Тензодатчик (тензорезистор) - принцип работы, для чего нужен, разновидности

Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчика

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) — это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.

В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).

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.

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.

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

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.

Тактильные

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

Механические

Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Резистивные

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

Струнные

Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.

Индуктивные

Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.

Пьезорезонансные

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

Пьезоэлектрические

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

Магнитные

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

Емкостные

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

Конструктивные особенности

Тензодатчики различают по типу конструкций, которые зависят от вида чувствительного элемента. Контроль за деформирующими процессами возможен с применением разных видов контактов: фольговых, пленочных или проволочных.

Индикаторы, имеющие фольговый элемент, применяются в качестве наклеиваемых тензодатчиков. Пленочные представляют собой аналоги фольговых. Различие заключается в материале изготовления. Для их производства используются тензочувствительные пленки с напылением, увеличивающим чувствительность системы.

Купить тензодатчик проволочного типа нужно в том случае, когда необходимо измерить нагрузку в широком диапазоне: от сотых грамм до нескольких тонн.

Классификация тензометрического оборудования

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

Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчикаТензорезистор. 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: принцип работы и подключение тензометрического датчикаТензодатчик. 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.
Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчикаТерминал. 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.
Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчикаИзмерительное 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.
Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчикаПериферийное 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➡  АСТУЭ - автоматизированная система технического учета энергоресурсов

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.

Типы датчиков по форме грузоприемного основания
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.

Принцип действия емкостного тензодатчика
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.

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.

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.

схема подключения
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➡  Функциональнось реостата: обозначение на схеме, где нужны реостаты

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.

стандартное подключение
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:

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:

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.

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:

Практическая реализация вычитания напряжения

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.

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:

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.

Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчика
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.

Тензодатчик: принцип работы и подключение тензометрического датчика

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

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.
Будет интересно➡  Холодильник не выключается

Проверка тензодатчика

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.

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.

Кокой купить тензодатчик: классификация приборов

Чтобы купить тензодатчик, который будет справляться с возложенными на него задачами в полном объеме, необходимо правильно выбрать его модель. Эти устройства могут быть разных видов, предназначенными для применения в определенных отраслях (фармацевтика, работа с атомами, металлургия и т. д.).

Тензодатчики производят в следующих модификациях:

  • измерители для определения давления;
  • контроллеры перемещения;
  • для двигателей (в автомобилях и станках);
  • измерители нагрузки и силы;
  • фиксаторы ускорения.

В повседневной жизни применяются только те виды тензодатчиков, которые необходимы для взвешивания. Они могут быть S-образными, консольными, бочковыми и шайбовыми. Подходящий вариант подбирается с учетом предстоящей области использования.

Какие отличия данных тензодатчиков для весов

Можно назвать такие отличительные качества тензодатчиков для весов:

  • точность измерений максимально высокая;
  • диапазон измерений расширен;
  • прибор одинаково хорошо работает в неблагоприятных погодных и других условиях окружающей среды;
  • корпус герметичен, благодаря чему внутренность инструмента не подвержена воздействию влаги, попаданию пылевых частичек.
  • компактность;
  • легко использовать, подключение данных тензодатчиков производится легко и без усилий;
  • может использоваться на высокотехнологичных производствах.

Не менее известным производителем является отечественный бренд Zemic.

В чем преимущества продукции фирмы? Перечислим приоритеты выбора продукции Zemic.

  • точность показаний повышена;
  • большая степень надежности и стойкости к неблагоприятным окружающим условиям;
  • стойкость к износу;
  • удлиненный срок эксплуатации приборов.

Компания выпускает датчики различных модификаций с целью обеспечения клиентов всеми необходимыми видами данной продукции под их потребности.

Как осуществить подключение тензодатчиков самостоятельно? Во-первых, нужна соответствующая схема. Покупаете прибор, учитывая при этом, сколько вам понадобится кабеля. Далее необходимо узнать, насколько успешно состоялось соединение. Проверяем контакты и петли для заземления. Чтобы произвести установку, необходим экранированный кабель. Потом по тому же принципу осуществляется подключение преобразователя в дозатор. Если преобразователь не выдержал усилие и пришел в негодность, не производите ремонтные работы самостоятельно.

Подключение тензодатчика – довольно простой процесс. Но если оно произошло неправильно, то может пострадать точность измерений прибора или система будет работать некорректно. Поэтому следует довольно внимательно отнестись к данному вопросу.

[spoiler title=”Источники”]

  • https://odinelectric.ru/kipia/chto-takoe-tenzodatchik
  • https://voronezh.cxt.su/info/tenzometricheskie-datchiki-opisanie-instruktsija-po-primeneniju-kharakteristiki-i-otzyvy/
  • https://ProDatchik.ru/vidy/tenzometricheskij-datchik/
  • https://amperof.ru/instrument/tenzometr-raznovidnosti-pribora.html
  • https://paes250.ru/elektromontazh/tipy-tenzodatchikov.html
  • https://terropt.ru/tenzometrija-v-medicine/
  • https://www.asutpp.ru/tenzodatchik.html
  • https://lightika.com/elektromontazh/chto-takoe-tenzodatchik-i-kak-on-rabotaet.html
  • https://fintaxi.ru/kak-podklyuchit-tenzodatchiki-k-vesovomu-terminalu/
  • https://osensorax.ru/davleniye/tenzometricheskij-datchik
  • https://RkzSp.ru/montazh/tenzopreobrazovatel-eto.html

[/spoiler]

Следующая
ИнформацияАмперметр: виды, сфера применения, способы подключения
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять