Применение тензометра: тензометрирование конструкций, принцип действия и устройство

История создания.

Обычный способ оценки структурных частей машин, зданий, транспортных средств, летательных аппаратов, и т.д. основан на прочностных вычислениях для применяемых материалов.

Этот метод является подходящим при условии, что действующие нагрузки известны как качественно, так и количественно. Проблемы возникают там, где нагрузки неизвестны или где они могут быть только грубо оценены. Ранее риск перегрузки компенсировался использованием увеличенного коэффициента запаса прочности, т.е. через увеличение размеров. Тем не менее, современные подходы требуют экономного расходования материалов, частично по соображениям экономической стоимости, а отчасти, чтобы снизить вес изделия, это четко видно, например, в авиастроении. Для того, чтобы удовлетворить требования безопасности и обеспечить надлежащий срок службы компонентов, напряжения в материале должны быть измеряемы и известны. Поэтому измерения в натурных испытаниях просто необходимы.

Оценочной величиной является механическое напряжение, которому подвергается материал. Практический метод экспериментального определения механических напряжений основан на открытии, сделанном в 1678 году английским ученым Робертом Гуком (1635 – 1703). Он обнаружил связь между механическим напряжением и возникающей деформацией. Эта деформация также возникает на поверхности объектов и поэтому доступна для измерения.

Важная часть экспериментального анализа механических напряжений основана на принципе измерения деформации.

В начале применялись громоздкие механические устройства для измерения деформации, которые отображали напряжение, используя отношение рычага один к тысяче или более. Пример показан ниже.  

Рычажный тензометр Гугенбергера

Устройства подобного типа в течение долгого времени являлись единственным методом проведения измерений, которые были необходимы для анализа механических напряжений. Несмотря на оригинальный дизайн и точную конструкцию, они обладали рядом недостатков, которые ограничивали область их применения:

– Возможность наблюдать только статические процессы;

– Необходимы мощные зажимы для предотвращения скольжения устройств в условиях вибрации;

– Испытуемый образец должен быть зафиксирован в прямой видимости наблюдателя для считывания показателей;

– Условия испытаний могут исключать наличие наблюдателя;

– Размер устройства накладывает ограничения на их использование для небольших тестовых образцов, а в некоторых случаях такое измерение было в принципе невозможно;

– Относительно длинная измерительная база дает правильные результаты только для однородных условий деформации, а близко расположенные концентрации напряжений не могли быть измерены;

– Автоматическая запись результатов измерений невозможна.

В результате этих недостатков ограничивалось применение механических тензометров. Электрические методы измерения были призваны решить эти проблемы.

В второй половине 1930-хбыло обращено внимание на эффект, который Чарльз Уитстон упомянул еще в 1843 году в своей первой публикации про мостовую схему, которую он изобрел. Этот эффект был основан на изменении сопротивления электрического проводника в результате воздействия на него механической нагрузки. Эта теория позднее нашла подтверждение в экспериментах Уильяма Томсона (1824-1905, после 1892 лорд Кельвин) и в его работах, опубликованных в 1856 году.

Испытательная установка Уильяма Томсона для исследования изменения сопротивления электрических проводников при механическом воздействии.

Есть ряд причин из-за чего прошло более 80 лет, прежде чем это явление нашло техническое применение. Это была удачная теория, на тот момент не нашедшая практического применения. Изменение сопротивления проволоки при растяжении очень мало. Для его измерения Томсон использовал высокочувствительный гальванометр, который был непригоден для общего технического применения и для использования в промышленности. Он был также непригоден только для измерения динамических процессов. И только с появлением электрического усилителя этот метод получил широкое применение.

Первые исследования для объяснения этого эффекта были проведены в Германии в Научно-исследовательском институте авиации, но они не были последовательны. Разработанные им углеродные пленочные полоски для измерения деформации оказались малопригодны.

Примерно в то же время в 1938 году в США почти одновременно и независимо друг от друга над этим вопросом работали два человека, работа называлась «использование “эффекта Томсона” для целей измерения деформации».

Первый из двух людей, Эдвард Е. Симмонс, работал в Калифорнийском технологическом институте. Используя шелковую ткань в качестве основы и тонкую металлическую проволоку, он сделал прибор, который прикрепил к стальному цилиндру. Далее он изготовил электрическое устройство для измерения импульсов силы, воздействующих на образец от машины для воспроизведения удара(маятниковый плунжер). Схема из патентной заявки ниже.

Устройство измерения силы Э. Симмонса. Измеряемый импульс силы действует в осевом направлении.

Второй из американских исследователей Артур Клод Руге работал на факультете сейсмологии в Массачусетском технологическом институте. Он хотел измерить механическое напряжение, возникающее вследствие моделируемых колебаний воздействия землетрясения на модель сейсмостойких резервуаров для воды.

Имеющееся в то время оборудование для измерения деформации не могло использоваться на тонкостенной модели. Из множества различных устройств ни одно из них не подходило. В одной из попыток провести испытание Руге взял очень тонкий металлический провод, приклеил его в форме меандра к тонкой папиросной бумаге и прикрепил к концам более толстые провода. Чтобы понять свойства получившегося прототипа, он приклеил его к упругому образцу и сравнил результаты измерений с традиционным устройством измерения деформации. Руге обнаружил хорошую корреляцию линейной связи между механическим напряжением и получаемым сигналом на всем диапазоне измерения, как и в положительных, так и отрицательных фазах, то есть при сжатии и растяжении. Более того, он выявил хорошую стабильность нулевой точки. Таким образом был изобретен «электрический тензодатчик сопротивления с наклеенной сеткой». Форма тензорезистора, используемая в тех первых испытаниях, была такой же, которая, как правило, используется и в настоящее время.

Артур Клод Руге, изобретатель тензорезистора, работает над своими измерениями.

Именно Руге и Симмонса принято считать пионерами в создании тензорезистора. Основное различие между их идеями было в том, что Руге фиксировал измерительный провод на материале-носителе, что представляло собой независимый измерительный датчик, который был прост в обращении и мог быть приклеен к любой поверхности. Это было очень тонкое и легкое изделие, не требующее специальных крепежных устройств и не привносящее практически никаких сторонних эффектов в измерение, позволяя при этом производить измерения на очень тонких и миниатюрных объектах. Уже первые прототипы тензорезистора оказались лучше предыдущих устройств для измерения деформации во всех отношениях.

Второе достижение Руге состояло в том, что именно он развил свою идею дальше до стадии серийного промышленного производства. Именно это стало последним шагом, который возвестил верховенство тензорезисторов.

Поэтому именно Руге принято считать отцом современного тензорезистора. У него была не только идея, но и способность увидеть широкие возможности ее практического применения, у него была решимость, необходимая для превращения тензорезисторов в самый надежный инструмент в области анализа деформации.

Сперва идея состояла в том, что проволока с толщиной жилы 25 мкм – чувствительный элемент – должна быть закреплена на твердую подложку и должна быть защищена войлочным покрытием. Рисунок ниже показывает пример первого серийного тензорезистора.

Первый серийный тензорезистор Руге

a – измерительная решетка, приклеенная к бумаге на целлюлозный лак
b – соединительные провода
c – изоляционный носитель
d – войлок для защиты измерительной решетки
e – установочный кронштейн, удаляемый после наклеивания

Спрос на это изделие, особенно со стороны американской авиационной промышленности, был настолько велик, что от этой конструкции пришлось отказаться (в 1941 году упоминается оборот в 50 000 тензорезисторов за 2 месяца). В конце концов опыт показал, что сложная несущая конструкция не нужна и была создана упрощенная модель, показанная на рисунке ниже. Именно эта форма была сохранена на десятилетия вперед с небольшими модификациями. Многочисленные патенты Руге свидетельствуют о его продолжающихся усилиях в улучшении метрологических характеристик.

Характерный дизайн тензорезистора с его проволочной измерительной решеткой

а – материал-носитель
b – измерительная сетка
с – контакты

В последующий период предпринимались попытки упростить производство. Здесь следует упомянуть технику «печатной схемы» Пола Эйслера, которая в своей усовершенствованной форме привела к созданию современного «фольгового тензорезистора» примерно с 1952 года.

Характерный дизайн тензорезистора из травленой металлической фольги с подсоединенными выводами

а – подложка
б – измерительная решетка
с – вывода
d – эффективная длина чувствительного элемента

По сравнению с методами закрепления проволоки на подложке этот метод существенно расширил возможности проектирования, поскольку все формы чувствительного элемента могут быть представлены в одной плоскости без каких-либо дополнительных усилий.

В Советском союзе тензорезисторы начали применяться с 1940-х годов и практически сразу вытеснили все другие типы тензометров. В Союзе производство тензорезисторов было освоено в Чехословакии (предприятие Микротехна), в ГДР (TPW-Thalheim). Позднее многие предприятия самостоятельно производили тензорезисторы для собственных нужд мелкими сериями.

Схема советского тензорезистора:

1 – чувствительный элемент
2 – связующее
3 – подложка
4 – исследуемая деталь
5 – защитный элемент
6 – узел пайки (сварки)
7 – выводные проводники

В настоящее время изготавливается огромное количество типов тензорезисторов, которые соответствуют каждой конкретной задаче и условиям.
Основными областями применения тензорезисторов являются:
– экспериментальный анализ механических напряжений;
– производство датчиков.

Принимая во внимание высокую гибкость применения тензорезисторов в части изучения деформаций, не вызывает вопросов их широкое распространение во всем мире. Тензорезистор является аналоговым прибором, что обеспечивает высокую точность и чувствительность измерений. Оба типа тензорезисторов, как проволочные, так и фольговые, известны как «металлические тензорезисторы» за счет изготовления чувствительного элемента из металла.

Описание и назначение, классификация.

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

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

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

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

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

Что такое тензодатчик? Тензометрические датчики были разработаны для использования в составе высокоточного измерительного оборудования.  В задачи тензодатчика входит выполнение функций преобразователя для переработки физической величины измеряемого веса в электрический сигнал. Позже этот сигнал также передается на последующее преобразование, которым может заниматься весовой индикатор или процессор. Основным предметом замеров тензометрического датчика является степень деформации объекта в момент, когда его структура нарушается и перестраивается для оказания сопротивления внешней силе, что влияет на него. Датчик улавливает колебания объекта от этого процесса и преобразует их в цифровые сигналы.

Таким образом, тензометрический датчик, применим для целого спектра измерительных задач:

• Измерение веса.
• Замеры степени ускорения
• Контроль перемещения объекта.
• Замеры крутящего момента.
• Замеры давления.

Пригодность отдельно взятой модели замерочного устройства для какой-либо из перечисленных задач зависит от его архитектуры и назначения. По последним параметрам тензометрические датчики делятся на:

• S-образные датчики получили свое название из-за формы корпуса. Их принцип действия включает в себя как реакцию на сжатие объекта измерения, так и на растяжение. В большинстве приборов этот тип тензодатчиков работает именно по последнему принципу.
• Одноточечные виды в своей конструкции несут всего один датчик замер, который располагается строго по центру платформы. Это делает их одной из самых доступных разновидностей на рынке, встречающейся в торговых и вагонных весах, а также в дозаторах.
• Колонные тензометрические датчики получили корпуса в виде колонн, которые позволяют им мониторить объект во время его сжатия. Наличие в их конструкции опорных поверхностей позволяет изделию самостоятельно возвращаться в исходное положение после проведения замер. Отличаются применением на весах с высокой грузоподъемностью, позволяя замерять вес крупных транспортных средств.
• Цилиндрические используются для измерения реакции объекта на сжатие. Не самый богатый функционал этого типа объясняется отсутствием степеней свободы качения. Цилиндрические датчики полезны в вагоноизмерительных весах, т.к. могут работать с большими массами.
• Мостовые представлены в виде статично закрепленной балки, на центр которой вешается груз. Встретить такие датчики можно в весах для небольших транспортных средств.
• Балочные. Подобно мостовым, конструкция тензодатчика представлена балкой на неподвижной опоре. Однако, в отличие от аналога, в балонных устройствах основная нагрузка приходится на конец балки.
• Миниатюрные тензодатчики разработаны для использования в условиях ограниченного пространства и являются самой мобильной разновидностью. Часто применяются в лабораторных условиях и на испытательных стендах.

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 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 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.

Классификация тензометров осуществляется по принципу их действия, который, в свою очередь, зависит от типа чувствительного элемента, по изменению состояния которого и определяется фиксация величины деформации измеряемого объекта. По данному критерию приборы этого типа делятся на следующие базовые разновидности.

Механические. Это старейший вид тензометров. Принцип работы подобных приборов основан на зависимости линейного удлинения контролируемых образцов от напряжений, которые возникают в их поперечном сечении под воздействием деформации.

1. Место крепления на поверхности образца, 2. и 3. призма, 4. рычажная система, 5. перемещение указателя по шкале 6.

Резистивные. Такие тензометры представляют собой универсальные удобные в использовании приборы для фиксации сжатия либо растяжения. Функцию чувствительных элементов в них выполняют тензорезисторы, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от размеров деформации. По конструкции тензорезистор – это фрагмент тонкой проволоки, которая змейкой укладывается на основе-изоляторе. Для повышения чувствительности в одном приборе обычно применяется несколько таких элементов, подключаемых по мостовой схеме. В резистивных тензометрах, как и в механических моделях, при определении деформации фиксируется изменение основного расстояния. Тензодатчики монтируются в конструкцию элементов прибора, которые воспринимают воздействие сил деформации.

а. Прибор в исходном состоянии, б. тензометр под действием растягивающих усилий.

Струнные. В качестве чувствительного элемента в подобных тензометрах задействуется фрагмент стальной проволоки, которая фиксируется к крепежным блокам, ограничивающим торцы внутри трубки. Принцип действия струнных моделей заключается в снятии зависимости частоты колебаний проволоки от величины ее натяжения. На поверхности измеряемого изделия устанавливается многоразовый датчик (посредством клея, приварки шаблона или использования болтовых соединений). Информация снимается с помощью провода.

Емкостные. Как следует из названия, в таких тензометрах чувствительным элементом служит конденсатор. Емкость последнего изменяется в зависимости от размеров зазора между конденсаторными пластинами. В свою очередь, величина зазора привязывается к параметрам деформирующей силы. Данная зависимость является нелинейной. Чтобы провести измерения, тензометр закрепляется на контролируемом объекте с применением точечной сварки.

1. контролируемый объект, 2. измерительный конденсатор, 3. место крепления на ветвях, 4. силоизмерительная рамка.

Индуктивные. Чувствительным элементом в них выступает катушка индуктивности, имеющая подвижный сердечник. В зависимости от модели бывают тензометры с опорными призмами и стержневого типа. Для снятия измерений катушка индуктивности неподвижно закрепляется на контролируемом элементе, с которым посредством ножа или призмы соединяется сердечник. Под воздействием деформирующей силы последний изменяет свое положение, что провоцирует изменение индуктивности или взаимоиндуктивности катушки, по которому и определяют силу деформации.

Конструкция

В качестве примера рассмотрим наиболее простой вариант тензодатчика, где в роли чувствительного элемента выступает тензорезистор. Конструктивно его можно представить в виде тонкой упругой проволоки или пленки, распределенной по контролируемой поверхности. 

Работа тензорезистора основывается на законе Гука, гласящем, что изменение электрического сопротивления по отношению к исходному положению элемента пропорционально удлинению или сжатию сенсора. Руководствуясь данным принципом определяется коэффициент пропорциональности:

K = Δl / l = ΔR / R

Где:

• K – коэффициент пропорциональности;
• Δl – величина изменения длины в ходе деформации;
• l – длина измеряемого элемента в состоянии покоя;
• ΔR – изменение величины сопротивления при деформации;
• R – значение сопротивления тензорезистора в нормальном положении.

На практике это реализуется следующим образом (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство тензорезистора

При нахождении в состоянии покоя дорожки тензорезистора имеют определенное сечение и длину проводника. Сопротивление всего резистивного элемента тензодатчика будет определяться по формуле:

R = (ρ*l)/S , где

• ρ – удельное сопротивление материала, как правило, в качестве металла с постоянным удельным сопротивлением используют константан; 
• l – длина проводника тензодатчика;
• S – поперечное сечение проводника тензодатчика.

Таким образом, в случае удлинения тензодатчика длина проводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. Как результат, омическое сопротивление тензорезистора будет повышаться. При сжатии произойдет обратный процесс – длина проводящих элементов уменьшиться, а их поперечное сечение увеличиться. В результате сжатия сопротивление тензодатчика уменьшиться, что и лежит в основе принципа его работы.

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:

• 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.

Что такое тензодатчик?

Тензометрический датчик, в соответствии с п.2.1.2 ГОСТ 8.631-2013 представляет собой весоизмерительный элемент, который реагирует на изменение величины физического воздействия (усилия) и переводит его в электрический сигнал. Фактически это резистор, меняющий параметр омического сопротивления, по отношению к прилагаемой силе. На практике широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах. В зависимости от сферы применения используются различные типы тензодатчиков, отличающихся как принципом действия, так и конструктивными особенностями.

Технические особенности

Даже при внушительном разнообразии различных моделей тензометрических датчиков, у них есть технические особенности, объединяющие между собой все разновидности устройств. В первую очередь речь о погрешности результатов замер, которая в той или иной степени присуща любому типу весовых тензодатчиков. Тем не менее, в самых современных устройствах для измерения веса устанавливаются электронные модели, которые отличаются повышенной точностью замер степени деформации. Такие устройства относятся к классу С3, который предлагает возможность проведения измерения с погрешностью всего в 0.02 %. Ещё одной интересной деталью функционала тензометрических датчиков является возможность измерительного устройства с несколькими датчиками сохранять свою работоспособность, если один из них выйдет из строя.

Отдельно стоит подчеркнуть и материалы, из которых выполнены компоненты тензодатчиков. Чаще всего в эксплуатации встречаются изделия на основе легированной стали или алюминия, благодаря которым датчики обладают отличной долговечностью. Для весов, используемых в пищевой промышленности, принято применять датчики из нержавеющей стали, которые отличаются высокой устойчивостью к коррозии и защитой от влаги уровня IP68.

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.

Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.

Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.

Физические принципы тензометрии

Метод тензометрии – это способ определения напряжённого состояния какой-либо конструкции при возникновении локальных деформаций. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции, находящейся в напряжённо-деформированном состоянии. Существует несколько способов измерения деформаций:

• оптический;
• пневматический;
• акустический;
• электрический;
• рентгеновский.

Принцип действия тензометра

Для того, чтобы понять, как тензометры могут быть использованы как электрические приборы измерения силы, необходимо понять положения о давлении и растяжении.

Давление — это внутренняя реакция предмета или материала на силу. Растяжение — величина деформации, образованной в результате приложенной силы.

Если сила приложена, например, к стержню, то стержень испытывает давление и растяжением реагирует на приложенную силу путем изменения формы.

Чем больше сила, тем больше величина деформации. Это тот принцип, который позволяет использовать большинство тензометров, как электроизмерительные приборы для измерения силы.

Тензометр состоит из тонкого провода, обычно из никеля или платины, который заплетен вокруг штырей в виде сетки. Сетка встроена в бумажный или пластиковый несущий лист, который приклеивается или связывается с материалом, к которому будет приложена сила. Соединительные провода связывают сетку с цепью, которая предназначена для обеспечения показаний, приложенной силы. Таким образом, растяжение, образующееся в материале как результат приложенной силы, будет передан на тензометр, так как тензометр связан с материалом. Так как материал сдавлен, провод сетки будет растянут или сжат.

Так как сила приложена к материалу, к которому привязан тензометр, тензометр чувствует деформацию, образованную в результате давления, и изменяет свое сопротивление.

Например, если приложенная сила вызывает увеличение длины сетки, то ее поперечная область уменьшается, так как провод становится тоньше по мере его растяжения. Оба фактора в сочетании увеличивают сопротивление сетки. Изменение сопротивления тензометра вызывает изменение тока в цепи, измеряющей силу. Изменение тока в цепи измеряется и показывается прибором, шкала которого промаркирована в единицах измерения силы.

Читайте также Тахометр промышленный прибор, измеряющий скорость вращения ПИД-регулятор прибор для управления технологическим процессом, основанный на трех законах регулирования: пропорциональном, интегральном и дифференциальном Уставка срабатывания установленное в регуляторе значение регулируемой переменной процесса Исполнительный механизм устройство, преобразующее выходной сигнал регулятора в перемещение регулирующего органа Электрический исполнительный механизм устройство, преобразующее выходной сигнал регулятора при помощи электрической энергии, чтобы произвести механическое движение

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.

Сфера применения тензометров

Тензометр позволяет измерить размеры деформации какого-либо изделия на базовом (локальном) участке. Это необходимо для определения напряжения в контролируемом изделии, предупреждения поломок или аварийных ситуаций, модернизации конструкции оборудования и т. д.

Металлообработка. С помощью тензометров Honsberg определяют оптимальное натяжение ленточных полотен. Благодаря этому продлевается срок эксплуатации ленточных пил.

Строительство. Тензометры используются для фиксации внутренних напряжений в железобетонных конструкциях (мостах, элементах здания и т. д.). Обычно они применяются вместе с измерителями показателей прочности бетона. Такой контроль позволяет обнаружить дефекты или перегрузку, чтобы своевременно выполнить ремонт или исправление, не допустив разрушения конструкции.

Промышленность. В машиностроении посредством тензометров контролируют состояние ответственных элементов (турбинных лопаток, нагруженных деталей различных агрегатов и др.). На текстильных производствах подобные приборы служат для регулировки натяжения нитей.

Как подключить тензодатчик к весовому терминалу

Большинство тензодатчиков поставляется с документацией, в которой указывается цветовая маркировка идущих от него проводов и их назначение. 4-х проводные тензодатчики, судя по названию, имею 4 соединительных линии:

   +EXC – +Питание
   -EXC – -Питание
   +SIG – +Сигнал
   -SIG – -Сигнал

Т.е. две линии это цепи питания и две это выходной сигнал датчика. Для корректной работы необходимо подать питающее напряжение на линии +EXC и –EXC, в соответствии с техническими характеристиками датчика, обычно оно составляет от 5 до 12 вольт. После подачи питания на сигнальных линиях SIG меняется напряжение, и это изменение необходимо фиксировать весоизмерительным прибором.

На рисунке приведена схема подключения тензодатчика четырёхпроводного типа, на примере датчика фирмы Zemic и весоизмерительного прибора КВ-001.

Некоторые тензодатчики могут иметь не четыре, а шесть соединительных проводов. Две дополнительные линии называются – линиями обратной связи, и имеют маркировку SENSE. Эти две дополнительные линии позволяют осуществлять компенсацию потерь на длинных проводах. Как видно из рисунка выше, в случае подключения четырехпроводного тензометрического датчика, функция компенсации потерь не используется, и необходимо использовать перемычки для подключения тензодатчика к прибору.

Четырехпроводные тензодатчики датчики лучше использовать на короткие расстояния передачи сигнала. Шестипроводные датчики, благодаря линиям обратной связи, обладают большей точность и их можно использовать для больших расстояний, т.к. эти две дополнительные линии позволяют осуществлять компенсацию потерь на длинных проводах.

На рисунке приведена схема подключения тензодатчика шестипроводного типа, на примере датчика фирмы Zemic и весоизмерительного прибора КВ-001.

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.

• Измерьте сопротивление между всеми проводами. В 4-проводном тензодатчике имеется шесть комбинаций проводов, следовательно, вы получите 6 значений сопротивлений, одна пара проводов будет иметь сопротивление больше, чем все остальные.
• Пара с самым большим сопротивлением – это линия питания, оставшаяся пара проводов – линия сигнала.
• Подключите линию питания к весоизмерительному прибору, или подайте напряжение.
• Измерьте напряжение на линии сигнала, определив тем самым полярность подключения.

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.

Организация заземления и экранирования важный вопрос успешного создания весовой системы с использованием тензодатчиков. Надёжное решение данной задачи – ключ к правильной работе тензометрического датчика, генерирующего слаботочные сигналы. Кабели тензодатчиков должны иметь экранирующую оплетку, которая, при правильном подключении, обеспечивает защиту от электростатических и других помех.

Основное правило, которое нельзя нарушать: необходимо избегать «земляных» петель, т. е. заземлять устройства нужно в ОДНОЙ общей точке. Петли могут возникать если экран кабеля подключать к заземляющему контуру с двух концов. Поэтому, если корпус датчика надёжно заземлён и одновременно соединён с экраном – этого достаточно, в противном случае – соединить экран с заземлением только с любого ОДНОГО конца, например, в электрощите, где установлен прибор отдельным жёлто-зелёным проводом. Под «заземлением» мы понимаем защитное заземление, желто-зелёный провод. Использовать «нейтраль» в качестве «земли» очень нежелательно.

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.

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.

Весовой контроллер «КВ-011.05» предназначен для управления технологическим процессом автоматического приготовления многокомпонентных смесей по заданным рецептам. Контроллер может формировать сигналы об окончании процесса дозировки и опустошении бункера дозатора, а также управлять перемешиванием смеси после дозирования каждого из 8-ми компонентов. В программе дозирования этого весового терминала предусмотрен режим импульсной досыпки продукта до…

Контроллер осуществляет управление процессом автоматической выгрузки фиксированных доз из накопительного бункера. Производит загрузку по заданным параметрам трёх компонентов в бункер и выгрузку полученной смеси из весовой системы по заданному весу по команде оператора. Контроллер обратного дозирования по весу

Весовой контроллер «КВ-001 v1.xx» предназначен для управления простым однокомпонентным автоматическим дискретным дозатором. Контроллер формирует следующие управляющие сигналы (типа открытый коллектор 24В): Точная и Грубая дозировка, Бункер пуст, Выгрузка дозы, Перегруз весовой системы. Обладает возможностью счёта количества отвесов и суммы отгруженного материала, имеет малые габариты для удобства встраивания в щиты…

«УДАВ-001» (Управление Дозированием Автоматическое Весовое) – это блок управления дозатором на базе весовых контроллеров серии «КВ-001», предназначен для работы с любыми простыми дозаторами и фасовщиками, а именно для управления загрузкой и выгрузкой бункерных весов с возможностью формирования заданной дозы продукта, загружаемого в любую тару: в биг-бэги, коробки, мешки и…

Набор тензодатчиков и дополнительных элементов для построения классической весовой системы из четырёх тензодатчиков. В комплекте использован самый популярный балочный тензодатчик SH8C, на нагрузки от 50 кг до 3 тонн, 4 подкладных пластины, 4 ножки, сводящая коробка и 4-х жильный экранированный кабель 4 м.

Выбрать тензометрический датчик

Как и у любого другого точного прибора, у тензодатчиков веса есть ряд важных технических и пользовательских критериев, которые должны соблюдаться покупателем, который хочет правильно подобрать себе это устройство:

• Материал. Основная роль материала, из которого изготовлен корпус и компоненты датчика, сводится к его долговечности и способности выдерживать механические нагрузки. Большинство разновидностей устройств сделано из стали, будь то легированной или нержавеющей. Исключение составляют недорогие одноточечные классы тензодатчиков, которые производятся из алюминия, что не убавляет их технических качеств. Тем не менее, тот или иной вид материала имеет влияние на итоговую стоимость устройства.
• Схема подключения тензометрического датчика. Тут выбирать придется между четырех- и шестижильной схема подключения датчика. Как правило, последняя требуется в случае, если установка устройства происходит на измерительный прибор с большим количество смежных датчиков, чей уровень сопротивления заметно отличается от устанавливаемой модели.
• Наибольший предел измерения. Самое важное, что нужно знать об этом критерии — он определяет механическую прочность и грузоподъемность весов под управлением тензометрического датчика. Если замеряемый груз серьезно превышает НПИ, есть риск порчи и деформации самого датчика. Потому следует учитывать то, для каких целей собираются конкретные весы и какие предметы будут проходить замеры на них.
• Класс точности измерения. Этот параметр обозначается буквами латинского алфавита и цифрами от D1 до С6. Большинство востребованных тензодатчиков обладают погрешностью в пределах указанных классов. При этом, самым распространенным классом является С3, в который входит большинство доступных измерительных устройств.
• Способ закрепления. По этому критерию выбор довольно разнообразен и должен опираться на удобство пользователя. Среди вариантов есть датчики с фланцевым, линейным и боковым фиксациями. Также возможна установка тензодатчиков через внутреннюю или внешнюю резьбу, в зависимости от того, что позволяет конструкция устройства, в которому он крепится.
• Тип защиты корпуса от вредных воздействий окружающей среды. Если измерительному прибору предстоит работать в экстремальных условиях или в иной среде, наполненной агрессивными факторами, стоит позаботиться о наличии соответствующей защиты на тензодатчике. Например, подбирать устройство с устойчивостью к химическому воздействию, перепаду температур, грязи и пыли, электромагнитного воздействия и так далее.
• Номинальный выходной сигнал выражается в mV/V. Именно этот сигнал посылается и преобразуется тензодатчиком в момент, когда происходят замеры груза и его деформации.
• Гистерезис является максимальным показателем разницы между значениями измерения одной нагрузки при ее увеличении с нуля и отклонении от номинального уровня.

Таким образом, выбор тензодатчика веса требует тщательного изучения его технических параметров и понимания принципов работы устройства, чтобы иметь представления о том, какие показатели обладают наибольшей важностью и при отборе.

Как подключить

Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками в соответствии с простой инструкцией. Важную роль в процессе играет длина кабеля подключения, которую нужно учитывать ещё на стадии подбора датчика. Может потребоваться усилитель в виде контроллера SE 01, который уменьшит погрешность измерений в случае, если потребуется увеличивать размеры контакта для подключения. Провода самих датчиков должны быть заземлены с помощью блока для разветвления, устанавливаемого в одной точке, где они все пересекаются. Данная мера обязательна для предотвращения возможного замыкания.

Схема для подключения тензодатчика достаточно проста и подразумевает соединение контактов устройства с измерительным прибором в соответствии с их значениями, описанными на рисунке выше. Кабель, которым монтируется прибор, также нуждается в обязательном экранировании.

После подключения останется провести проверку и калибровку тензометрического датчика. Последняя выполняется одним из двух методов — стандартным или электронным. При первом пользователь записывает значения датчика при нулевой загрузке, после чего устанавливает на весы предмет с эталонным весом, который также вписывается в качестве штатного показателя. Электронный вариант подразумевает ручной ввод минимального и максимального допустимого веса.

Проверка тензодатчика.

Проверка весовых тензодатчиков является обязательным этапом подготовки измерительного прибора к работе и проводится сразу после подключения всех контактов устройства. Исправность изделия проверяется тремя способами:

• Диагностика тензометрического моста-Уитстона осуществляется замерами с помощью омметра сопротивления на его входе и выходе.
• Проверка в нагруженном состоянии производится милливольтметром, когда датчик подключен к стабильному источнику питания с напряжением от 5 до 12 V.
• Испытание при нулевой нагрузке проводится с помощью вольтметра при отсутствии нагрузки. Если такового под рукой нет, подойдет хороший мультиметр. В процессе потребуется подключить замерное устройство и подать сигнал, чтобы проверить его значение на выходе. Оно должно соответствовать значениям в паспорте датчика.

Источники:

• https://www.tmljp.ru/information/istoriya_sozdaniya_tenzorezistorov/
• https://ProDatchik.ru/vidy/tenzometricheskij-datchik/
• https://www.asutpp.ru/tenzodatchik.html
• https://osensorax.ru/davleniye/tenzometricheskij-datchik
• https://odinelectric.ru/kipia/chto-takoe-tenzodatchik
• https://amperof.ru/instrument/tenzometr-raznovidnosti-pribora.html
• https://www.kipiavp.ru/pribori/tenzometr.html
• https://www.Praktik.ru/katalog-produktsii/aksessuari-dlya-rezhushchego-instrumenta/izmeritelnyy_instrument/tenzometr/
• https://interel.ru/skhema-podklyucheniya-tenzodatchikov-k-indikatoru-vesa.html