговые;
    Пленочные;
    Проволочные.

    Пленочные являются аналогом фольговых, за исключением материала, из которого изготовлены. Производители изготавливают такие модели из тензочувствительных пленок с особым напылением, которое увеличивает чувствительность системы. Такие измерительные узлы удобно использовать при необходимости измерить динамические нагрузки. Производство пленок выполняется из таких материалов, как титан, висмут, германий.
    Проволочные способны измерить нагрузку от нескольких сотых грамма до целых тонн (скажем, весовой бункер и прочие). Их называют одноточечные, т. к в отличие от пленочных и фольговых моделей, они измеряют в одной точке, а не площади. Такая конструкция позволяет использовать проволочные тензодатчики для измерения деформации сжатия и растяжения.
    проволочная модель

    ПРИНЦИП РАБОТЫ

    Конструктивно прибор представляет собой тензорезистор с контактным элементом. Он закреплен на верхней панели устройства, которая соприкасается с измеряемым телом. Принцип работы любого тензодатчика основан на воздействии на чувствительный элемент определенной детали. Для включения датчика в сеть применяется специальные электрические отводы, которые подключаются к чувствительной пластине. Благодаря этому в контактном элементе наблюдается постоянное напряжение. Но, при работе датчика на специальную подложку устанавливается деталь. Её вес разрывает цепь и образовывается механическая деформация, которая при помощи контрольных контактов преобразуется в электрический сигнал.

    Измерительный мост тензодатчика позволяет измерить наименьшие нагрузки, благодаря чему значительно расширяется использование прибора. Мостовая схема подключения тензометрического датчика основана на законе Ома, при котором если все сопротивления имеют равное значение, то ток, проходящий через резисторы, также будет иметь одинаковое значение. Здесь воздействие из вне принято называть «внешним фактором», а преобразование сигнала – «внутренним». Тогда принцип действия основан на анализе внешнего фактора при помощи внутреннего.
    Принцип установки весовых тензодатчиков наглядно демонстрируют модули, которые обычно используют при изготовлении электронных или цифровых весов. В них установлены специальные модули, которые соединены с рабочей поверхностью весов.

    Этот измерительный модуль обладает чрезвычайно высокой точностью взвешивания и защищает тензодатчик от повреждений

    Достоинства тенодатчиков:

    • Высокая точность измерения;
    • Подходят для измерения статических и динамических напряжений, при этом, не искажают полученные данные. Это очень удобно при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
      Небольшие размеры позволяют использовать такие датчики практически в любых измерительных устройства.
    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *