Принцип работы тензодатчика – виды, принцип работы и устройство

Содержание

Тензодатчики веса и давления-принцип работы, виды, устройство

Тензометрические датчики веса и силы широко применяются в современном взвешивающем оборудовании.

Чувствительным элементом такого оборудования является тензорезистор с электронной согласующей схемой, встроенные в алюминиевый или стальной корпус. Деформация объектов позволяет измерить различные физические величины, например, объем, силу и вес.

Внешнее электронное оборудование на основе показаний с датчиков определяет величину требуемого параметра. Схемо-технически подключение датчиков выбирается для компенсации температурного влияния.

Изменение сопротивления датчика от приложенной силы тензометрических датчиков носит линейный характер, что упрощает процесс преобразования.

Рис. 1

Тензорезисторы в зависимости от типа чувствительного материала делятся на проволочные, пленочные и фольговые. Наибольшее распространение получили фольговые датчики (Рис. 1), в которых тензоматериал 1 наносится на подложку 3 методом травления как в печатных платах.

Для защиты от внешней среды датчик покрывается защитным слоем 4. Выводы 2 служат для подключения внешней измерительной схемы.

Под действием груза или приложенной силы возникает деформация корпуса и тензористора, вызывая изменения сопротивления. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Материалом для измерения деформации служит манганин или константан. Отличие пленочных датчиков (Рис. 2) состоит в используемым полупроводниковом чувствительном элементе М.

Поэтому пленочные тензорезисторы не применяют в условиях резкого колебания температур, т.к. тепловые процессы внутри полупроводника приводят к нелинейности выходного сопротивления.

Рис. 2

Измерительным элементом проволочных датчиков силы и веса  (Рис. 3) являются несколько параллельно соединённых

Рис. 3

тензочувствительных проводников 1.Параллельное соединение повышает чувствительность измерений. Гибкая подложка 3 подвергается внешней деформации, проводники залиты защитным слоем цемента или клея 4. К внешнему оборудованию датчик подключается через выводы 2.

Проволочные датчики в простейшем случае служат для измерения давления. В таких датчиках катушка из тензочувствительного материала, помещенная в объем измеряемой жидкости или газа меняет свое сопротивление под действием давления.

Максимальная нагрузка и точность измерения веса и силы зависит от конструктивных особенностей корпуса датчика и количества измерительных резисторов.

Верхний и нижний пределы измерения веса современных тензометрических весов колеблются от нескольких тонн до нескольких грамм. Одноточечные балочные датчики с одним измерительным элементом в большинстве случаев имеют алюминиевый корпус и используются для измерения небольшой массы груза в фасовочных и дозирующих системах (Рис. 4).

Одноточечные датчики преобразуют величину поперечной деформации в электрический сигнал.

Рис. 4

Электрическая измерительная часть тензометрического датчика надежно изолирована от внешней среды и не подвержена влиянию влажности и пыли и может работать в широком диапазоне температур (Для большинства датчиков от -40 до +80 градусов).

Тензометрические датчики веса имеют различные типы (S-образные, консольные, балочные и т.д.) и классифицируются по максимальной нагрузке, чувствительности, классу защиты от условий внешней среды и сферы применения.

Выбор максимальной нагрузки, как правило, осуществляется с запасом для исключения повреждения датчика. Важным параметром датчиков веса и силы является класс точности. Наибольшее распространение получили датчики с классом С3 с нормированной по ГОСТу точностью в 0,002 %.

Чтобы снизить величину ошибки измерения для каждого вида датчика нужно выбрать правильное место установки.

Балочные датчики (Рис. 5) закрепляются неподвижно одним торцом, а на другой край подвешивается груз. Типичный вес нагрузки таких датчиков – от нескольких килограмм до нескольких тонн.

Рис.5

Цилиндрические тензометрические датчики силы (Рис. 6), также известные как «шайбовые», имеют стальной корпус, применяются для взвешивания грузов массой до нескольких десятков тонн. Такие датчики используется для модернизации устаревших бункерных весов, для определения массы автомобилей, вагонов, крупногабаритных емкостей.

Рис.6

S-образные датчики (Рис. 7)работают на сжатие и растяжение, являются  измерительной системой в подвесных весах.

Рис.7

Современные тензодатчики находят широкое применения для измерения различных параметров, связанных с механической деформацией объектов, таких вес, нагрузки износ оборудования. Такие системы применяются в охранных системах, металлургии, в промышленном оборудовании, при взвешивании автомобилей и другого транспорта и негабаритных грузов.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

Тензодатчики для весов | Все своими руками

Опубликовал admin | Дата 2 апреля, 2016

     Тензодатчики, представляющие собой приборы электромеханического действия, используются в различных отраслях промышленности, а также в повседневной жизни достаточно широко. В каждом из них размещаются тензорезисторы, деформация которых преобразуется в электрический сигнал. На этом принципе работают тензодатчики веса.

     Тензорезистор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия тензодатчиков

     При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — наоборот. Относительные изменения сопротивления весьма малы (менее 10-3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

     Тензодатчики, о которых хочу рассказать я, приобретены через Ебей в Китае. Это дешевые тензодатчики, ни каких документов на них нет, естественно ни о какой точности измерений, термостабильности преобразования, линейности преобразования и т.д. и т.п., я, думаю, и говорить не стоит. Тем более не известен материал, из которого сделан корпус тензодатчика, и что самое главное, материал, примененный в тензорезисторах. Для снижения влияния температуры должны применяться сплавы с низким ТКС. Внешний вид приобретенных датчиков можно увидеть на фото 1.

     Схема включения тензорезисторов датчика показа на рисунке 1. Опытным путем было определены номиналы резисторов. Величина резисторов входящих в состав моста равна 1000 Ом. Номинал термокомпенсационного резистора Rk равен 75 Ом. Максимальная допустимая нагрузка датчика – 5кГ. Так как относительное изменение сопротивления тензодатчика очень малы, то и электрический сигнал с тензомоста будет очень маленьким, поэтому будет необходимо применение усилителя сигнала датчика. Для таких целей служат специальные инструментальные усилители. Инструментальный или измерительный усилитель, это устройство с дифференциальным входом. Он строится так, чтобы усиливать только разность напряжений, поданных на его входы и не реагировать на синфазное входное напряжение. Такой усилитель присутствует в специализированной микросхеме INA125. Схема данной микросхемы, взятой из документации на нее, показана на рисунке 2.

Микросхема INA125

     Здесь так же показана схема подключения тензодатчика мостового типа к данной микросхеме. Кроме инструментального усилителя в состав данной микросхемы сходит ИОН – источник опорного напряжения для питания моста тензодатчика. Выходное напряжение ИОН можно изменять дискретно, подключая к соответствующим выводам микросхемы, вывод 4. Эти же напряжения можно использовать в качестве опорного напряжения для АЦП при оцифровке выходного напряжения сигнала. Это уменьшает ошибки оцифровки при флуктуациях напряжения питания устройства. Еще одним из достоинств этой микросхемы является и то, что требуемый коэффициент усиления инструментального усилителя (масштабирующего), устанавливается всего одним резистором, на схеме – R1.

     Микросхема и резистор, задающий коэффициент усиления инструментального усилителя установлены на небольшой печатной плате, рисунок 3.

     Для проверки всей схемы был использован наспех собранный цифровой вольтметр, состоящий из АЦП преобразователя и микроконтроллера с индикатором. В качестве АЦП была применена микросхема ADS1286, это 12 разрядный АЦП, позволяющий оцифровывать напряжение сигнала на выходе INA125 с точностью до 0,001В. В программу контроллера была введена подпрограмма коррекции нуля.
     И так, выяснилось, что зона чувствительности моего датчика начинается с пятидесяти граммов, примерно. Потом идет нелинейный участок до 370 граммов. Далее начинается линейный участок. Точность линеаризации проверить не удалось за неимением точных разновесов. Таким образом, в случае использования датчика в составе цифровых весов, последний должен быть преднагружен 370 граммами. Повторяемость показаний в принципе не плохая. Дрейф показаний при длительных нагрузках особо не проверял. Но при нагрузке в 1000 граммов через 9 часов непрерывного взвешивания показания изменились на 1 грамм. Это мое первое знакомство с данными датчиками, поэтому сделать однозначный конкретный вывод не могу. Но думаю, что существуют определенные места, где можно будет использовать эти «сверхточные» устройства.

Скачать “Скачать статью” tenzodatchiki-dlya-vesov.rar – Загружено 450 раз – 94 KB

Обсудить эту статью на - форуме "Радиоэлектроника, вопросы и ответы".

Просмотров:8 739


www.kondratev-v.ru

принцип действия механического, струнного и других видов тензометров

 О чем эта статья

Тензометры это приборы измеряющие напряжение и деформацию на локальном участке. Существует несколько видов тензометров. Среди них механический, резистивных, струнный и другие виды. О них и пойдет речь в данной статье.

Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Проведение измерений нутромером» или «Поверка средств измерения».

Как надежны создаваемые детали, устройства, сооружения? Как действуют на них различные внешние нагрузки? Эти вопросы волнуют конструкторов, строителей, эксплуатационников. Ответы на них можно получить с помощью тензометра.

Тензометр — это прибор, позволяющий измерить величину деформации изделия на локальном (базовом) участке. Полученная информация позволяет определять напряжения в изделии, разрабатывать более совершенные конструкции, предупреждать аварийные ситуации. Что такое деформация и какая она бывает рекомендуем прочитать в нашей статье — виды деформации твердых тел.

Тензометры используются для оптимального натяжения полотен ленточных пил, растяжек, стержневой и проволочной арматуры. В строительстве – для определения напряжений внутри железобетонных конструкций зданий, мостов, плотин, наровне с измерителями прочности бетонна. В машиностроении – для контроля наиболее ответственных деталей агрегатов, например, лопаток турбин. В текстильной промышленности – для регулирования натяжения движущейся пряжи, нитей.

Широкий круг задач и условий проведения измерений обусловил наличие тензометров, отличающихся по своему назначению и принципу действия. В работе рассмотрены два типа тензометров: механические и электрические. Последние, по принципу действия (определяется типом чувствительного элемента) подразделяются на:

  • Резистивные;
  • Струнные;
  • Емкостные;
  • Индуктивные;

 «Старейшими» тензометрами, появившимися в связи с появлением математических методов в исследовании материалов, являются механические. Поэтому рассмотрение принципа действия тензометров начнем именно с них.

Механические тензометры

Принцип работы механического тензометра базируется на прямой зависимости линейного удлинения испытуемого образца от напряжений в его поперечном сечении при действии деформирующей нагрузки.


Рис. 1.Схема механического тензометра рычажного типа.

Механический тензометр  (рис. 1) закрепляется на поверхности образца 1, опираясь на нее двумя призмами 2 и 3. Призма 2 является подвижной и расположена на расстоянии L от неподвижный призмы 3. Расстояние L является базовым. Рычажная система 4 вместе с подвижной призмой 2 воспринимает изменение размера образца при действии деформирующих сил. Она выполняет роль преобразователя незначительного изменения размера L в существенное перемещение указателя 5 по шкале 6. Коэффициент усиления определяется соотношением длин плеч рычажной системы и обычно лежит в пределах от 1000 до 12000.

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются  в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил.  Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.


Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим  торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов емкостного тензометра.


Рис. 3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы. Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

Примеры использования тензометров

На рис.4 показаны примеры использования двух типов тензометров.


Рис. 4. Тензометры в работе.

На рис.4 слева показан вариант применения механического тензометра для контроля натяжения ленточного полотна. На рис.4 справа – использование электрического тензометра для контроля несущих конструкций. Появление трещин вызывает скачкообразное увеличение показаний тензометра, что обычно предшествует разрушению материала.

Опубликована 02-03-13.


Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

www.devicesearch.ru.com

КРАТКО О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕНЗОРЕЗИСТОРАХ

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

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

Принцип действия

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

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или преобразователи (АЦП, весоизмерительные преобразователи (терминалы)), прецизионные усилители. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

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

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

Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен Rx

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

Изменение сопротивления Rможет происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора Rвключают такой же тензорезистор, как и Rx, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

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

Конструкция

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесенного на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.


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

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм2.

Конфигурация 

Тензодатчики, как правило, приклеиваемые, состоят из:

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

Элемент, чувствительный к деформации, представляет собой решётку, которая вытравлена способом фотолитографии или отштампована из очень тонкого листа металлической фольги толщиной 2,5 мкм. Конфигурация выбирается таким образом, чтобы обеспечить сопротивление равное 100 Ом при достаточно малой длине и ширине. Выпускаются датчики, длина которых меняется в диапазоне от 2 до 150 мкм. Выпускаются датчики  специального назначения (мембранные датчики давления, напряжения, датчики деформации сдвига).

Несущая основа

Применяются материалы такие, как:

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

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

  • линейно-упругое поведение материала;
  • отсутствие гистерезиса.

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

Клеи, с помощью которых приклеивают тензодатчики

Клей, с помощью которого приклеивают тензодатчик на образец, должен обладать прочностью, линейной упругостью и стабильностью в течение длительного периода времени.

Комбинация датчика: его несущая основа и клеи требуют самого серьезного внимания. Необходимо применять апробируемые клеи и соблюдать процедуры нанесения и сушки.

В качестве клея наиболее широко используется метил-2-цианоакриад, эпоксидная смола, полимид и некоторые виды керамики.

Цианоакриад не требует ни нагрева, ни отвердителей для инициирования полимеризации. Для ускорения полимеризации на одну из поверхностей может быть нанесён катализатор. Благодаря очень быстрой полимеризации этот клей является идеальным компонентом для тензодатчиков общего назначения. Минутного нажатия большим пальцем и двух минутной паузы оказывается достаточно. Он может использоваться в диапазоне температур от -32 до +65°С. Он обеспечивает правильное измерение деформации не выше 6%. Прочность клея снижается со временем из-за поглощения влаги, поэтому его необходимо защищать при длительной эксплуатации.

Эпоксидный состоит из смолы и отвердителя, который вступает в реакцию со смолой, обеспечивая полимеризацию. В некоторых случаях для вязкости смолы в нее добавляют растворитель. Разбавленные смолы (эпоксидно-фенольные) более предпочтительны, так как образуют очень тонкие высокопрочные, однородные плёнки со слабо выраженной ползучестью и гистерезисом. Для обеспечения тонкого однородного слоя к датчику должно быть приложено давление от 70 до 210 кПа. чтобы гарантировать полную полимеризацию эпоксидные клеи подвергают повышенной температуре в течение нескольких часов. По-видимому, наилучшими являются эпоксидно-фенольные клеи с рабочим диапазоном температур от -269 до +260°С. Допустимое относительное удельное изменение находится в пределах 3-10%.

Полиамидные представляют собой однокомпонентный полимер, который может применяться в диапазоне температур от -260 до +399°С. Полиамид утверждается при давлении 275кПа при температуре 260°С.

Итак, для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 - 10 кгс/мм2, 170° С). Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе. После окончания процессов "послеотверждения", если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды.

После отвердения клеев тензодатчики должны быть покрыты герметиком (парафин, каучук, полимеритан).

Конструкция закрепления также имеет большое значение для работы датчика (рис. 1). В классической конструкции (а) применяется "утопленный" тензорезистор (например, в основе из фенольного клея), который наклеивается на упругий элемент с помощью клея (например, фенольного). В конструкции (б) голый тензорезистор (например, полупроводниковый) приклеивают через подложку (например, из специальной бумаги), пропитанную клеем. В обоих случаях возникает относительно толстая прослойка толщиной d2, (» 20 - 50 мкм), которая образуется по существу вязкой средой и служит причиной явлений ослабления напряжений. Поскольку прослойка выполняет одновременно функцию изоляции, она не может делаться сколь угодно тонкой. Поэтому в более новой конструкции задачи изоляции и крепления разделены. Здесь сначала наносится изоляционный слой, (расплавленная эмаль или керамика), который обладает существенно лучшими механическими свойствами, чем клей. Теперь собственно клеевой слой может выполняться очень тонким (< 1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.

Рисунок 1 - Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчиков
а и б - обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz;
в - современная конструкция с тонким клеевым слоем dz.
1 - упругий элемент; 2 - тензорезистор; 3 - основа тензорезистора; 4 - клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 - изолирующий слой с хорошими механическими свойствами

Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание. Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь. Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:

Ослабления в упругом элементе

Вязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.

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

Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.

Ослабление клея - единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы. Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.

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

Полученные таким образом тонкие слои не могут полностью и на длительное время исключить диффузию паров воды. Это достигается только благодаря герметически плотным металлическим корпусам, которые часто заполняются еще достаточно большим запасом гигроскопичного вещества или сухим инертным газом. Однако влага, внедрившаяся в чувствительные элементы, несмотря на все эти меры, вызывает два эффекта:

1. Уменьшение сопротивления изоляции между тензорезистором и упругим элементом. В идеальном случае это сопротивление бесконечно велико. При конечном сопротивлении изоляции Ris получаются условия, отраженные на рис. 2. Благоприятнейший случай изображен на рис. 2,а, где Ris, равномерно распределено на четыре части моста; разбаланса моста нет. Для неблагоприятнейшего случая расчет дает погрешность нуля:

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

Рисунок 2 - Влияние уменьшения сопротивления изоляции

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

Разбухание клеевого слоя вызывает кажущуюся деформацию, а этим самым - дополнительную погрешность нуля. Можно с уверенностью считать, что этот эффект значительно сильнее, чем эффект от сопротивления изоляции. Но уменьшение Ris может служить в качестве меры внедрившейся влаги и поэтому - общей ожидаемой погрешности нуля. Можно принять, что разбухание также достаточно мало, если сопротивление изоляции более 109 Ом.

unives.ru

Тензорезистор — Википедия

Деформация тензорезистора из фольги. Изменение сопротивления преувеличено для наглядности. Условное обозначение тензорезисторов на электрических принципиальных схемах. Фольговые тензорезисторы в упаковке.

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации[1]. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов[2]. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса,

ru.wikipedia.org

Что такое тензодатчик?! Разница между тензометрическим датчиком и тензорезисторным датчиком.. Статьи. Поддержка. РАЗНОВЕС.РУ

Тензодатчик веса – это основной и, пожалуй, главный весоизмерительный элемент, который применяется практически во всех типах оборудования, применяемого для измерения массы. Именно от тензодатчика напрямую зависит точность и скорость измерений веса.

Общие сведения

Принцип работы системы измерения веса с использованием тензодатчика предельно прост: под действием массы груза, в тензодатчике возникает механическая деформация, которую и учитывает датчик, преобразует её в электрический аналоговый или цифровой сигнал, и передаёт на индикатор веса, на котором и отображается масса взвешиваемого груза.

Современные тензодатчики прекрасно справляются со своей работой даже в достаточно жестких условиях, поскольку обладают хорошей влаго- и пылезащитой. Спектр применения тензометрического оборудования довольно широк - от самых простых весоизмерительных элементов, до сложнейших технологических промышленных комплексов динамического взвешивания.

Отвечая на вопрос, который был поставлен в шапке статьи, можно сказать, что понятия «тензорезисторного» и «тензометрического» датчика отличаются также, как «ксерокс» и «копировальный аппарат». Дело в том, что тензометрические датчики – это наиболее широкое понятие, включающее в себя все виды весоизмерительных датчиков. Существуют различные способы измерения деформаций: тензорезистивный, пьезорезистивный, оптико-поляризационный, волоконно-оптический, и механический - простое считывание показаний с линейки механического тензодатчика. Каждый из этих способов дал название виду тензодатчика. А поскольку, наибольшее распространение среди электронных тензодатчиков получили тензорезистивные датчики, то это название стало практически нарицательным.

Тензодатчик

Итак, тензодатчик – это силоизмерительный элемент в оборудовании, принцип действия которого основывается на измерении деформации. Тензодатчики используются в бункерных и крановых весах, весовых дозаторах и др. Тензодатчики используются практически во всех современных электронных весоизмерительных системах и системах дозирования.

Тензодатчик

Тензодатчики обеспечивают высокую точность измерений, устойчивы к воздействию окружающей среды, а современные технологии позволяют добиться систематизации и автоматизации всего процесса измерения, используя оборудование с электронными тензодатчиками.

Следует отметить высокие показатели таких основных аспектов, как:

  • Высокая точность измерения. Современные тензодатчики обладают практически безупречной точностью. Самыми распространенными тензодатчиками являются датчики класса точности C3, что соответствует комбинированной погрешности 0.02%. Существуют тензодатчики и с более высоким классом точности.
  • Разнообразие конструкций. Современные тензодатчики обладают огромным разнообразием конструкций: S-образный, мостовой, балочный, шайбовый, сильфонный, одноточечный и колонный. Применение конкретного типа датчика зависит от назначения и конструкции весовой системы, места и способа его установки. Благодаря огромному разнообразию конструкций тензодатчиков, можно выбрать оборудование, наиболее подходящее для конкретных производственных нужд заказчика.
  • Надежность материалов. Большинство тензодатчиков изготовлены из алюминия, нержавеющей или легированной стали, что обеспечивает долгий срок службы оборудования. Водонепроницаемые тензодатчики, которые изготавливаются из нержавеющей стали, обладающие классом защиты IP68, особенно востребованы в пищевой и рыбной промышленности.

Примечательно, что даже в условиях неисправности одного из датчиков, весы с несколькими тензодатчиками сохраняют работоспособность и точность измерений.

Тензометрические датчики (тензодатчики) – конструктивно представляет собой металлическую конструкцию, внутри которой расположены резисторы с электросхемой. Тензодатчик связан с корпусом весового дозатора или весовой платформы, и, при изменении веса, корпус тензодатчика подвергается деформации, после чего результат деформации передается на тензорезисторы, а оттуда, информация о массе - на весовой терминал.

Среди многообразия форм, типов тензометрических датчиков, среди датчиков, различных по цене и качеству сложно сделать правильный выбор.

При выборе тензодатчика следует учитывать следующие показатели:

  • Наибольший предел измерения (НПИ) - следует учитывать, что предполагаемая номинальная нагрузка на тензодатчик не должна превышать НПИ. Хотя фактически датчик имеет дополнительный запас прочности, некоторые конструкции весов требовательны к наличию дополнительного запаса НПИ.
  • Материал тензодатчика – как мы уже писали выше, наибольшее распространение получили тензометрические датчики из нержавеющей и легированной стали, а также алюминия. Как правило, только одноточечные тензодатчики изготавливаются из алюминия, все остальные выполнены из стали.
  • Класс точности тензодатчика – на практике класс точности тензодатчика может лежать в диапазоне от D1 до С6, хотя, в соответствии с OIML R 60, класс точности тензометрического датчика может быть и в более широком диапазоне. Наиболее распространен класс точности C3. Необходимость применения более точных датчиков требует обоснования, поскольку с классом точности цена растет в геометрической прогрессии.
  • Схема подключения тензодатчика – обычно для подключения тензодатчиков используется «четырехжильная» схема подключения. Однако в частных случаях, и в случаях, когда присутствует большая разница в сопротивлении кабелей смежных тензодатчиков, применяется «шестижильная» схема подключения.

Выбирая тип тензометрического датчика, также, обратите внимание на следующие характеристики: рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи, класс защиты, диаметр и длину кабеля, входное и выходное сопротивление, рекомендуемое и максимальное напряжение питания.

Выделяют следующие виды тензодатчиков

Одноточечные тензодатчики - главным их как преимуществом, так и недостатком является возможность создания весоизмерительной системы используя лишь один датчик. Такие датчики применяются в фасовочном и дозирующем оборудовании, а также в конструкциях небольших платформенных весов с малой нагрузкой на платформу.

Одноточечный тензодатчик.

Консольные тензодатчики (консольная балка сдвига) напротив, используются как чувствительные элементы в весах и весоизмерительных системах с общим НПВ в 5-7 тонн.

Консольный тензодатчик.

S-образные тензодачтики (балка на растяжение-сжатие) - предназначаются для использования в подвесных и бункерных весах. Датчики укомплектованы шарнирными подвесами, за счет которых снижается затрачиваемое время на установку и запуск оборудования. В основе работы таких тензодатчиков лежит принцип преобразования механической силы растяжения/сжатия в электрический сигнал, пропорциональный этой механической силе.

S-образный тензодатчик.

Цилиндрические тензодатчики работают по принципу преобразования показаний механической деформации при сжатии в пропорциональный электрический сигнал. Чаще всего применяются при выпуске новых или модернизации старых вагонных, автомобильных или многотонных бункерных весов, а также в испытательных стендах.

Цилиндрический тензодатчик.

 

Высокотемпературные тензодатчики применяются при необходимости измерения веса в условиях высокой температуры. Чаще всего такие датчики встречаются в металлургической отрасли и на промышленных предприятиях.

Датчики, выполненные из нержавеющей стали, как правило, рассчитаны на долгий срок эксплуатации в агрессивных условиях, поэтому чаще всего встречаются на предприятиях пищевой или химической промышленности.

Подводя итоги, можно сказать, что тензодатчик – это важный элемент, составляющий основу механизма любого электронного весоизмерительного оборудования. Электронное весовое оборудование, в отличие от механического оборудования, благодаря применению датчиков силы, стало менее громоздким, более точным и намного более функциональным. Электронная система с применением тензодатчиков позволила перейти на качественно новый уровень работы и полностью автоматизировать контрольно-измерительные процессы.

www.raznoves.ru

Тензодатчик: описание, принцип работы - Советы экспертов

Измерение параметров деформации и веса – это обязательная процедура для различных отраслей промышленности. Именно в этих целях и необходим тензодатчик, преобразовывающий степень деформирования в нужные показатели.

Описание тензодатчика и разновидности

Тензодатчики массы и давления представляют собой устройства, позволяющие определить степень сжатия и растяжения определенного предмета, путем преобразования деформации в электрический сигнал. Они относятся к резистентным преобразователям, которые являются очень важной составляющей сверхточного оборудования, измеряющего показатели веса.

В основу подобных устройств положены чувствительные тензорезисторы, изготавливаемые из тензоматериалов. Купить датчики веса utilcell можно из тонкой алюминиевой проволоки, пленки или фольги. Резистор, как и на другом весовом оборудовании, фиксирует изменение на контактах сопротивления, возникающего в результате сжатия.

Датчики могут отличаться своей конструкцией и целям. Они активно применяются в металлургии, фармацевтике, атомной отрасли и т.д.

Основные разновидности тензодатчиков:

  1.  Динамометры – устройства, применяемые для измерения силы и нагрузок.
  2.  Приборы для фиксации давления.
  3.  Модели для измерения ускорения.
  4.  Приборы контроля движения.
  5.  Устройства, отслеживающие крутящий момент в станочных и автомобильных моторах.

В обычной жизни применяться только 1 тензодатчик – для измерения массы предметов. В зависимости от конструкции, он может быть:

  •  балочным;
  •  шайбовым;
  •  консольным;
  •  в форме буквы S.

Тензодатчики с фольговыми контактами применяются в качестве наклеиваемого устройства. Подобная система достаточно удобна в использовании, так как толщина ленты из фольги не превышает 12 мкм. Контакт имеет две части – одна решетчатая, а другая плотная. Эта модель тензодатчика отличается возможностями использования при низких температурах и припаиванием дополнительных контактов.

Пленочные индикаторы, по сути, — аналог фольгированным. Для увеличения чувствительности, на пленку наносится особое напыление. Чаще всего такие датчики применяются для замера нагрузок в динамике. Для изготовления пленок используют германий, висмут или титан.

Проволочные датчики способны измерять, как малые, так и большие веса. Они, в отличие от остальных разновидностей, позволяют делать замеры только в одном месте. Используются в основном для снятия показателей растяжения и давления.

Как работает тензодатчик

Как уже упоминалось выше, данный прибор состоит из контактного элемента и тензорезистора, закрепляемых в той части устройства, которая соприкасается с исследуемым объектом. Принцип функционирования любого датчика определяется степенью воздействия на его чувствительный элемент. Для коммутации с сетью и чувствительной пластиной, на приборе предусмотрены электрические отводы. При взвешивании, масса детали вызывает деформацию, разрывающую цепь. Этот процесс фиксируется контрольными контактами и преобразовывается в электрический импульс.

Тензодатчик способен измерять даже малые нагрузки, что значительно расширяет его сферу применения. Схема коммутации моста датчика базируется на законе Ома, который гласит о том, что в случаях, когда все сопротивления равны между собой, значение электротока также будет идентичным. Здесь трансформация сигнала называется внутренним фактором, а внешнее воздействие, соответственно, внешним. Таким образом, принцип работы базируется на изучении внешних факторов, используя внутренние.

В быту продемонстрировать работу датчиков могут цифровые, либо электронные весы. Электрическое питание подобных устройств обычно осуществляется за счет батарей.

Чувствительность этих измерительных устройств очень высокая и имеет степень погрешности всего около 0,02 процента. Некоторые приборы обладают еще лучшими показателями.

Основные преимущества тензодатчиков:

  1.  Возможность изменения, как динамического, так и статического напряжения.
  2.  Высокие показатели точности.
  3.  Компактные размеры.
  4.  Возможность применения в сложных условиях и транспортных средствах.

allexpert.com.ua

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *