Тензометрические датчики и принципы их работы: рассматриваем конструкцию устройства

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

Плоский проволочный.
Фольговый.
Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Виды

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

Плоский проволочный.
Фольговый.
Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Преимущества тензометрического оборудования

Тензорезистивное оборудование имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые сделали его чуть ли не единственным видом тензометрического оборудования:

Низкая стоимость + высокое качество измерения. По сравнению со всеми остальными видами тензометрической аппаратуры, тензорезистивные устройства обеспечивают очень качественное измерение усилия, при этом имея простое устройство и низкую себестоимость. Лазерные или пневматические датчики, которые способны обеспечить такой же уровень точности, стоят в несколько раз дороже.
Высокая надежность. Все остальные типы тензометрического оборудования не выдерживают никакой конкуренции с тензорезистивными датчиками по прочности и ресурсу. Тензодатчик может работать на протяжении 3…15 лет, в полной мере сохраняя свою работоспособность.
Точность. Несмотря на то, что некоторые образцы тензометрического оборудования способны проводить более точные замеры, точность тензорезистивных датчиков вполне достаточна не только для каждодневных измерений в торговых, например, операциях, но и для весов I и II классов точности. Можно сказать, что оборудование на основе тензодатчиков перекрывает своими возможностями все потребности в метрологических измерениях.

Компания Модуль – Ваш персональный инженер в мире измерительного оборудования!

Другие статьи открываются в новом окне

Тензодатчики веса

Весовые терминалы

Выносные табло

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

https://www.youtube.com/embed/KdqXECSI-EU

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Какие применяются тензометрические датчики

Больше всего распространены типы тензометрических датчиков с изменением активного сопротивления при механическом воздействии — тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы Наиболее простым примером является прямолинейный отрезок тонкой проволоки, который крепят на исследуемой детали. Его сопротивление составляет: r = pL/s, где p — удельное сопротивление, L — длина, s — площадь сечения. Вместе с деталью упруго деформируется наклеенная проволока. При этом меняются ее геометрические размеры.

При сжатии поперечное сечение проводника увеличивается, а при растяжении — уменьшается. Поэтому изменение сопротивления меняет знак в зависимости от направления деформации. Характеристика является линейной. Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения. Для этого его делают в виде спирали ( решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги.

Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.

Проволочные тензодатчики имеют следующие достоинства:

простота конструкции;
линейная зависимость от деформации;
небольшие размеры;
малая цена.

К недостаткам относятся низкая чувствительность, влияние температуры среды, потребность в защите от влаги, применение только в области упругих деформаций. Проволока будет деформироваться в том случае, когда сила сцепления с ней клея значительно превосходит усилия, требуемые для ее растяжения. Отношение поверхности склеивания к площади поперечного сечения должно быть 160 к 200, что соответствует ее диаметру 0,02—0,025 мм. Допускается его увеличение до 0,05 мм. Тогда при нормальной работе тензорезистора клеевой слой не разрушится. Кроме того, датчик хорошо работает на сжатие, поскольку нити из проволоки составляют одно целое с пленкой клея и деталью.

Тензодатчики из фольги

Параметры и принцип действия фольгового тензодатчика те же самые, что и у проволочных. Только материалом является фольга из нихрома, константана или титан-алюминия. Технология изготовления методом фотолитографии позволяет получить сложную конфигурацию решетки и автоматизировать процесс.

По сравнению с проволочными, фольговые тензометрические датчики более чувствительны, пропускают больший ток, лучше передают деформацию, имеют более прочные выводы и сложней рисунок.

Полупроводниковые тензодатчики

Чувствительность датчиков приблизительно в 100 раз выше проволочных, что позволяет часто применять их без усилителей. Недостатками являются хрупкость, большая зависимость от окружающей температуры и значительный разброс параметров.

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.

Принцип работы тензодатчика

Тензодатчиком называется датчик, преобразующий измеряемую деформацию твердых тел в электрический сигнал. Рассмотрим принцип действия и устройство тензодатчика сопротивления, преобразующего деформацию (растяжение или сжатие) в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Двухопорные тензодатчики: с цилиндрическими опорами и с плоскими опорами.

Изменение сопротивления проводника тензодатчика при действии деформации объясняется 2-мя причинами: изменением геометрических размеров (длины, диаметра проволоки) и изменением удельного сопротивления материала тензодатчика.

Работа тензодатчика характеризуется коэффициентом тензочувствительности (S), который равен частному от деления относительного изменения сопротивления тензодатчика на его относительную деформацию:

где L и R — соответственно длина и сопротивление датчика при отсутствии механического напряжения;

?L и ?R — соответственно изменение длины и сопротивления в результате воздействия внешнего деформирующего усилия.

Формула может быть представлена в виде:

Коэффициент тензочувствительности является безразмерной величиной и может быть как положительным (для материалов, у которых сопротивление при растяжении увеличивается), так и отрицательным (для материалов, у которых сопротивление при растяжении уменьшается). Для различных металлов значение S колеблется от —12,6 (никель) до +6 (платино-иридий). Величина номинального сопротивления тензодатчика находится в пределах 50—1000 Ом.

Проводниковые тензодатчики делают из металлической проволоки (никель, копель, константан и др.) диаметром 0,015 — 0,05 мм. Конструктивно они выполняются ненаклеиваемыми и наклеиваемыми.

Рисунок 1. Конструктивная схема исполнения ненаклеиваемого тензодатчика.

На рис. 1 приведено конструктивное исполнение ненаклеиваемого тензодатчика. Чувствительным элементом в нем является круглая проволока.

Наклеиваемый тензодатчик представляет собой тонкую проволочку, сложенную в виде решетки (рис. 2) и обклеенную с обеих сторон изоляционными пластинками из папиросной бумаги, пленки лака или клея.

Для определения растяжения или сжатия пластинка прочно наклеивается на поверхность детали при помощи специального клея (например, БФ-2, БФ-4, бакелитового клея и др.), тензодатчики воспринимают деформации наружного волокна детали и реагируют на растяжение и сжатие. В случае pacтяжения сопротивление проволочки тензодатчика увеличивается, а при сжатии — уменьшается.

Проволочные датчики имеют малый вес и габариты, практически безынерционны и потому могут измерять быстро меняющиеся деформации.

Рисунок 2. Конструктивная схема наклеиваемого тензодатчика.

Проволочные тензодатчики можно размещать в труднодоступных местах, они просты по конструкции и дешевы. Все перечисленные достоинства тензодатчиков вызвали их широкое распространение.

К недостаткам проволочных тензодатчиков следует отнести малую величину относительного изменения сопротивления и, следовательно, малую чувствительность. В связи с этим при использовании тензодатчиков следует применять измерительные схемы высокой чувствительности и сложности.

Проволочные тензодатчики применяют при измерении деформаций в деталях механизмов в качестве главных элементов датчиков усилий, веса, давления, крутящего момента и т. п.

Тензодатчик является составной частью электрического тензометра — прибора для измерения в твердых телах деформаций, возникающих под воздействием нагрузок.

Для измерения деформаций датчики включаются в мостовые или потенциометрические схемы. Тензодатчики позволяют измерять как статические, так и динамические деформации.

При необходимости регистрации сложных деформаций применяют питание измерительных мостов напряжением высокой частоты; регистрация при этом производится, например, на осциллографе, что делает установку значительно сложнее.

Поделитесь полезной статьей:

Описание

Принцип действия устройств основан на преобразовании деформации упругих элементов весоизмерительных датчиков (далее — датчиков), возникающей под действием силы тяжести взвешиваемого груза в аналоговый электрический сигнал, изменяющийся пропорционально его массе. Аналоговый электрический сигнал датчика преобразуется и обрабатывается аналого-цифровым преобразователем, расположенным в корпусе преобразователя весоизмерительного ТВ (далее — преобразователь) или самого датчика. Результаты взвешивания выводятся на табло индикации, расположенное на самом преобразователе и могут быть переданы через выходной разъем для связи с внешними электронными устройствами.

Конструктивно устройства состоят из одного или нескольких узлов встройки, выполненных на базе датчиков в комплекте с установочной оснасткой, соединительной коробки (при необходимости), кабеля питания и связи и преобразователя.

Соединительная коробка представляет собой контейнер из ударопрочного пластика и предназначена для параллельного соединения проводов кабеля датчика. Коробка общим кабелем соединена с преобразователем.

Преобразователь выполнен в виде прямоугольного герметичного контейнера. Для удобства монтажа преобразователя на задней панели предусмотрены крепежные резьбовые отверстия.

В устройствах используются датчики весоизмерительные М (Госреестр № 53673-13), С и Н (Госреестр № 53636-13), Т (Госреестр № 53838-13), МВ (Госреестр № 53637-13), МВ150 (Госреестр № 44780-10), МК2 (государственный реестр СИ № 55199-13), Н2 и Н11 (Госреестр № 55200-13) и преобразователи ТВ (все — производства ЗАО «Весоизмерительная компания «Тензо-М»). Внешний вид преобразователей представлен на рис. 1 — 12, датчиков на рис. 13 — 27.

Устройства выполняют следующие сервисные функции:

— полуавтоматическая установка нуля;

— сигнализация о перегрузке;

— предварительное задание массы тары;

— уравновешивание тары.

В зависимости от типа преобразователя устройства выполняют следующие сервисные функции:

— задание массы порции взвешиваемого продукта,

— подача звукового сигнала при достижении заданной массы,

— индикация общего количества взвешиваний,

— индикация массы нетто и брутто и т.д.

Устройства выпускаются в модификациях, отличающихся метрологическими характеристиками, конструктивными особенностями и имеют обозначение:

ТВЭУ-Н-N, где:

ТВЭУ — обозначение типа устройств,

Н — максимальная нагрузка устройства в тоннах,

N — количество узлов встройки (датчиков с установочной оснасткой) (от 1 до 10 в зависимости от типа преобразователя).

Тип преобразователя, а также тип датчика(датчиков) и руководстве по эксплуатации в разделе «Сведения о приемке».

На маркировочной табличке указывают:

— наименование предприятия-изготовителя;

— обозначение устройства в виде ТВЭУ-Н-N,

— заводской номер;

— значение минимальной нагрузки в виде Мт=……;

— значение максимальной нагрузки в виде Мах=……;

— действительная цена деления d в виде d=………;

— год выпуска;

— знак утверждения типа.

Лист № 2 Всего листов 9 их количество указываются в

Рисунок 7 — Внешний вид Рисунок 8 — Внешний вид преобразователя ТВ-006С преобразователя ТВИ-003/05Д

Рисунок 10 — Внешний вид Рисунок 11 — Внешний вид Рисунок 12 — Внешний вид преобразователя ТВИ-024 преобразователя ТВИ-025 преобразователя ТВ-015

Рисунок 25 — Внешний Рисунок 26 — Внеш- Рисунок 27 — Внешний Рисунок 28 — Внешний вид вид датчиков Т60АМ1 и ний вид датчика МК2 вид датчика Н2 датчика Н11

Т60АМ2

Характеристики тензорезисторов

База — длина проводника решетки (0,2—150 мм).
Номинальное сопротивление R — величина активного сопротивления (10—1000 Ом).
Рабочий ток питания Ip — ток, при котором тензорезистор заметно не нагревается. При перегреве изменяются свойства материалов чувствительного элемента, основы и клеевой прослойки, искажающие показания.
Коэффициент тензочувствительности: s = (∆R/R)/(∆L/L), где R и L — соответственно электрическое сопротивление и длина ненагруженного датчика; ∆R и ∆L — изменение сопротивления и деформация от внешнего усилия. Для разных материалов он может быть положительным (R при растяжении возрастает) и отрицательным (R увеличивается при сжатии). Величина s для разных металлов изменяется в пределах от -12,6 до +6.

Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Главная / Сервисная служба / Документация и программное обеспечение / Статьи Старые / Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Этот вопрос легко решается, если следовать советам компании ЮНИВЕС. Сначала поймём, что такое тензометрический датчик? Силоизмерительный тензодатчик предназначен для преобразования усилий (механических деформаций) в электрический сигнал и применяется как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и силоизмерительных устройствах. Чтобы не ошибиться при выборе тензодатчика необходимо однозначно представлять себе следующие технические вопросы: 1. Возможные варианты размещения датчиков (датчика) в весовом устройстве в зависимости от его конструкции и предназначения. Возможно, ваша система взвешивания будет монтироваться на одном датчике либо Вы планируете использовать несколько датчиков

В случае, если центр тяжести находится ниже места крепления тензодатчика Вам следует обратить внимание на S-образные датчики растяжения. Если центр тяжести находится выше места крепления тензодатчиков Вам потребуются датчики сжатия

В случае использования одного датчика сжатия обратите внимание на алюминиевые датчики. Если используется несколько — на конструкции узлов встройки для выбранного типа датчика. 2. Максимальная удельная нагрузка на датчик и возможные перегрузки. Максимальная удельная нагрузка на датчик определяется как сумма веса весоприемной конструкции, собственно веса продукта и дополнительных нагрузок от внешних воздействий (возможных смещений груза, динамического нагружения, ветровых нагрузок). Желательно, чтобы рассчитанная максимальная удельная нагрузка не превышала НПВ датчика. Всегда выбирайте датчик с большим НПВ в случае, если рассчитанная максимальная удельная нагрузка несколько больше ближайшего значения НПВ. 3. Требуемая точность системы и желаемая дискретность отсчета. Различайте цену поверочного деления вашей весовой системы (е) и дискретность отсчета (d), которую может обеспечить ваша система. Помните, что погрешность измерения определяется нагрузочной кривой тензодатчика и жесткостью системы (отношением нагрузки к деформации), а дискретность — лишь возможностью АЦП весового индикатора. Для того чтобы достичь погрешности 0,03% Вам необходимо использовать датчик типа D3 или С3. Если Вам необходимо получить более высокие погрешности (0,02%) используйте датчики А5. Помните, что при использовании нескольких датчиков точность системы повышается в N раз, где N — число датчиков. Выбирая датчик знайте, что CAS обеспечивает 40% рабочий интервал для всех датчиков, т.е любой датчик будет соответствовать своим метрологическим данным D3, С3 или А5 даже при использовании 40% рабочего диапазона. 4. Устойчивость показаний. Для устойчивой оцифровки аналогового сигнала весовым индикатором рекомендуется выполнение следующего условия 1d = 1,5…2,0 мкВ. При этом обращайте внимание на рабочий коэффициент передачи датчика (РКП) и выбирайте НПВ датчика(ов) с разумным запасом. 5. Условия эксплуатации датчиков. Всегда обращайте внимание на указанную степень защиты (IP) датчика. Помните, что для использования в агрессивных средах следует использовать датчики с IP не ниже 67. 6. Предполагаемые инвестиции (выбирайте согласно принципу цена-качество). Самым надёжным в конструкции — датчики, так как именно этот элемент конструкции определяет точность, надежность и долговечность весовой системы в целом.Поэтому помните, что скупой платит дважды. 7. Формальности при покупке и гарантийные обязательства. При покупке датчика проверьте наличие калибровочного сертификата датчика. Данный сертификат с указанием индивидуального номера датчика и его технических характеристик является одновременно инструкцией по эксплуатации данного датчика и его гарантийным талоном. Помните, что продавец в праве отказать в бесплатном ремонте или замене датчика, в случае потери калибровочного сертификата датчика. Всегда сохраняйте индивидуальный калибровочный сертификат. В случае необходимости Вы можете получить копию метрологического сертификата о внесении данного типа датчика в государственный реестр средств измерений. 8. Что дальше? Вам необходимо выбрать весовой индикатор и, если Вы намерены использовать более одного датчика, — соединительную коробку. На все возникшие вопросы Вам ответят специалисты компании ЮНИВЕС по телефону.