Як працює тензодатчик?

Тензодатчик – це спеціальний датчик, який дозволяє перетворювати вимірювану деформацію твердих тіл на електричний сигнал.

У цій статті ми розглянемо принцип дії та влаштування тензодатчика. Також ви дізнаєтесь його опір і перетворюючу деформацію.

Особливості роботи

Зміна опору провідника тензодатчика під час деформації пояснюється двома причинами:

1. Зміною геометричних розмірів.
2. Зміною питомого опору матеріалу.

Робота тензодатчика характеризуватиметься коефіцієнтом тензостійкості (S). Знайти його можна за такою формулою:

• L і R у цій формулі – це довжина опору датчика за відсутності механічної напруги.
• ?L і ?R – зміна довжини та опору внаслідок впливу зовнішнього деформуючого зусилля.

Формула також може бути представлена ​​у такому вигляді:

Коефіцієнт тензостійкості вважається безрозмірною величиною і тому він може бути як позитивним, так і негативним показником. Для різноманітних металів значення S може коливатися від 12.6 до +6. Розмір номінального опору тензодатчика перебуває у межах від 50 до 1000 Ом.

Важливо знати! Провідникові тензодатчики виготовляють із металевого дроту. Їхній діаметр становить від 0.015 до 0.05 мм.

Наклеюваний тензодатчик

Наклеюваний тензодатчик також користується популярністю. Він являє собою тонкий дріт, який буде складений у вигляді грат. Також її буде обклеєно з обох боків спеціальними ізоляційними пластинками. Для визначення розтягування чи стиснення платівку обов'язково потрібно буде наклеїти на поверхню деталі за допомогою спеціального клею.

Тензодатчики здатні сприймати всі деформації зовнішнього волокна деталі та реагувати на стиск або розтяг. Дротові тензодатчики мають невеликі розміри і тому є безінерційними. У більшості випадків подібні датчики розміщують у важкодоступних місцях. Завдяки низці переваг ці пристрої дійсно набули значної популярності.

Звичайно, після детального вивчення тензодатчика, що наклеюється, можна виділити і його недоліки. До основного недоліку відноситься мала величина зміни опору. У зв'язку з цим під час проведення вимірювання вам потрібно буде застосовувати вимірювальні схеми високої чутливості.

Дротові тензодатчики на сьогоднішній день застосовують при вимірі деформацій у деталях різноманітних механізмів. Тензодатчик також є складовою тензометра. Тензометр – це спеціальний прилад, який проводить вимірювання у твердих тілах деформацій, що виникають під час навантаження.

Для вимірювання різноманітних деформацій датчики включатимуться до мостових або потенціометричних схем. Завдяки використанню тензодатчиків у вас з'явиться можливість вимірювати не лише статичні, а й динамічні деформації.

Щоб реєструвати складні деформації тензодатчика, фахівці застосовують харчування вимірювальних мостів напругою високої частоти. Наприклад, вивчити складні деформації можна за допомогою оциллогрофа. Тепер ви знаєте, як працює тензодатчик та його різновиди. Сподіваємося, що ця інформація була корисною та цікавою.

У світі сучасних технологій точне вимірювання ваги та сили відіграє ключову роль у забезпеченні якості продукції, безпеки та ефективності виробничих процесів.Тензодатчик, назва якого походить від латинського слова "tensus" (напружений), є одним із найважливіших інструментів у цій галузі. Цей пристрій, що перетворює механічний вплив на електричний сигнал, знайшов широке застосування в різних сферах: від простих кухонних ваг до складних промислових систем контролю якості, від медичного обладнання до аерокосмічної техніки.

Тензодатчики дозволяють з високою точністю вимірювати вагу, силу, тиск, момент, що крутить, та інші механічні параметри, перетворюючи їх в електричні сигнали, які можуть бути легко оброблені сучасними електронними системами. У цій статті ми докладно розглянемо принципи роботи тензодатчиків, їх конструктивні особливості, види та типи, а також сфери застосування. Ми обговоримо переваги та недоліки цих пристроїв, особливості їх вибору та експлуатації, що допоможе краще зрозуміти роль та значення тензодатчиків у сучасному світі.

Зміст:

• Що таке тензодатчик?
• Конструкція
• Як працює?
• Види та типи тензодатчиків
• Призначення
• Переваги та недоліки
• Особливості вибору
• Часті питання
• Підсумки

Основні засади роботи

Тензодатчик це високоточний вимірювальний інструмент, який широко використовується в різних пристроях для визначення маси об'єктів. Цей прилад функціонує на основі принципу перетворення механічної деформації на електричний сигнал, який потім інтерпретується як значення ваги.

У основі роботи тензодатчика лежить фізичне явище, у якому механічне напруга викликає зміна електричного опору матеріалу. Це зміна пропорційно доданій силі, що дозволяє з високою точністю визначати вагу об'єкта.

Відповідно до ГОСТ 8.631-2013, тензометричний сенсор класифікується як ваговимірювальний елемент, здатний перетворювати фізичний вплив на електричний сигнал. По суті, це спеціалізований резистор, опір якого варіюється в залежності від прикладеного навантаження.

Розглянемо найпростішу конструкцію тензодатчика, який використовує тензорезистор як чутливий елемент. Він являє собою тонкий пружний дріт або плівку, розподілену по поверхні об'єкта, що вимірювається.

Принцип дії ґрунтується на законі Гука, який стверджує, що зміна електричного опору пропорційна до подовження або стиснення елемента. Математично це виражається формулою:

K – коефіцієнт пропорційності;

Δl – величина зміни довжини під час деформації;

l – Довжина вимірюваного елемента в стані спокою;

ΔR – зміна величини опору при деформації;

R – значення опору тензорезистора у нормальному положенні.

Насправді це реалізується так (див. рисунок 1):

Насправді це реалізується так: за відсутності навантаження провідні доріжки тензорезистора мають певний переріз і довжину. При розтягуванні довжина доріжок збільшується, які перетин зменшується, що призводить до зростання опору. При стисканні відбувається зворотний процес – довжина зменшується, перетин збільшується, що призводить до зниження опору.

У більшості сучасних тензодатчиків використовується не один тензорезистор, а ціла бруківка, відома як міст Уітстона. Ця схема включає чотири тензорезистори, розміщені на гнучкій підкладці для забезпечення рівномірної деформації при вимірюваннях.

В ідеальних умовах, коли всі резистивні елементи ідентичні, у стані спокою різниця потенціалів між точками виміру дорівнює нулю. Однак у реальних пристроях завжди присутній невеликий струм через конструктивні відмінності елементів та вплив температури.

При дії механічного навантаження гнучка основа деформується, що призводить до зміни параметрів всіх резисторів у ланцюзі. Зазвичай відбувається попарне стиснення та розтягнення тензорезисторів, що порушує рівновагу моста та викликає появу струму на виході тензодатчика. Після зняття навантаження система повертається у вихідний стан.

Крім найпростіших чотирипровідних тензодатчиків, на практиці використовуються більш складні п'яти- і шестипровідні конструкції, залежно від конкретних вимог до вимірювальної системи.

Вибір тензодатчика

Вибір відповідного тензодатчика – це критично важливий етап у проектуванні будь-якої системи ваги. При цьому необхідно враховувати безліч факторів, кожен з яких може суттєво вплинути на точність та надійність вимірів. Розглянемо основні параметри, куди слід звернути увагу під час виборів тензодатчика:

1. Найбільша межа вимірювання (НПІ): Це максимальне навантаження, яке здатне виміряти датчик. Важливо вибрати датчик з НПІ, що відповідає вашим завданням, враховуючи можливі навантаження.
2. Клас точності Від цього параметра залежить похибка вимірювань. Чим вище клас точності, тим точніше виміру, але й вартість датчика буде вищою. Вибирайте оптимальний баланс між точністю та вартістю.
3. Матеріал виготовлення: Найбільш поширені тензодатчики з нержавіючої сталі та алюмінію.Сталь забезпечує більшу міцність і стійкість до корозії, тоді як алюміній легший і часто використовується в одноточкових моделях.
4. Клас захисту (IP): Визначає ступінь захисту від пилу та вологи. Для роботи в агресивному середовищі або на відкритому повітрі вибирайте датчики з високим класом захисту (наприклад, IP67 або IP68).
5. Діапазон робочих температур: Переконайтеся, що вибраний датчик може працювати в температурному діапазоні, який відповідає умовам експлуатації.
6. Схема підключення: Тензодатчики можуть мати 4, 6 або 8 дротів. Багатопровідні схеми забезпечують кращу компенсацію температурних ефектів та більш високу точність.
7. Чутливість: Вимірюється мВ/В і показує, наскільки сильно змінюється вихідний сигнал при зміні навантаження. Вища чутливість зазвичай означає більш точні виміри.
8. Нелінійність та гістерезис: Ці параметри характеризують відхилення показань датчика від ідеальної лінійної залежності. Найменші значення забезпечують більш точні виміри.
9. Довготривала стабільність: Показує, наскільки стабільні показання датчика з часом. Важливим є параметр для довгострокових вимірювань.
10. Сумісність із вимірювальною системою: Переконайтеся, що вибраний датчик сумісний з вимірювальним обладнанням за рівнем сигналу, типом інтерфейсу та іншими параметрами.

При виборі тензодатчика також рекомендується звертати увагу на репутацію виробника та країну походження. Надійні виробники зазвичай надають докладну технічну документацію та сертифікати якості на свою продукцію.

Пам'ятайте, що вибір тензодатчика з надмірними характеристиками може призвести до невиправданого подорожчання системи, в той час як вибір датчика з недостатніми характеристиками може призвести до неточних вимірювань або виходу системи з експлуатації. Тому важливо ретельно аналізувати вимоги до вимірювальної системи та вибирати датчик, що оптимально відповідає цим вимогам.

Часті питання про тензодатчиків

1. Що таке тензометричні ваги?

Тензометричні ваги – це пристрої для вимірювання ваги, в основі яких лежать тензодатчики. Вони перетворюють механічний вплив (вага об'єкта) на електричний сигнал, який потім обробляється і відображається як значення ваги. Такі ваги відрізняються високою точністю та надійністю.

2. Де використовуються тензодатчики?

Тензодатчики знаходять застосування у різних областях:

– Промисловість: у вагах, системах дозування, конвеєрних лініях

– Транспорт: у системах зважування вантажівок, вагонів, літаків

– Медицина: у медичних вагах, системах моніторингу пацієнтів

– Робототехніка: для вимірювання зусиль у маніпуляторах

– Будівництво: у системах моніторингу навантажень на конструкції

– Сільське господарство: у системах зважування врожаю, кормів

3. Що свідчать тензодатчики?

Тензодатчики безпосередньо вимірюють деформацію матеріалу під впливом сили. Ця деформація перетворюється на електричний сигнал, який може бути інтерпретований як значення ваги, сили, тиску або крутного моменту, залежно від конструкції та калібрування системи.

4. У чому полягає принцип роботи тензодатчика?

Принцип роботи ґрунтується на зміні електричного опору провідника при його деформації.Коли до тензодатчика прикладається сила, він деформується, що призводить до зміни опору тензорезистора. Ця зміна перетворюється на електричний сигнал, пропорційний доданій силі.

5. З чого зроблено тензодатчик?

Типовий тензодатчик складається з:

– Пружного елемента (зазвичай із металу, наприклад, сталі або алюмінію)

– Тензорезисторів (зі спеціальних сплавів або напівпровідників)

– підкладки (на якій розміщені тензорезистори)

– З'єднувальних проводів або кабелю

6. Як працює тензодатчик тиску?

Тензодатчик тиску використовує той самий принцип, що й інші тензодатчики, але його конструкція адаптована для вимірювання тиску. Зазвичай він має мембрану чи діафрагму, яка деформується під впливом тиску. Тензорезистори, прикріплені до мембрани, змінюють свій опір при її деформації, що дозволяє вимірювати тиск.

7. Чому може не працювати тензодатчик?

Причини несправності тензодатчика можуть містити:

– механічне пошкодження (перевантаження, удар)

– Корозія чи попадання вологи

– Порушення електричних з'єднань

– Дрейф характеристик через старіння чи температурні дії

– Неправильне калібрування або налаштування вимірювальної системи

8. Що таке тензометричні виміри?

Тензометричні виміри – це метод визначення деформацій, напруг, сил чи інших пов'язаних величин з використанням тензодатчиків. Цей метод широко застосовується в інженерії та наукових дослідженнях для аналізу механічних властивостей матеріалів та конструкцій.

9. Які основні характеристики тензодатчика?

Ключові характеристики включають:

– Номінальне навантаження (максимальна вимірювана вага)

– Чутливість (вихідний сигнал на одиницю навантаження)

– клас точності (похибка вимірювань)

– Нелінійність та гістерезис

– Температурний діапазон роботи

– Ступінь захисту (IP рейтинг)

10. Що таке чутливість тензодатчика?

Чутливість тензодатчика – це відношення зміни вихідного сигналу до зміни вимірюваної величини. Зазвичай виявляється у мВ/В на одиницю навантаження. Вища чутливість означає, що датчик виробляє більший вихідний сигнал при тому ж навантаженні, що може поліпшити точність вимірювань, особливо при малих навантаженнях.

Підсумки

Тензодатчики, завдяки своїй здатності точно вимірювати вагу, силу, тиск та інші механічні параметри, стали незамінним інструментом у широкому спектрі галузей – від промислового виробництва та будівництва до медицини та аерокосмічної техніки. В основі їх роботи лежить простий, але ефективний принцип зміни електричного опору провідника при деформації, що дозволяє перетворювати механічні впливи на електричні сигнали з високою точністю. Різноманітність типів тензодатчиків, від простих резистивних до складних п'єзоелектричних, забезпечує їх універсальність застосування, а постійне вдосконалення технологій виробництва призводить до покращення їх характеристик, зменшення розмірів та зниження вартості.

Правильний вибір тензодатчика, що враховує такі фактори як діапазон вимірювань, точність, умови довкілля та сумісність із вимірювальною системою, критично важливий для їх успішного використання. З розвитком цифрових технологій та автоматизації виробництва роль тензодатчиків у промисловості та інших сферах буде тільки зростати, відкриваючи нові можливості для оптимізації процесів та підвищення ефективності.Тензодатчики є яскравим прикладом того, як відносно проста технологія може стати основою для створення складних і високоточних вимірювальних систем, що відіграють ключову роль у сучасній техніці та технологіях.

Тензодатчики є найважливішим елементом сучасних систем вимірювання маси та ваги. Їх точність та надійність визначають якість роботи вагового обладнання у промисловості, наукових дослідженнях та повсякденному житті. Давайте розберемося, як улаштовані ці корисні пристрої та де вони застосовуються.

Історія винаходу тензодатчиків

Перший тензодатчик був винайдений у 1938 році американським інженером Едвардом Сіммонсом та Артуром Ругом. То справді був тензорезистивный датчик з урахуванням металевої фольги.

Винахід тензодатчика дозволив зробити справжній прорив у розвитку точних ваговимірювальних систем.

З того часу конструкція тензодатчиків постійно вдосконалювалася. Були розроблені нові типи чутливих елементів, такі як напівпровідникові тензорезистори, п'єзоелектричні та оптоволоконні датчики.

Важливим етапом стало впровадження мостових вимірювальних схем, що дозволили підвищити чутливість та точність вимірів. Сучасні тензодатчики можуть реєструвати деформації близько 10-6.

Принцип роботи тензодатчиків

Робота тензодатчиків ґрунтується на законі Гука, згідно з яким деформація пружного тіла прямо пропорційна доданій силі.

У тензодатчиках використовують чутливі резистивні елементи, електричний опір яких змінюється при деформації. Найчастіше це металеві чи напівпровідникові тензорезистори.

Тензорезистори включаються в плечі бруківки вимірювальної схеми.У стані спокою міст перебуває у рівновазі і його виході сигнал відсутній.

При деформації пружного елемента опір тензорезисторів змінюється, що призводить до розбалансування моста. На виході утворюється електричний сигнал, пропорційний величині деформації.

Таким чином, по вихідній напрузі тензодатчика можна визначити прикладену до нього силу та розрахувати масу вантажу.

Основні типи та конструкції тензодатчиків

Існує безліч різновидів тензодатчиків, що відрізняються конструкцією та принципом дії.

За формою вантажоприймальної платформи розрізняють:

За способом вимірювання деформації виділяють:

1. Тензорезистивні
2. П'єзоелектричні
3. Волоконно-оптичні

За характером деформації розрізняють тензодатчики на розтяг, стиск та універсальні.

Найбільш поширені тензорезистивні датчики балкового типу, у яких тензорезистори наклеєні на пружну балку.

Схеми підключення тензодатчиків

Для підключення тензодатчиків використовуються різні схеми:

У чотирипровідній схемі два дроти використовуються для подачі живлення, два інших – для знімання сигналу. Кольори дротів стандартизовані.

Шестипровідна схема застосовується, коли датчик вилучений від вимірювального блоку. Додаються дроти для вимірювання падіння напруги та компенсації похибок.

Правильне підключення проводів відповідно до маркування дуже важливо для нормальної роботи тензодатчика.

Області застосування тензодатчиків

Тензодатчики широко використовуються в різних областях:

• Промислові ваги
• Системи дозування
• Моніторинг деформацій конструкцій
• Наукові дослідження

Їх застосування дозволяє підвищити точність виміру маси, автоматизувати технологічні процеси, забезпечити контроль стану інженерних споруд.

У побутових терезах тензодатчики забезпечують точність близько 1 грама. В аналітичних та ювелірних вагах – до 0,001 грама.

Тензодатчики незамінні у системах автоматичного дозування компонентів. Вони дозволяють готувати суміші із високою точністю.

Подальше вдосконалення тензодатчиків розширить сфери їх застосування.

Основні технічні характеристики тензодатчиків

При виборі тензодатчика необхідно враховувати його основні технічні характеристики:

• Межі вимірювання та чутливість
• Точність вимірювань та клас точності
• Лінійність, гістерезис, температурний дрейф
• Ступінь захисту від зовнішніх впливів

Межі вимірювання тензодатчиків можуть становити від одиниць до сотень тонн. Чутливість виявляється у мікровольтах на одиницю вимірюваної величини.

Точність характеризується класом точності датчика (від 0,5 до 3) і залежить від типу тензорезисторів, що застосовуються.

Лінійність, гістерезис та температурний дрейф впливають на стабільність показань тензодатчика.

Правила вибору тензодатчика

При виборі тензодатчика необхідно:

1. Визначити необхідні метрологічні характеристики
2. Вибрати надійного виробника
3. Перевірити наявність сертифікатів
4. Провести тестування у реальних умовах

Важливо, щоб характеристики тензодатчика відповідали умовам експлуатації. Наприклад, для ваг грубого зважування досить простий та недорогий моделі.

Налаштування та юстування тензодатчиків

Перед початком роботи тензодатчик необхідно правильно налаштувати та від'юстувати:

• Виконати підключення за схемою виробника
• Встановити нульові показання за відсутності навантаження
• Відкалібрувати за зразковими вантажами

Від правильності налаштування та юстування залежить точність вимірювань тензодатчика у процесі експлуатації.

Технічне обслуговування тензодатчиків

Для забезпечення стабільної роботи тензодатчики потребують періодичного технічного обслуговування:

• Перевірка кріплень та електричних з'єднань
• Очищення від забруднень
• Періодична перевірка та юстирування

Необхідно берегти тензодатчик від ударів та перевантажень, які можуть порушити його метрологічні характеристики.

Тенденції розвитку тензодатчиків

Основні тенденції розвитку тензодатчиків:

• Підвищення точності вимірів
• Поліпшення лінійності та стабільності
• Розширення функціональних можливостей
• Створення цифрових інтелектуальних датчиків

Удосконалення технологій дозволить розширити сфери застосування тензодатчиків та підвищити ефективність їх використання.

Вибір типу тензодатчика

При виборі тензодатчика важливо визначити оптимальний для завдання тип датчика.

Для вагових пристроїв найчастіше використовуються балкові тензодатчики. Вони мають високу чутливість і точність.

У системах моніторингу деформацій застосовують тензодатчики спеціальних конструкцій, наприклад, S-подібні або стрижневі.

П'єзоелектричні тензодатчики зручні завдяки простоті зчитування сигналу та широкому діапазону вимірювань.

Особливості розміщення тензодатчиків

При встановленні тензодатчиків важливо забезпечити надійне кріплення до об'єкта вимірювання та захист від зовнішніх впливів.

Для коректної роботи необхідно мінімізувати паразитні деформації, наприклад, від кріплення або температурних перепадів.

При розміщенні кількох тензодатчиків слід враховувати взаємний вплив та забезпечувати ідентичні умови роботи.

Методи обробки сигналів тензодатчиків

Для підвищення точності вимірювань застосовують спеціальні методи обробки сигналів:

• Фільтрування перешкод
• Компенсація нелінійності
• Корекція температурної похибки
• Алгоритми придушення шумів

Цифрове оброблення сигналів дозволяє значно підвищити метрологічні характеристики тензометричних вимірювальних систем.

Діагностика несправностей тензодатчиків

У разі виникнення несправностей необхідно:

1. Перевірити надійність електричних з'єднань
2. Виключити зовнішні механічні пошкодження
3. Виконати тестові виміри з еталонними вантажами
4. Проаналізувати форму вихідного сигналу

У разі виявлення дефектів слід звернутися до виробника для проведення діагностики та ремонту.

Перспективи застосування тензодатчиків

Удосконалення технологій відкриває нові перспективи використання тензодатчиків:

• Створення "розумної" сенсорики для інтернету речей
• Застосування у робототехніці та системах управління
• Інтеграція до композитних матеріалів
• Використання у медичній діагностиці

Розширення функціональних можливостей тензодатчиків відкриє їм шлях до нових сфер людської діяльності.