Что такое тензодатчики и чем они отличаются

Тензометрический датчик: принцип действия

Основным элементом устройства является тензорезистор, закрепленный на упругой конструкции.

Тензодатчики калибруют, ступенчато нагружая заданным возрастающим усилием и измеряя при этом величину электрического сопротивления. Затем по его изменению можно будет определить значения приложенной неизвестной нагрузки и пропорциональной ей деформации.

В зависимости от типа датчики позволяют измерить:

  • силу;
  • давление;
  • перемещение;
  • крутящий момент;
  • ускорение.

Даже при самой сложной схеме нагружения конструкции действие на тензорезистор сводится к растяжению или сжатию его решетки вдоль длинного участка, называемого базой.

Видео

Настройка тензометра

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

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

Параметры

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

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

Тензорезистор

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

Тензодатчик

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

Многоканальный

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

Примеры использования тензометрических датчиков

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

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

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:

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

Из недостатков следует отметить:

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

Схемы подключения

На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант –  схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения
Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной с
Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связ
Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала.  Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжен
Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Классификация тензометрического оборудования

Все тензооборудование можно поделить на классы, характеризующие сложность и уровень вложенности технического устройства:

Тензорезистор. Является базовой единицей тензометрического оборудования. Именно на основании его измерений строится весь последующий цикл работ. При этом сам тензорезистор в большинстве случаев не является полноценным измерительным прибором и для того, чтобы он начал работать, требуется тензодатчик.

Тензодатчик. Это первичный прибор измерения. Представляет собой тензорезистор в специальном корпусе, который изменяет свою форму в соответствии с требованиями к его работе. Корпус сделан из специальной стали, которая обеспечивает достаточную пружинистость, возвращаемость тензорезистора в исходное положение и линейность показаний. Качество корпуса тензодатчика — это один из самых главных критериев работоспособности тензометрического оборудования. Достаточно сказать, что именно состав и марку стали корпуса держат в секрете все производители тензометрических датчиков, а не его устройство.

Терминал. Вторичный прибор учета, преобразующий выходной сигнал с тензодатчиков в результат измерения и выводящий его на цифровое табло. Терминал может работать в ограниченном диапазоне точности, как и тензодатчики, поэтому необходимо подбирать модель, которая будет правильно интерпретировать показания измерительного устройства. Цифровые терминалы вообще привязаны к нескольким видам датчиков через протокол передачи данных и не могут быть использованы в других измерительных системах. Равно как и наоборот.

Измерительное устройство. Это комплекс промышленного оборудования, состоящий из тензодатчиков, грузоприемной платформы и терминала, установленный на конкретном объекте — весах, дозаторе, динамометре, машине, прессе. При этом измерительное устройство является единственным видом измерительной техники, которая сертифицируется на измерение массы груза. Нельзя группу тензодатчиков назвать весами, если она не прошла поверку и калибровку даже в том случае, если сертифицированы датчики и терминал.

Периферийное оборудование. Сюда относятся выносные табло, видеокамеры фиксации результатов взвешивания, программное обеспечение. Они расширяют возможности тензометрического оборудования, но напрямую в процессе измерения не участвуют.

Будет интересно➡ ШИМ pwm контроллер: принцип работы, область применения, характеристики

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.


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.

Будет интересно➡   Принцип работы термостата: устройство назначение, основные функции и виды

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.


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.

Схемы подключения

На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант –  схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:

В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:

Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.

Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала.  Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:

Определение маркировки проводов тензодатчика без документации

Если у вас отсутствует описание тензодатчика, для определения маркировки проводов можно использовать обыкновенный мультиметр, при условии, что датчик аналоговый, а не цифровой.

Подключение нескольких тензодатчиков при помощи соединительной (балансировочной) коробки

Как подключать несколько тензодатчиков при помощи балансировочной коробки можно посмотреть на видео

Заземление и экранирование при подключении тензодатчика.

Если датчики соединяются параллельно, то необходимо не забывать соединять друг с другом и экранные оплётки кабелей через соответствующий контакт клеммы в соединительной коробке, и тут же их заземлять вместе с корпусом коробки. Общий кабель, идущий от соединительной коробки к прибору, соединять с заземлением также с ОДНОЙ стороны, как описано выше, не допуская образования «земляной» петли, желательно возле входа в измерительный прибор, то есть заземлять со стороны приёмника.

READ Wwe 2k17 как подключить джойстик

На кабель датчика, прямо поверх изоляции, на расстоянии 4-5 см от клеммы измерительного прибора, желательно защёлкнуть ферритовый фильтр для блокировки возникающих в цеху разнообразных помех по «земле». Такие фильтры производятся под кабели разных диаметров. Фильтры желательно защёлкнуть и на других длинных линиях, например RS-485, на приёмном и передающем устройстве. Если индуктивности одного фильтра недостаточно для надёжного уменьшения уровня помехи, такие фильтры можно защёлкивать последовательно на небольшом расстоянии друг от друга, наращивая тем самым индуктивность до необходимого уровня.

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.

Основные схемы подключения

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

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов

Условия оптимального использования тензорезисторов:

  • Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
  • Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
  • Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
  • Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Типы

Сфера применения тензометрических датчиков охватывает ряд устройств самого различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия применяются тензодатчики разных типов. Разделение сенсоров по видам осуществляется на основании нескольких факторов.


Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

  • Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.;
  • S-образные – применяются для измерения поднимаемых грузов;
  • Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.;
  • Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой;

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

  • Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. В соответствии с п.1.1 ГОСТ 21616-91 разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки.
  • Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия.
  • Пьезорезонансные – основаны на  полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным.
  • Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика.
  • Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния.
  • Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится.


Рис. 5. Принцип действия емкостного тензодатчика

В соответствии с п.1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру прилагаемого усилия тензодатчики можно разделить на те, которые реагируют на сжатие, растяжение и универсальные.

Виды

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

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.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный изм

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

  1. Плоский проволочный.
  2. Фольговый.
  3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
  4. 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.

Как используется

Тензометрический прибор вставляется упорами между удаляемым зубом и заранее зафиксированной насечкой в базисе. Вращающаяся баранка раздвигает ножки аппарата, производя некоторое давление на перемещаемый зуб. Значение показателя в килограммах отображается на индикаторе. После этого элемент(ы) приводится в активное состояние.

Гнатодинамометр измеряет давление, производимое им. Медик записывает данные шкалы и нониуса в карте заболевания для дальнейшего контроля.

Показатели на тензометрическом оборудовании в среднем варьируются в пределах 15-35 для передних зубов и 45-75 кг для коренных.

Тензометрирование даёт возможность снизить количество посещений у стоматолога и уменьшить сроки лечения.

Определение полярности контактов для измерительного датчика весов (в разработке)

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

Вариант 1. (паспортное подключение)

Рис. Подключение тензодатчика по заводским параметрам.

Питание от 5В

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

Показания родного АЦП с весов

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

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

Вариант 2. (перевернутое подключение)

Рис. Подключение тензодатчика наоборот, на входе плюс подключаем к минусу, на выходе плюс соединяем к минусу.

Питание от 5В

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

Показания родного АЦП с весов

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

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

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

Теги