Как работает тензодатчик?

Полезная информация

« Назад

Шаг 1. Определите Ваши требования

Диапазон измерений датчика:Выберите нагрузку, которую должен измерять датчик.

Выходной сигнал:Стандартный выходной сигнал тензодатчика равен 2.0mV/V.

Направление нагрузки: Определите, какой тип нагрузки должен измерять датчик – растяжение или сжатие, или же оба этих показателя.

Диапазон рабочих температур: Определите температурные условия, при которых будет эксплуатироваться датчик, и в соответствии с этим требованиями выбирайте сам тензодатчик.

Материал:Из какого материала должен быть произведен корпус датчика?Мы предлагаем тензодатчики, сделанные из алюминиевого сплава, стали и нержавеющей стали.

Крепление:Выберите самый удобный способ крепления:внутренняя или наружная резьба, линейное, боковое, фланцевое крепление, крепление через монтажное отверстие и прочие способы установки.

Точность:Определите, насколько точным должен быть датчик. Погрешность измерения у различных датчиков отличается. Тензодатчики наиболее дешевые по цене имеют сравнительно низкую точность, что делает их непригодными для высокоточных измерений.

Защита от условий внешней среды: Должен ли быть датчик защищен от негативного влияния внешней среды? Если да, то в этом случае в нашем каталоге имеются датчики с защитой от интерференции, электромагнитного поля, взрывов, проникновения пыли или воды.

Прочие требования: Требуется ли кабель и какой длины, какого типа должно быть электрическое соединение и т.д.

Шаг 2. Изучите параметры тензодатчика

Для каждого датчика в каталоге указаны следующие параметры:

Нагрузка:максимальная осевая нагрузка, которую может измерить датчик. При выборе нагрузки рекомендуется также учитывать небольшой резерв сверх запланированной нагрузки.

Номинальный выходной сигнал:сигнал, посылаемый датчиком при приложении нагрузки,
выражается в mV/V.

Чувствительность:мельчайшее изменение в механическом воздействии на датчик, которое создает разницу в выходном сигнале.

Нулевой баланс: выходной сигнал датчика без приложения к нему силы.

Степень расхождения:максимальная возможная разница между показаниями датчика, используемого в нескольких идентичных измерениях.

Нелинейность: максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между показателем без приложения силы и показателем при достижении номинальной нагрузки.

Гистерезис: максимальная разница между выходными показателями при измерении одной и той же нагрузки: в первом случае при увеличении нагрузки с нуля, а во втором при уменьшении нагрузки с номинального уровня.

Ползучесть: изменения в показателях находящегося под постоянной нагрузкой тензодатчика, происходящие с течением времени. Чаще всего ползучесть измеряется на протяжении 30 минут.

Безопасное превышение допустимой нагрузки: максимальная нагрузка, которой может подвергаться датчик без появления сдвига в последующих измерениях. Выражается в процентах от нагрузки (например: 150% F.S.).

Предельное превышение допустимой нагрузки: максимальная нагрузка, которой может подвергаться датчик без физического разрушения датчика. Выражается в процентах от нагрузки (например: 200% F.S.)

Компенсированный рабочий диапазон:диапазон температур, при котором тензодатчик может поддерживать номинальный выходной сигнал и нулевой баланс согласно заявленным характеристикам.

Рабочий температурный диапазон: диапазон температур, при котором датчик может работать без изменений в заявленных показателях.

Влияние температуры при нуле: изменения в нулевом балансе по причине изменения температуры.

Влияние температуры на выходящий сигнал:изменения выходного сигнала по причине изменения температуры.

Собственная частота: частота свободных колебаний в условиях отсутствия нагрузки.

Шаг 3. Выберите тензодатчик, подходящий Вашим требованиям

Сравните Ваши требования к датчику с параметрами тензодатчика. Если какой-то параметр отличается от запланированного Вами, мы готовы изготовить такой тензодатчик под заказ – с учетом тех характеристик, что нужны именно Вам.

При изготовлении датчика на заказ вы можете задавать следующие параметры:

Нагрузка
Выходной сигнал (mV,0-5V,0-10V,0-20mA,4-20mA)
Материал (Алюминиевый сплав, сталь, нержавеющая сталь)
Размер
Электрическое подключение
Класс защиты
Рабочая температура
Прочие важные для Вас параметры

Мы предлагаем следующие типы тензодатчиков:

Источник: http://sensor-sms.ru/info/article_post/kak-vybrat-tenzodatchik

Кратко о тензорезисторах

Дата публикации: 02.03.2017 07:21

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

Тензодатчики и тензорезисторы. Давайте посмотрим, что связывает тензодатчик и тензорезистор.

Тензорезистор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления.

В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или преобразователи (АЦП, весоизмерительные преобразователи (терминалы)), прецизионные усилители.

Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Мы не будем останавливаться подробно на электромеханических параметрах тензорезисторов. Отметим только, что чувствительность характеризуется коэффициентом чувствительности и зависит от применяемых материалов. А температурный коэффициент является вредным побочным эффектом, влияющий на показания.

Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента, датчиков для измерения сил, давления. Собственно тензометрические датчики или сокращенно тензодатчики получили свое название от тензорезисторов.

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D).

С помощью переменного резистора производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю.

С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен Rx

При выполнении соотношения R1/R2=R2/R3 напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление Rx (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов Rx и R3(точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления Rx может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации.

Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R3 включают такой же тензорезистор, как и Rx, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком.

Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией.

При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта.

Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др.

Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Конфигурация

Тензодатчики, как правило, приклеиваемые, состоят из:

элемента чувствительного к деформации;
тонкой плёнки, которая является изолятором и несущей основой для чувствительного элемента;
контактных площадок для присоединения выводных проводов.

Элемент, чувствительный к деформации, представляет собой решётку, которая вытравлена способом фотолитографии или отштампована из очень тонкого листа металлической фольги толщиной 2,5 мкм.

Конфигурация выбирается таким образом, чтобы обеспечить сопротивление равное 100 Ом при достаточно малой длине и ширине. Выпускаются датчики, длина которых меняется в диапазоне от 2 до 150 мкм.

Выпускаются датчики специального назначения (мембранные датчики давления, напряжения, датчики деформации сдвига).

Несущая основа

Применяются материалы такие, как:

акриловые;
полиамидные;
фенольные;
эпоксидно-стеклянные;
бумага;
эпоксидные;
эпоксидно-полиамидные;
эпоксидно-фенольные;
фенольно-стеклянные.

В большинстве случаев применяются полиамидная плёнка, отличающаяся прочностью, гибкостью и совместимостью с большинством связующих. Применяется плёнка с эпоксидной смолы. Её особенности:

линейно-упругое поведение материала;
отсутствие гистерезиса.

Полимеры, армированные стекловолокном, применяются в датчиках для работ в циклических деформациях. В датчиках, работающих при повышенных температурах, используются основы из эпоксидных и фенольных смол, армированных стекловолокном.

Клеи, с помощью которых приклеивают тензодатчики

Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабильностью в течение длительного периода времени.Комбинация датчика: его несущая основа и клеи требуют самого серьезного внимания. Необходимо применять апробируемые клеи и соблюдать процедуры нанесения и сушки.

В качестве клея наиболее широко используется метил-2-цианоакриад, эпоксидная смола, полимид и некоторые виды керамики.Цианоакриад не требует ни нагрева, ни отвердителей для инициирования полимеризации. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор.

Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Минутного нажатия большим пальцем и двух минутной паузы оказывается достаточно. Он может использоваться в диапазоне температур от -32 до +65°С. Он обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6%.

Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.Эпоксидный состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. В некоторых случаях для вязкости смолы в нее добавляют растворитель.

Разбавленные смолы (эпоксидно-фенольные) более предпочтительны, так как образуют очень тонкие высокопрочные, однородные плёнки со слабо выраженной ползучестью и гистерезисом. Для обеспечения тонкого однородного слоя к датчику должно быть приложено давление от 70 до 210 кПа.

чтобы гарантировать полную полимеризацию эпоксидные клеи подвергают повышенной температуре в течение нескольких часов. По-видимому, наилучшими являются эпоксидно-фенольные клеи с рабочим диапазоном температур от -269 до +260°С. Допустимое относительное удельное изменение находится в пределах 3-10%.

Полиамидные представляют собой однокомпонентный полимер, который может применяться в диапазоне температур от -260 до +399°С. Полиамид утверждается при давлении 275кПа при температуре 260°С.Итак, для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 – 10 кгс/мм2, 170° С).

Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе.

После окончания процессов “послеотверждения”, если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды.После отвердения клеев тензодатчики должны быть покрыты герметиком (парафин, каучук, полимеритан).

Конструкция закрепления также имеет большое значение для работы датчика (рис. 1).

В классической конструкции (а) применяется “утопленный” тензорезистор (например, в основе из фенольного клея), который наклеивается на упругий элемент с помощью клея (например, фенольного). В конструкции (б) голый тензорезистор (например, полупроводниковый) приклеивают через подложку (например, из специальной бумаги), пропитанную клеем.

В обоих случаях возникает относительно толстая прослойка толщиной d2, (» 20 – 50 мкм), которая образуется по существу вязкой средой и служит причиной явлений ослабления напряжений. Поскольку прослойка выполняет одновременно функцию изоляции, она не может делаться сколь угодно тонкой. Поэтому в более новой конструкции задачи изоляции и крепления разделены. Здесь сначала наносится изоляционный слой, (расплавленная эмаль или керамика), который обладает существенно лучшими механическими свойствами, чем клей. Теперь собственно клеевой слой может выполняться очень тонким (< 1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.

Рисунок 1 – Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчикова и б – обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz;в – современная конструкция с тонким клеевым слоем dz.

1 – упругий элемент; 2 – тензорезистор; 3 – основа тензорезистора; 4 – клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 – изолирующий слой с хорошими механическими свойствами

Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание.

Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь.

Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:

Ослабления в упругом элементеВязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.

Температурный уход нуля возникает из-за тепловых волн, распространяющихся по упругому элементу, при выравнивании теплового состояния, если тензорезисторы имеют большие температурные коэффициенты сопротивления (полупроводниковые тензорезисторы).

Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.Ослабление клея – единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы.

Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.Защита от воздействия окружающей среды.

Чувствительные элементы после их приклеивания должны защищаться от воздействий окружающей среды, чтобы препятствовать прежде всего действию влажности. Для этого после отверждения, по возможности еще в теплом состоянии, они покрываются защитными лаками. Чтобы воспрепятствовать образованию сквозных пор, такую операцию повторяют, как правило, несколько раз.

Полученные таким образом тонкие слои не могут полностью и на длительное время исключить диффузию паров воды.

Это достигается только благодаря герметически плотным металлическим корпусам, которые часто заполняются еще достаточно большим запасом гигроскопичного вещества или сухим инертным газом.

Однако влага, внедрившаяся в чувствительные элементы, несмотря на все эти меры, вызывает два эффекта:

1. Уменьшение сопротивления изоляции между тензорезистором и упругим элементом. В идеальном случае это сопротивление бесконечно велико.

При конечном сопротивлении изоляции Ris получаются условия, отраженные на рис. 2. Благоприятнейший случай изображен на рис.

2,а, где Ris, равномерно распределено на четыре части моста; разбаланса моста нет. Для неблагоприятнейшего случая расчет дает погрешность нуля:

где eNcp – средняя номинальная деформация и R0 – основное сопротивление тензорезисторов. Эти соотношения для тензорезисторов с большим коэффициентом тензочувствительности (для полупроводниковых) не имеют такого значения.

Рисунок 2 – Влияние уменьшения сопротивления изоляции

Ris – дискретная эквивалентная схема. a – благоприятный случай: уменьшение Ris распределено равномерно; б – неблагоприятный случай: уменьшение Ris действует на один тензорезистор.

Разбухание клеевого слоя вызывает кажущуюся деформацию, а этим самым – дополнительную погрешность нуля. Можно с уверенностью считать, что этот эффект значительно сильнее, чем эффект от сопротивления изоляции.

Но уменьшение Ris может служить в качестве меры внедрившейся влаги и поэтому – общей ожидаемой погрешности нуля. Можно принять, что разбухание также достаточно мало, если сопротивление изоляции более 109 Ом.

Источник: https://unives.ru/stati/article_post/kratko-o-tenzorezistorakh

Как определить причину неисправности тензодатчика. Статьи компании «ООО «Производственно-торговая компания «Инжиниринг»»

Тензодатчики являются основным первичным устройством преобразования физической величины веса в нормированный электрический сигнал. Который впоследствии обрабатывается вторичными преобразователями (весовой индикатор, весопроцессор, аналого-цифровой преобразователь и т.д.). Тензодатчик, является наиболее уязвимым компонентом весоизмерительной системы.

В процессе эксплуатации на датчики веса воздействуют: агрессивная окружающая среда, ударные динамические нагрузки, электростатическое воздействие (сварка), вибрации и т.д. Поэтому в периоды технического обслуживания, перед установкой на весы, а также в аварийных случаях, существует необходимость диагностики тензодатчиков.

Далее рассмотрим алгоритм проверки состояния тензодатчика.

Общие рекомендации

Внимательно проверьте общее техническое состояние системы измерения веса:

наличие заземляющего контура (шунта), затяжку резьбовых соединений;
проверка отсутствия следов коррозии, повреждения тензодатчиков, узлов встройки, грузоприемного устройства;
проверка суммирующих плат; весового индикатора на имитаторе тензодатчика;
тестирование весового индикатора, подключение к имитатору тензодатчика;
осмотр состояния кабельной продукции, герметичность кабельного ввода на тензодатчике;

Для выполнения диагностики необходимо:

в идеале, калибратор либо вольтомметр с пределом измерения ≤0.5Ω и ≤0.1 mV (на крайний случай качественный мультиметр) для измерения нулевого баланса, и целестности тензометрического моста;
мегомметр 1000 Мом не более 50В постоянного тока, для измерения сопротивления изоляции;
грузоподъёмное устройство (домкрат, кран и т.д.), необходимое для поднятия грузоприемного устройства и освобождения тензодатчика от воздействия нагрузки;
подготовить таблицу для фиксации значений снимаемых при замере;

Алгоритм проведения диагностики и поиск неисправности тензодатчика:

На предложенном ниже алгоритме изображены возможные неисправности и методика поиска неисправности. Далее подробнее рассмотрим каждый из тестов и последовательность выполнения проверки тензодатчика.

Тест 1: Проверка нулевого баланса

Измерение нулевого баланса необходимо для проверки состояния тензодатчика в ненагруженном состоянии, для этого тензодатчик извлекают из узла встройки и убирают с датчика веса всю приложенную нагрузку.

Далее подключают источник питания 10 В в цепь возбуждения тензодатчика, с выходной цепи снимают сигнал в мВ и сравнивают со значением в калибровочном листе. Пример: при чувствительности тензодатчика 2 мВ/В и питании 10 В, напряжение нулевого баланса соответствует +- 0.02 мВ.

В случае если значения выходного сигнала существенно отличаются от паспортных значений, можно судить о деформации упругого элемента тензодатчика, а также нарушении изоляционного слоя тензорезисторов.

Тест 2: Проверка сопротивления изоляции

Производится подключением мегомметра к кабелю тензодатчика и проверке на наличие тока утечки между корпусом тензодатчика и токоведущими частями. Низкое значение сопротивления изоляции меньше 1 кОм свидетельствует о коротком замыкании (к.з.).

Нормальным значением является сопротивление 5 Мом. Короткое замыкание может быть между корпусом тензодатчика и токоведущими частями, а также в кабеле. При к.з.

в кабеле и появлении тока утечки, кабель можно заменить, если это предусматривает конструкция тензодатчика.

Целостность моста проверяется путем измерения входного и выходного сопротивления, а также сопротивления баланса моста. Отсоедините датчик из коробки или измерительного прибора. Входные и выходные сопротивления измеряется омметром, подключаемого к каждой паре входных и выходных проводов тензодатчика.

Далее производится сравнение входного и выходного сопротивления со значениями в калибровочном сертификате или с технической спецификацией оригинального тензодатчика. Сопротивление баланса моста измеряется поочередным подключением омметра к каждой паре выводов кабеля.

Значение сопротивления между парами, не должно отличаться более чем на 1-2 Ома.

Отличие входного и выходного сопротивления тензодатчика от паспортных значений, свидетельствует о неисправности тензометрического моста, появление сопротивления разбаланса, означает неработоспособность тензодатчика и необходимость замены. Подобные неисправности появляются, как правило, в следствии электрического воздействия (сварка, статическое поле, электрический пробой), физического (удары, прокручивание, боковые нагрузки), термического.

Тест 4: Проверка под нагрузкой

Датчик должен быть подключен к весовому индикатору или к прибору со стабильным источником питания не менее 10 В. С помощью милливольтметра, подключенного к выходу тензодатчика, нагружают датчик и фиксируют показания выходного сигнала, при снятии нагрузки показания выходного сигнала должны вернуться к исходным .

Будьте предельно осторожны, не перегрузите тензодатчик! В случае если при проведении теста показания будут отличаться при постоянно прикладываемой нагрузке и не возвращаться к исходным значениям, можно судить о нарушении контакта в клеевом слое между тензорезисторами и упругим элементом. Тензодатчик требует замены.

Источник: https://ptkrf.ru/a177539-kak-opredelit-prichinu.html

7. Тензодатчики

Тензодатчики

Если полоску проводящего металла растянуть, то она станет тоньше и длиннее, что приведет к увеличению сопротивления между ее концами. И наоборот, если такую полоску поместить под тяжелый предмет, то она станет шире и короче, а сопротивление ее уменьшится.

Если эти усилия останутся в рамках предела упругости металлической полоски (деформация обратима), то ее можно использовать для измерения физической силы.

По изменению сопротивления полоски можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.

Описанное устройство называется тензометрическим датчиком, или просто тензодатчиком. Тензодатчики чаще всего используются в научных исследованиях машиностроения для измерения деформаций, произведенных различными механизмами.

Тестирование элементов конструкции самолетов является одной из областей их применения. Небольшие тензометрические полоски приклеиваются к конструктивным элементам, местам соединений и другим важным компонентам планера для измерения деформаций, созданных динамическими силами.

Большинство тензодатчиков своими размерами не превышают почтовой марки, и выглядят примерно так:

Проводники тензодатчика должны быть очень тонкими, ели они изготавливаются из круглого провода, то их диаметр не должен превышать 1/1000 дюйма.

В качестве альтернативного материала для проводников тензодатчика зачастую используют тонкие полоски металлической пленки, нанесенные на непроводящую подложку. Последняя форма тензодатчика представлена на предыдущей иллюстрации.

Тензодатчики обычно приклеиваются к более крупной конструкции, находящейся под воздействием определенной силы (испытательному образцу).

Сопротивление тензодатчиков в состоянии спокойствия обычно находится в пределах от 30 Ом до 3 кОм. Под воздействием максимальной физической силы, с учетом ограничений, накладываемых пределами упругости материалов тензодатчика и испытательного образца, это сопротивление может измениться только на доли процента.

Сила, способная вызвать большие изменения сопротивления, приведет к необратимой деформации испытательного образца и/или тензодатчика, сделав их непригодными для использования в качестве измерительных устройств.

Отсюда можно сделать вывод, что нам придется измерять очень малые изменения сопротивления с высокой точностью.

Для этой цели как нельзя лучше подойдет мостовая схема.

В отличие от моста Уитстона, описанного в предыдущем разделе, в котором состояние равновесия поддерживается при помощи нуль-детектора и человека-оператора, в мостовой схеме с тензодатчиком используется находящийся в центре моста точный прецизионный вольтметр, обеспечивающий точное измерение дисбаланса по которому можно судить о степени деформации:

В этой схеме, как правило, сопротивление резистора R2 устанавливается равным сопротивлению тензодатчика в спокойном состоянии. Сопротивления резисторов R1 и R3 так же подбираются равными друг другу.

Таким образом, если к тензодатчику не приложено никакой силы, мост будет симметрично сбалансирован и вольтметр покажет напряжение 0 вольт.

Как только мы сожмем или растянем тензодатчик, сопротивление его соответственно увеличится или уменьшится, произойдет разбалансировка моста и вольтметр покажет нам некоторое напряжение.

Так как расстояние между тензодатчиком и тремя другими резисторами мостовой схемы могут быть значительными, сопротивление проводов может оказать существенное влияние на работу схемы. Чтобы проиллюстрировать эффект сопротивления проводов, мы покажем ту же самую схему, но добавим в нее два последовательных с тензодатчиком резистора, которые обозначат провода:

Сопротивление тензодатчика (Rтензодатчика) в данной схеме не является единственным измеряемым сопротивлением: на показания вольтметра будут так же влиять последовательно включенные сопротивления проводов Rпровода1 и Rпровода2. Этот фактор может привести к неверной интерпретации силы, примененной к датчику.

Несмотря на то, что данный эффект невозможно устранить полностью, его можно значительно минимизировать путем добавления третьего провода, соединяющего правую сторону вольтметра с верхним выводом тензодатчика:

Поскольку в третьем проводе ток фактически отсутствует (из-за высокого внутреннего сопротивления вольтметра), его сопротивление не вызовет сколько нибудь значимого падения напряжения.

Можно сказать, что мы “обошли” сопротивление верхнего провода (Rпровода1) путем подключения вольтметра непосредственно к верхнему выводу тензодатчика. В данном случае у нас остается только паразитное сопротивление нижнего провода.

Это, конечно, не идеальное решение проблемы, но все же оно лучше, чем предыдущая схема.

Существует еще один, гораздо более эффективный, способ борьбы с паразитными сопротивлениями, который, к тому же, помогает смягчить другой вид погрешности – изменение сопротивления при изменении температуры. Последняя особенность в той или иной мере характерна для всех проводников.

Решить обе эти проблемы можно путем использования компенсационного тензодатчика (не подвергается воздействию физической силы) вместо резистора R2, который наклеивается на образец из такого же материала, что и испытуемый, и размещается рядом с ним.

Теперь изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления обоих тензодатчиков, сохраняя тем самым баланс мостовой схемы:

В данной схеме резисторы R1 и R3 имеют одинаковые значения сопротивления, а тензодатчики идентичны друг другу. При отсутствии приложенной силы, мост находится в идеально сбалансированном состоянии и вольтметр показывает 0 вольт.

Оба датчика соединены с одинаковыми образцами испытуемого материала, но только один из них подвергается физическим нагрузкам (активный датчик).

Другой датчик изолирован от всех механических воздействий, и действует только как устройство температурной компенсации ( компенсационный датчик).

Если температура окружающей среды изменится, то сопротивления обоих тензодатчиков изменятся на одинаковый процент, в результате чего баланс мостовой схемы сохранится. Повлиять на балансировку моста в этом случае может только изменение сопротивления активного тензодатчика в результате воздействия на него физической силы.

Провода, соединяющие оба тензодатчика с мостом, тоже не будут влиять на точность схемы, потому что они имеют примерно одинаковую длину, и их паразитные сопротивления компенсируют друг друга:

Несмотря на то, что в данной схеме имеется два тензодатчика, только один из них реагирует на приложенную физическую силу.

Давайте исправим такое положение дел, и расположим верхний тензодатчик таким образом, чтобы на него воздействовала сила противоположная той, которая воздействует на нижний датчик (т.е.

когда верхний датчик сжат, нижний будет растянут, и наоборот). В этом случае мост будет более чутко реагировать на приложенную силу:

На следующей иллюстрации показан пример того, как два тензодатчика могут быть связаны с испытательной конструкцией:

При отсутствии приложенной силы тензодатчики имеют одинаковое сопротивление, и мост находится в сбалансированном состоянии. Если к свободному концу испытательной конструкции приложить силу, то она прогнется вниз, растянув при этом тензодатчик 1 и сжав тензодатчик 2:

Для еще большей чувствительности, в мостовую схему можно включить четыре активных тензодатчика:

Несмотря на то, что мостовые схемы с двумя и четырьмя активными тензодатчиками обладают большей чувствительностью в сравнении со схемой с одним датчиком, зачастую бывают такие ситуации, в которых на испытуемой конструкции невозможно разместить все датчики. В таких случаях не остается другого выбора, как использовать только один тензодатчик.

И все же, когда имеется возможность, то лучше использовать схему с четырьмя датчиками.

Делать это нужно не только потому, что такая схема обладает большей чувствительностью, но и потому, что она более линейная.

Если в схемах с одним и двумя активными датчиками сигнал приблизительно пропорционален приложенной силе, то в мостовой схеме с четырьмя тензодатчиками он прямопропорционален этой силе.

Источник: http://www.radiomexanik.spb.ru/8.-primenenie-elektricheskih-signalov/7.-tenzodatchiki.html

Тензодатчик

Тензодатчик – основные сведения

Тензометрический датчик или тензодатчик, предназначается для измерения деформации, тех или иных объектов исследования. Флуктуации геометрических характеристик образца, приводят к изменению, каких-либо физических свойств датчика, которые могут быть замерены.

Используются тензодатчики, для измерения: силы, давления, ускорения, перемещения, крутящего момента. Наиболее простыми, являются механические тензодатчики. Считывание показаний в них, осуществляется со специальной линейки. Также существуют, пьезорезистивные, оптико-поляризационные, волоконно-оптические датчики.

Наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики. Это связано, с относительной простотой и надёжностью их работы.

Принцип работы тензорезистивного датчика, основывается на законе, который в 1856 году, открыл лорд Кельвин. Он заключается в том, что под действием растягивающего усилия, которое меняет геометрические характеристики проводника, изменяется, его электрическое сопротивление.

Это изменение, можно замерить и сопоставить со степенью деформации датчика, которая в свою очередь, может быть сопоставлена со степенью деформации, исследуемого образца.

В состав измерительного моста, как одно из сопротивлений, включён тензодатчик.

Производится калибровка моста, при которой сопротивление между контрольными точками, равно нулю. Одна из проводящих ветвей, снабжена тензодатчиком, а другая уравновешена резистором. При изменении физических параметров тензодатчика, его сопротивление изменяется, а сопротивление резистора на свободной ветви, остаётся неизменным.

Это приведёт к тому, что изменится напряжение, между контрольными точками. Закон изменения этого напряжения, будет точно сопоставляться, с изменениями физических параметров, воздействующих на объект исследования, на котором установлен тензодатчик.

Вплоть до восьмидесятых годов прошлого века, показания обрабатывались, с помощью бумажных самописцев. В настоящее время, используются электронные методы. Сигнал передаётся на компьютер, где его исследуют специальные программы.

Виды тензодатчиков

Существуют различные виды тензодатчиков. Одноточечные датчики, преобразуют механическую деформацию изгиба, в сигнал, который пропорционален, этой деформации.

Тензоризисторные, консольные датчики, преобразуют механическую деформацию сдвига, в электрический сигнал, пропорциональный степени этой деформации. Они, представляют, из себя, консольную балку.

S-образные датчики, преобразуют в электрический сигнал, механическое усилие, сжатия или растяжения, направленное вдоль оси датчика.

Параметры сигнала, соответствуют величине, приложенной к объекту исследования, силы.

Цилиндрические тензорезисторные датчики, осуществляют, преобразование усилия сжатия, в электрический сигнал, пропорциональный энергии сжатия. Эти датчики, в различных источниках, также, называются – шайбами или бочками.

Существует ряд направлений, для применения тензорезисторных датчиков. Они используются, для исследования напряжений в строительных конструкциях.

Привариваемые датчики, служат, для контроля за металлическими составляющими, зданий и сооружений. Датчик крепится к объекту исследования, методом точечной сварки. Для защиты, от неблагоприятных факторов внешней среды, он защищается, слоем гарметика.

Для защиты от случайного механического разрушения, сверху его прикрывают, металлическим кожухом. В случае невозможности использования, сварки, могут использоваться привинчивающиеся датчики. Также, возможно крепление, с помощью специального клея, на каменные, бетонные, кирпичные и другие подобные поверхности.

Тензометрические датчики, используются во всех типах электронных весов, например на бетонных заводах.

В зависимости от конструктивных особенностей и характера, решаемых оборудованием задач, могут применяться все типы датчиков. Используются тензодатчики, также, в системах пожарной и охранной сигнализации и контроля доступа.

Датчики измерения моментов, используются в строительной технике, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте и в авиации.

Для осуществления контроля, за износом оборудования, тензорезисторные датчики служат в машиностроении, металлообработке, сталелитейной промышленности. Датчики S-образного типа, широко применяются в такелажном оборудовании.

Они крепятся на металлические тросы, для определения, степени приближения к опасным перегрузкам. Для работ связанных с измерением механических нагрузок, в условиях повышенных или пониженных температур, используются специальные типы тензодатчиков.

Они проходят специальную калибровку, позволяющую учитывать, изменение сопротивления датчика, связанного с изменением температуры и отфильтровывать эти помехи, от истинного сигнала. При работе датчиков при особо высоких температурах или в агрессивных средах, датчики оборудуются защитой.

Используются датчики, также, при проведении, неразрушающего контроля за различными изделиями. Высокая точность измерений и низкая себестоимость тензодатчиков, позволяет широко использовать их в космической технике, для оснащения разгонных блоков, ракет-носителей.

Небольшая масса тензодатчиков и возможность их установки в труднодоступных местах, позволяет использовать их, также, для оборудования пилотируемых и беспилотных космических кораблей.

Источник: https://promplace.ru/articles/tenzodatchik-14

Информация -Тензодатчик: принцип работы

Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации (нагрузке). Как правило, используются блоки тензорезисторов, соединённые по мостовой схеме.

Тензорезисторы приклеиваются к поверхности металлической балки, размеры и форма которой соответствуют диапазону внешних нагрузок и области применения (тензодатчики балочного типа, S-образного типа, мембранного типа и т.п.).

Кроме балки могут быть использованы и другие типы упругих элементов.

К одной диагонали моста подводится постоянное напряжение питания (от 5 до 15)В. С другой диагонали моста снимается напряжение (от 0 до 10)мВ, пропорциональное силе воздействия (растяжения, сжатия, изгиба и т.п.).

Так как пассивная гравитационная масса показывает с какой силой тело взаимодействует с внешним гравитационным полем, а вес – это сила с которой тело действует на горизонтальную опору или подвес, то есть является гравитационным свойством тела, то в современной метрологии измерение массы (в г, кг, т) осуществляется взвешиванием.

Тензорезисторные датчики (первичные измерительные преобразователи), а так же весовые индикаторы (весовые терминалы, весовые контроллеры), или вторичные измерительные преобразователи, являются ключевыми элементами весоизмерительных систем.

Весовые индикаторы осуществляют питание мостовой схемы тензорезисторных преобразователей, следят за стабильностью питающего напряжения, а так же осуществляют преобразование напряжения, снимаемого с моста тензодатчика, в цифровой код, а также преобразование его в показания веса, посредством соответствующей процедуры калибровки по эталонному весу.

Учитывая достаточно высокую скорость первичного и вторичного преобразования информации, указанные весоизмерительные системы широко используются как для статического взвешивания (платформенные, автомобильные, бункерные, конвейерные весы), так и для автоматизации технологических процессов (фасовка, упаковка, многокомпонентное смешивание и дозирование) в производстве жидких и сыпучих продуктов, где требуется контроль и измерение веса.

В этой связи наряду с поставкой весовых индикаторов (весовых терминалов, весовых контроллеров) мы предлагаем к поставке широкий спектр тензорезисторных датчиков, как со склада, так и под заказ.

Предлагаемые тензорезисторные датчики совместимы с нашими вторичными весовыми преобразователями и преобразователями тензосигналов в цифровой код (ПТЦ-001).

Источник: http://www.cxt.su/info/tenzodatchik-printsip-raboty/

Теория тензоизмерений, схемы подключения тензорезисторов

Немного физики

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 Sk — 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).

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, 109 Н/м2	Предел прочности, 107 Н/м2
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.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

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.

Источник: https://zetlab.com/teoriya-tenzoizmereniy-shemyi-podklyucheniya-tenzorezistorov/

Принцип работы тензодатчиков

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.

Источник: http://www.anwit.kiev.ua/index.php/stati-i-prezentatsii/stati/obshchie-stati/35-printsip-raboty-tenzodatchikov