Тензометрические датчики в системах автоматизации

Типы тензодатчиков и области их применения

Советы экспертов по разным типам тензометрических датчиков и их применению

МЕТТЛЕР ТОЛЕДО предлагает разнообразные тензодатчики и весовые модули для разных областей применения. Наши специалисты составили список часто задаваемых вопросов относительно типов тензодатчиков в зависимости от их применения и конструкции, а также лучших типов тензометрических датчиков. Наши специалисты готовы ответить на ваши вопросы о типах тензодатчиков и областях их применения. Изучите подготовленный ими материал, чтобы получить представление о типах тензометрических датчиков и их использовании.

Какие типы тензодатчиков существуют?
Существуют различные типы тензодатчиков и области их применения. Тензометрические датчики отличаются по форм-фактору. Можно также классифицировать тензометрические датчики на основе их конструкции. Балочные тензодатчики похожи на балки и работают по принципу изгиба. Балочные тензодатчики используются в разных весах, например в напольных электронных весах. Максимальная нагрузка для балочных тензодатчиков, как правило, лежит в диапазоне от нескольких килограммов до 5 тонн.
Одноточечные тензодатчики также напоминают балки, но для весов достаточно одного такого тензодатчика. Одноточечные тензодатчики могут компенсировать влияние изгибающего усилия и позволяют сделать конструкцию весов максимально экономичной. Максимальная нагрузка для одноточечных тензодатчиков составляет от 3 кг до 2 тонн.
Тензодатчики колонного и цилиндрического типа используются для работы с большими нагрузками. Цилиндрические тензодатчики используются в бункерном взвешивании, обычно в сочетании с весовыми модулями. Колонные и цилиндрические тензодатчики также используются в автомобильных весах. Их максимальная нагрузка находится в диапазоне от 250 кг до нескольких сотен тонн. S-образные тензодатчики рассчитаны на нагрузку растяжением, которая возникает, например, в ковшовых весах. S-образные тензодатчики называют также датчиками растяжения в силу их основного направления нагрузки. Максимальная нагрузка S-образных тензодатчиков составляет от 25 кг до 10 тонн. Оптимальный тип тензометрического датчика следует определять в зависимости от требований области применения и предполагаемой нагрузки.

Из какого материала сделаны тензодатчики?
Тензодатчики изготавливаются из высокопрочной закаленной стали или высокопрочного алюминия. Материалы обычно специально производятся для этой цели и их не продают в обычных магазинах. Разные тензометрические датчики могут быть сделаны из разных материалов. Тип тензометрического датчика определяется его конструкцией.

В каких областях используются тензодатчики?
Тензодатчики используются в весах для взвешивания различных грузов. В любом супермаркете можно увидеть, насколько широко используется взвешивание. Большинство товаров в упаковках имеют определенную массу, следовательно, их фасовали на машине с тензодатчиками. В мясном отделе на кассе стоят весы с тензодатчиками. Готовые торты были сделаны на заводе, где компоненты рецепта смешивались в большом резервуаре с бункерными весами. Муку после доставки на завод взвешивали на автомобильных весах, которые могут взвесить целый грузовик и в которых содержится несколько тензодатчиков. Взвешивание с помощью тензодатчиков, вероятно, является наиболее точным методом для определения массы материала. Оно применяется практически везде. Это лишь несколько примеров, иллюстрирующих типы тензодатчиков и области их применения.

Какие тензодатчики самые лучшие?
Какой тензометрический датчик будет лучшим, зависит от поставленной задачи и условий, поскольку существует множество типов тензодатчиков и областей их применения. Максимальная нагрузка — один из основных критериев выбора. Балочная весовая ячейка подойдет для области применения, где нагрузка не превышает 10 тонн; цилиндрическая или колонная ячейка — для нагрузки более 10 тонн. Для работы на растяжение лучше подходят S-образные тензодатчики. Чем ценнее материал, тем выше должно быть качество работы тензометрического датчика. В задачах, где критически важна точность, мы рекомендуем использовать технологию датчиков веса POWERCELL®.

Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство

На многих предприятиях существует необходимость для измерения различных параметров, изменения состояния деталей, различных конструкций. Для решения этих задач используются тензометрические датчики. Они преобразовывают величину деформации в электрический сигнал. Это получается за счет уменьшения или увеличения сопротивления датчика во время деформации, нарушения геометрии формы датчика от сжатия или растяжения. В результате определяется значение деформации.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

В разных отраслях промышленности используется множество видов тензометрических датчиков:

  • Приборы, измеряющие силу и нагрузку.
  • Контроль давления.
  • Измерители ускорения.
  • Измерители перемещения.
  • Датчики контроля момента для станков, моторов автомобилей.

Модели датчиков разнообразны, но чаще всего используется датчик определения веса, который изготавливается в различных вариантах: шайбовый, бочковой, S-образный . Исходя из назначения подбирается необходимое исполнение.

Читайте также:
Солнечные батареи для дома: стоимость комплекта, отзывы, выбор

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

  • Из фольги.
  • Пленочные.
  • Из проволоки.
Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочные датчики

изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

датчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Действие снаружи обрело название «внешний фактор», изменение сигнала – «внутренний фактор». Тогда можно сказать, что принцип работы датчика заключается в определении внешнего фактора с помощью внутреннего.

В быту тензометрические датчики работают в весах. Тензорезисторы подключены с поверхностью работы весов. Подключение к питанию весов осуществляется через батареи.

Этот контрольный прибор имеет высокую точность. Погрешность чувствительных элементов составляет менее 0,02%, это высокий показатель. Существуют приборы с чувствительностью гораздо выше этого. Их работа основана на контроле действия силы. Значение силы давления прямопропорционально преобразованному сигналу тензодатчика.

Принцип действия датчиков силы

Датчики силы, другими словами динамометры входят в состав приборов, измеряющих вес. Их отсутствие делает невозможным работу системы по автоматизированию техпроцессов на производстве. Они используются в сельском хозяйстве, строительстве, металлургии.

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:
  • Тактильные.
  • Резистивные.
  • Пьезорезонансные.
  • Пьезоэлектрические.
  • Магнитные.
  • Емкостные.
Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Конструкция состоит из 2-х пластин(1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент – тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.


1 — Подложка
2 — Чувствительный элемент
3 — Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические тензометрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал. Возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала.

Читайте также:
Что лучше для отопления: алюминиевый радиатор или медный конвектор

Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. В нашем варианте катушка индуктивности расположена на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности.

Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Это параметрический тип датчиков, представляющий собой конденсатор. Чем больше площадь пластин, тем больше емкость. А чем больше промежуток между пластинами, тем меньше емкость.

Это свойство применяют для конструкции емкостных датчиков. Чтобы было удобно пользоваться измерениями, емкость преобразуют в ток. Для этого пользуются разными схемами подключения.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Преимущества тензометрических датчиков
  • Повышенная точность измерения.
  • Сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях.
  • Малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.

К недостаткам тензометрических датчиков, можно отнести снижение чувствительности при резких изменениях температуры. Для получения точных результатов рекомендуется делать контроль измерения при комнатной температуре.

Подключение тензодатчиков

Подключить тензометрические датчики можно легко самому, используя схему. Перед приобретением тензодатчиков определите длину кабеля подключения. Если короткий кабель наращивать в длину, то точность измерения индикатором будет значительно меньше. Оптимизацию этого параметра можно произвести контроллером SE 01, который действует вместо усилителя.

Если в конструкции весов применяются разные индикаторы, то их соединяют по параллельной схеме с помощью специальных коробок. Проводники датчиков обязательно заземляются, независимо от вида питания. Установка заземления производится в общей одной точке. Для этих целей применяется коробка для разветвления.

Далее проверяется правильность подключения по схеме датчиков, надежность контактов и заземления. Монтаж прибора осуществляется экранированным кабелем. Он заглушает помехи, вспомогательные модули при его использовании не нужны. По подобию подсоединяется преобразователь в дозатор.

Тензодатчик: принцип работы, устройство, типы, схемы подключения

Системы контроля производят постоянное наблюдение за состоянием различных механизмов, положением рабочих органов и, в том числе, контролируют вес. Для измерения величины веса и дальнейшего применения данных в логических схемах устанавливается тензометрический датчик (тензодатчик). Что это такое и как он работает мы рассмотрим в данной статье.

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.

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

  • 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:

  • 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.

Читайте также:
Труба для вашей печи: выбор и установка

Принцип работы

В большинстве случаев тензодатчик функционирует не от одного тензорезистора, а включает в себя мостовую измерительную схему. Такой принцип получил название моста Уитстона и реализуется следующим образом (рисунок 2):

Рис. 2. Принцип действия тензодатчика

Как видите на рисунке, в плечи моста включены четыре тензорезистора, которые расположены на гибкой подложке, что обеспечивает им упругую деформацию в ходе измерений. Все резистивные элементы тензодатчика подбираются равнозначными, что обеспечивает на выходе в состоянии покоя нулевое значение разности потенциалов в точках + S и – S. Это обозначает, что в ненагруженном идеальном тензодатчике не будет протекать ток в выходной цепи измерительного прибора. В реальном устройстве, все равно существует токовая нагрузка из-за конструктивных отличий резистивных деталей, температурных колебаний.

Как только к измерительному органу прибора будет приложена механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, от чего изменятся рабочие параметры всех резисторов в цепи моста тензодатчика. В большинстве случаев попарно происходит сжатие и растяжение тензорезисторов (рисунок 3):

Рис. 3. Воздействие нагрузки на тензодатчик

Как видите, на рисунке два резистора сжимаются, а другие два растягиваются, в результате чего происходит искажение моста. Электрическая цепь выходит из равновесия и через выход тензодатчика начинает протекать электрический ток. О чем будет свидетельствовать отклонение стрелки гальванометра или дисплей оборудования, реагирующий на изменение разности потенциалов. Как только нагрузка перестанет воздействовать на тензодатчик, гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост снова перейдет в состояние равновесия.

На данном примере мы рассмотрели простейший вариант четырехпроводного тензометрического датчика. Но на практике также используются пяти и шестипроводные весоизмерительные сенсоры, что обусловлено типом конкретного устройства.

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

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

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

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

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

Рис. 5. Принцип действия емкостного тензодатчика

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

Схемы подключения

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

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

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:

Читайте также:
Трещина в стене – способы определения и основные методы устранения. 130 фото ремонтных работ

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

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

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

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

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различных приборах и приспособлениях для отслеживания реакции на физическое воздействие. На сегодняшний день сфера его применения охватывает самые различные отрасли промышленности и народного хозяйства, где он используется для:

  • Измерения веса – устанавливается в электронных весах различного типа.
  • Определения ускорения – применяется при испытании транспортных средств.
  • Измерения давления – распространено в сфере обработки поверхностей, при контроле прилагаемого усилия, в механических средствах и т.д.
  • Контроля перемещения – фиксируют перемещение строительных элементов, фундаментов, сейсмологических приспособлений и т.д.
  • Измерения крутящего момента – применяется в машиностроительной отрасли, для технического обслуживания и прочих.

Как выбрать?

При выборе модели для измерения какого-либо физического усилия или веса, необходимо руководствоваться основными параметрами сенсора. К таким характеристикам относятся:

  • Диапазон измерений – определяет границы весовой нагрузки, которую сможет фиксировать тензодатчик;
  • Класс точности – выбирается в зависимости от параметров оборудования и требований к точности измерений;
  • Схема подключения – по количеству подключаемых выводов может использоваться четырех или шестипроводная схема;
  • Термокомпенсация – для тензодатчиков, где необходима высокая точность измерений, важно учитывать влияние температуры окружающей среды, применяются термокомпенсирующие элементы;
  • Степень защиты – обозначается индексом IP и определяет устойчивость к воздействию пыли и влаги на тензодатчик.

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

«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.

Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики

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).

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.

Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.

Датчики крутящего момента

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.

Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов

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.

Читайте также:
Стиль кантри в интерьере загородного дома: 30 вариантов дизайна на фото

Тензодатчики силы растяжения и сжатия

Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.

Тензорезисторы проволочные и фольговые

Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:

  • простота изготовления;
  • линейная зависимость от деформации;
  • малые размеры и цена.

Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.

Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.

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.

Основные схемы подключения

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

Если длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.

Примеры использования тензометрических датчиков

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

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

Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы

Что такое КИП и А и чем занимаются специалисты службы: слесарь и инженер КИП и А

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика

Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Тензометрические датчики: описание, инструкция по применению, характеристики и отзывы

Тензометрические датчики представляют собой устройства, преобразующие измеряемую упругую деформацию твердого тела в электрический сигнал. Это происходит за счет изменения сопротивления проводника датчика при изменении его геометрических размеров от растяжения или сжатия.

Читайте также:
Способы соединений, оконцеваний и ответвлений проводов и кабельных жил. Лучшие статьи

Тензометрический датчик: принцип действия

Основным элементом устройства является тензорезистор, закрепленный на упругой конструкции. Тензодатчики калибруют, ступенчато нагружая заданным возрастающим усилием и измеряя при этом величину электрического сопротивления. Затем по его изменению можно будет определить значения приложенной неизвестной нагрузки и пропорциональной ей деформации.

В зависимости от типа датчики позволяют измерить:

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

Какие применяются тензометрические датчики

Больше всего распространены типы тензометрических датчиков с изменением активного сопротивления при механическом воздействии тензорезисторы.

Проволочные тензорезисторы

Наиболее простым примером является прямолинейный отрезок тонкой проволоки, который крепят на исследуемой детали. Его сопротивление составляет: r = pL/s, где p удельное сопротивление, L длина, s площадь сечения.

Вместе с деталью упруго деформируется наклеенная проволока. При этом меняются ее геометрические размеры. При сжатии поперечное сечение проводника увеличивается, а при растяжении уменьшается. Поэтому изменение сопротивления меняет знак в зависимости от направления деформации. Характеристика является линейной.

Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения. Для этого его делают в виде спирали (решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги. Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.

Проволочные тензодатчики имеют следующие достоинства:

  • простота конструкции;
  • линейная зависимость от деформации;
  • небольшие размеры;
  • малая цена.

К недостаткам относятся низкая чувствительность, влияние температуры среды, потребность в защите от влаги, применение только в области упругих деформаций.

Проволока будет деформироваться в том случае, когда сила сцепления с ней клея значительно превосходит усилия, требуемые для ее растяжения. Отношение поверхности склеивания к площади поперечного сечения должно быть 160 к 200, что соответствует ее диаметру 0,020,025 мм. Допускается его увеличение до 0,05 мм. Тогда при нормальной работе тензорезистора клеевой слой не разрушится. Кроме того, датчик хорошо работает на сжатие, поскольку нити из проволоки составляют одно целое с пленкой клея и деталью.

Тензодатчики из фольги

Параметры и принцип действия фольгового тензодатчика те же самые, что и у проволочных. Только материалом является фольга из нихрома, константана или титан-алюминия. Технология изготовления методом фотолитографии позволяет получить сложную конфигурацию решетки и автоматизировать процесс.

По сравнению с проволочными, фольговые тензометрические датчики более чувствительны, пропускают больший ток, лучше передают деформацию, имеют более прочные выводы и сложней рисунок.

Полупроводниковые тензодатчики

Чувствительность датчиков приблизительно в 100 раз выше проволочных, что позволяет часто применять их без усилителей. Недостатками являются хрупкость, большая зависимость от окружающей температуры и значительный разброс параметров.

Характеристики тензорезисторов

  1. База длина проводника решетки (0,2150 мм).
  2. Номинальное сопротивление R величина активного сопротивления (101000 Ом).
  3. Рабочий ток питания Ip ток, при котором тензорезистор заметно не нагревается. При перегреве изменяются свойства материалов чувствительного элемента, основы и клеевой прослойки, искажающие показания.
  4. 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.

Схемы включения тензометрических датчиков

Для измерения малых электрических сигналов наилучшим вариантом является мостовое включение, в центре которого находится вольтметр. Простейшим примером будет тензометрический датчик, схема которого собрана по принципу электрического моста, в одно из плеч которого он подключен. Его сопротивление в ненагруженном состоянии будет таким же, как и у остальных резисторов. В этом случае прибор покажет нулевое напряжение.Принцип работы тензометрического датчика заключается в увеличении или снижении величины его сопротивления в зависимости от того, будут усилия сжимающими или растягивающими.

На точность показаний значительное влияние оказывает температура тензорезистора. Если в другое плечо моста включить аналогичное тензосопротивление, которое не будет нагружаться, оно будет выполнять функцию компенсационного при тепловых воздействиях.

В измерительной схеме также должны учитываться значения электрических сопротивлений проводов, подключенных к резистору. Их влияние уменьшается за счет добавления еще одного провода, подключенного к какому-либо выводу тензорезистора и вольтметру.

Читайте также:
Стабилизатор напряжения для частного дома — подключение, где купить

Если на упругий элемент наклеить оба датчика таким образом, чтобы их нагрузки отличались по знаку, сигнал усилится в 2 раза. При наличии в схеме четырех датчиков с нагрузками, обозначенными на схеме выше стрелками, чувствительность значительно возрастет. При таком подключении проволочных или фольговых тензорезисторов обычный микроамперметр даст показания без усилителя электрических сигналов. Важно точно подобрать номиналы сопротивлений с помощью мультиметра, чтобы они были равны между собой в каждом плече электрического моста.

Применение тензометрических датчиков в технике

  1. Часть конструкции весов: при взвешивании корпус датчика упруго деформируется, а вместе с ним наклеенные на него тензорезисторы, соединенные в схему. Электрический сигнал передается на измерительный прибор.
  2. Мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций и инженерных сооружений в процессе их возведения и эксплуатации.
  3. Тензодатчики для измерения усилия деформации при обработке металлов давлением на прокатных станах и штамповочных прессах.
  4. Высокотемпературные датчики для металлургических и других предприятий.
  5. Измерительные датчики с упругим элементом из нержавеющей стали для работы в химически агрессивной среде.

Стандартные тензометрические датчики выполняются в виде шайб, колонн, простых или двусторонних балок, S-образные. Для всех конструкций важно, чтобы сила прикладывалась в одном направлении: сверху вниз или наоборот. При тяжелых условиях работы специальные конструкции дают возможность устранить действие паразитных сил. От этого в большой степени зависят их цены.

На тензометрические датчики цена составляет от сотен рублей до сотен тысяч. Многое зависит от производителя, конструкции, материалов, технологии изготовления, величин измеряемых параметров, дополнительного электронного оборудования. Большей частью они являются составными частями весов разных типов.

Заключение

Принцип работы всех тензодатчиков основан на преобразовании деформации упругого элемента в электрический сигнал. Для разных целей существуют свои конструкции датчика. Когда выбираются тензометрические датчики, важно определить, имеется ли в схемах компенсация искажающих показания температурных и паразитных механических воздействий.

Использование тензодатчиков для измерения механических величин

Особое место занимают способы взвешивания с применением в качестве силоизмерителя тензорезисторных и вибростержневых преобразователей. Применение этих преобразователей позволяет повысить точность измерения, снизить металлоемкость весов, сократить время взвешивания. Получение выходных электрических сигналов предопределяет автоматизацию процесса взвешивания, позволяет ввести этот процесс в автоматизированную систему управления [17]. Тензометрический измерительный преобразователь — параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 г. лордом Кельвином ив 1881 г. О.Д. Хвольсоном. В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

  • • исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;
  • • применение тензодатчиков для измерения механических величин (действие силы, веса), преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тен- зометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%.

Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветной и черной металлургии, химической, строительной, пищевой и других отраслей.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Рассмотрим подробнее данную область использования тензометрических измерительных преобразователей.

Силоизмерительные датчики предназначены для преобразования усилий в электрический сигнал и применяются как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и силоизмерительных устройствах.

При выборе датчиков для измерения веса нужно учитывать следующие параметры и характеристики.

  • 1. Погрешность измерения, чувствительность.
  • 2. Диапазон измерения.
  • 3. Величина выходного сопротивления (большинство весовых терминалов способны работать с датчиками, имеющими выходное сопротивление 350 Ом, это позволяет параллельно подключать к терминалу от четырех до восьми датчиков).
  • 4. Область применения. В зависимости от области применения датчики могут обладать различными точностными характеристиками.
  • 5. Диапазон рабочих температур и условия эксплуатации.
  • 6. Способы компенсации температурной погрешности тензодатчиков (изменение температуры окружающей среды).
Читайте также:
Штукатурка стен по струнам своими руками

Датчики массы можно классифицировать следующим образом:

  • 1. Датчики для торговых и почтовых весов.
  • 2. Датчики для пищевой и химической промышленности.
  • 3. Датчики для лабораторных весов.
  • 4. Низкопрофильные датчики для напольных и платформенных весов.
  • 5. Датчики для работы с несимметричными нагрузками.
  • 6. Высокоточные датчики.
  • 7. Датчики для автомобильных весов.

Все виды датчиков изготовляются в пылевлагозащищенном исполнении (IP60, IP65, IP66, IP6S) в зависимости от области применения.

В зависимости от того, где находится центр тяжести (ниже или выше места крепления датчика), используют или S-образные датчики, или датчики сжатия. Датчики веса можно подразделить на датчики консольного типа и датчики сжатия/растяжения. Таким образом, схема измерения усилий представляет собой последовательность: датчик усилий, программируемый измерительный преобразователь и контролирующий прибор (контроллер). Консольные тензодатчики представляют из себя консольную балку, а их принцип действия основан на преобразовании механической деформации сдвига в пропорциональный электрический сигнал. Применяются как измерительные элементы в платформенных весах (рис. 6.9, 6.10).

Рис. В.9. Консольный тензодатчик

Рис. В.10. Схематическое изображение возможных вариантов установки тензодатчика и воздействия на него нагрузки

В табл. 6.5 представлены характеристики и область применения датчиков консольного типа [23].

Датчики консольного типа

Предел измерения (RC)

1; 2.5; 5; 10; 15; 20;

30; 50; 75; 100 кг

250; 300; 500;635 кг

Напряжение питания, В:

Выходное сопротивление, Ом

Диапазон рабочих температур, °С

Предельно допустимая перегрузка, % RC

Максимальный размер платформы, мм

Для пищевой и химической промышленности

Универсальный тип. Высокая точность

Дополняет серию AG в сторону больших нагрузок

Работа со значительными несимметричными нагрузками

Технические

характеристики

Датчики консольного типа

Предел измерения (RC)

1; 3; 5; 10кг/ 3; 5 кг

5; 10; 15; 20; 30; 35 кг

3; 5; 7; 10; 10; 15; 20; 30 кг

Суммарная погрешность, % RC

Напряжение питания, В:

Входное сопротивление, Ом

Выходное сопротивление, Ом

Диапазон рабочих температур, °С

Предельно допустимая перегрузка, % RC

Максимальный размер платформы, мм

150×150 (для 200 г 120×120)

150×150 (для BE — 100×100)

300×350 (для 3 кг — 200×240)

Для ювелирных и лабораторных весов

Для серийных и недорогих изделий

Для почтовых и торговых весов

Технические

характеристики

Датчики консольного типа

SK 30 X

Предел измерения (RC)

300;500; 1000; 2000 кг

500; 750; 1200; 2000 кг

5; 10; 20; 50; 100; 200; 300; 500 кг

Суммарная погрешность, % ЕС

Напряжение питания, В:

Входное сопротивление, Ом

Выходное сопротивление, Ом

Диапазон рабочих температур, °С

Предельно допустимая перегрузка, % RC

Низкопрофильный. Для всех типов платформы

Для низкопрофильных напольных весов

При совместном использовании со STAICAN идеально подходит для дозирующих систем

Производитель — фирма SCAIME.

Датчики сжатия/растяжения. Их принцип действия основан на преобразовании механической силы вдоль оси симметрии датчика в пропорциональный электрический сигнал (рис. 6.11-6.14).

S-образный датчик силы растяжения и сжатия

Рис. 6.14. Схематическое изображение возможных вариантов установки S-образного датчика сжатия/растяжения и воздействия на него нагрузки

В табл. 6.6 представлены характеристики датчиков сжатия/растяжения [23 J.

Датчики сжатия / растяжения

Предел измерения (RQ

25; 50; 100; 200; 500 кг, 1; 2; 5 т

0.5; 1; 2; 4; 6 т

5; 10; 20; 40; 60 т

2.5; 5; 10; 15; 30 т

Суммарная погрешность, % RC

Рис. В.11. Датчик сжатия/ растяжения

Рис. 6.12. Схематическое изображение возможных вариантов установки датчика сжатия/растяжения и воздействия на него нагрузки

Напряжение питания, В: номинальное максимальное

Входное сопротивление, Ом

Выходное сопротивление, Ом

Диапазон рабочих температур, °С

Предельно допустимая перегрузка, % RC

Сталь с никелевым покрытием

Работа на сжатие и растяжение

Для механических платформенных весов

Для автомобильных весов

Для си- лосов, цистерн, резервуаров

Производитель — фирма SCAIME.

Программируемый измерительный преобразователь с цифровой индикацией PAX S (рис. 6.15)

Преобразователь PAX S

  • • Для промышленных весоизмерительных систем.
  • • Подключение до четырех параллельно соединенных датчиков (350 Ом).
  • • Четырехпроводная схема подключения.
  • • Погрешность измерения 0,02%.
  • • Скорость измерения до 20 отсчетов/с.
  • • Светодиодный 5-разрядный индикатор с высотой знака 14 мм.
  • • Модули расширения: дискретные (выходные реле или транзисторы); аналоговые 0-ЮВ или 4-20 мА; интерфейсные (RS- 232, RS-485, ModBus RTU, PRO FI В US-DR или Device Net).
  • • Габаритные размеры 96,5×49,5×106,6 мм.
  • • Степень защиты по передней панели 1Р65.
  • • Диапазон рабочих температур от 0 до 45°С.
  • • Производитель – фирма SCAIME.
Читайте также:
Чем можно отражающий утеплитель приклеить к бетонной стене

Программируемый весовой терминал IPC 50 (рис 6.16)

Весовой термнал IPC 50

  • • Для промышленных весоизмерительных систем.
  • • Подключение до восьми параллельно соединенных датчиков (350 Ом).
  • • 4- и 6-проводная схема подключения.
  • • Класс точности ЗОООг/ по OIML R1B.
  • • Скорость измерения до 50 отсчетов/с.
  • • 6-разрядный ЖК-индикатор с высотой знака 25 мм.
  • • Интерфейс RS-232 для программирования и калибровки.
  • • Интерфейс RS-232 для подключения принтера.
  • • Модули расширения: дискретный (ввод/вывод), интерфейсный RS-4S5, хранения измерительных данных.
  • • Исполнение в настольном корпусе.
  • • Степень защиты IP65.
  • • Диапазон рабочих температур от минус 10 до 40°С.
  • • Производитель – фирма SCAIME.

Преобразователь IBP 50

Программируемый измерительный преобразователь с цифровой индикацией IPB 50 (рис. 6.17)

  • • Для торговых весоизмерительных систем.
  • • Подключение до шести параллельно соединенных датчиков (350 Ом).
  • • 4- и 6-проводная схема подключения.
  • • Класс точности 3000^ по OIML R76.
  • • Скорость измерения до 50 отсчетов/с.
  • • Светодиодный 6-разрядный индикатор с высотой знака 15 мм.
  • • Интерфейс RS-232 или RS-4S5 для программирования и калибровки.
  • • Интерфейс RS-232 для подключения принтера.
  • • Два параметрируемых релейных выхода.
  • • Аналоговый выход 0-10В и 0/4—20 мА (опция).
  • • Габаритные размеры 96x96x80 мм.
  • • Степень защиты/Р65.
  • • Диапазон рабочих температур от минус 10 до 40°С.
  • • Производитель – фирма SCAIME.

Программируемый измерительный преобразователь с цифровой индикацией IPA 2000 (рис. 6.18)

Преобразователь IPA 2000

  • • Для высокоскоростных весоизмерительных систем.
  • • Подключение до четырех параллельно соединенных датчиков (350 Ом).
  • • Погрешность измерения 0,05%.
  • • Скорость измерения до 2000 отсчетов/с.
  • • Светодиодный 4-разрядный индикатор.
  • • Аналоговый выход ±10В и 4—20 мА.
  • • Последовательный интерфейс RS-232.
  • • Два параметрируемых релейных выхода.
  • • Дистанционное управление функциями через дискретные входы или интерфейс RS-232.
  • • Габаритные размеры 96x96x155 мм.
  • • Степень защиты IP65.
  • • Диапазон рабочих температур от минус 5 до 40°С.
  • • Производитель – фирма SCAIME.

Измерение электрических параметров

Измеритель мощности PR 300

Измеритель мощности PR 300

Монтируемый на панели измеритель мощности с 3-строчным дисплеем объединяет в одном устройстве все функции измерения параметров электрического тока (рис. 6.19). Предназначен для отображения на дисплее и вывода значений мощности для различных типов электрического оборудования. Имеет большой трехстрочный дисплей. Возможно одновременное отображение значений тока, напряжения и назначаемых пользователем параметров. Преобразует мощность (активную, реактивную, полную), напряжение, ток, частоту и фазу в сигнал 4-20 мА. Существует возможность задавать уставки для вывода сигнализации. Измерение максимального и минимального значений напряжения, максимального значения тока и др., например использование внешнего дискретного входа для измерения энергии в произвольные моменты времени. Существует возможность вывода импульсов, пропорциональных энергии. PR300 работает с входными цепями напряжением до 600 В.

Тензометрические системы

Тензометрия – способ экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции. Используется для измерения фактических значений напряжений в конструкции и автоматизации процесса идентификации вида дефекта по данным акустико-эмиссионного контроля и других методов контроля, применяемых в системе диагностического мониторинга.

«НПП «МИКС Инжиниринг» предлагает следующие решения в области тензометрии:

  • Тензометрия элементов конструкций (измерение деформаций элементов конструкций, расчет напряжений)
  • Определение нагрузок, приложенных к элементам конструкций (определение сил и моментов)
  • Построение многоканальных систем сбора информации на базе оборудования различных производителей (Kyowa, HBM, Vishay, National Instruments и др.)
  • Разработка прикладного программного обеспечения под различные тензометрические задачи

Основные цели организации систем диагностического мониторинга:

  • своевременное обнаружение дефектов;
  • сбор, хранение и анализ данных технического диагностирования и прогнозирование изменения технического состояния объектов во времени;
  • автоматизация технического диагностирования и устранение человеческого фактора при оценке результатов диагностирования.

Датчики, используемые для оценки напряженно-деформированного состояния

Датчиками деформации и смещения в классическом виде называются датчики, фиксирующие микродеформации и смещения в диапазоне 0,01-10 мкм., которые возникают в различных материалах, деталях машин, элементах конструкций и т.п., при воздействии на них различных физических факторов (давления, силы, температуры и т.п.). Регистрируя микродеформации, можно косвенно судить о физическом воздействии на объект исследования. На этом принципе строятся датчики силы, давления, ускорения, моментов, сейсмодатчики и т.п.

Читайте также:
Что делать, если в спальне нет окна?

По принципу действия датчики деформации можно классифицировать следующим образом:

  • тензодатчики;
  • пьезодатчики;
  • микромеханические датчики;
  • интерферометрические датчики;

В свою очередь тензометрические датчики можно разделить на металлические тензодатчики (к которым относятся проволочные тензодатчики, фольговые тензодатчики, пленочные тензодатчики) и полупроводниковые тензодатчики.

Наиболее чувствительными, сложными и дорогими являются интерферометрические датчики деформаций.

Наиболее распространенными, благодаря малым габаритам, массе и низкой стоимости, являются металлические и полупроводниковые тензодатчики и пъезодатчики.

Металлические тензодатчики

Работа металлических тензодатчиков основана на изменении сопротивлении материала проводника при деформации под действием прикладываемой нагрузки (тензоэффекте).

В простейшем случае тензорезистор представляет собой тонкий металлический проводник (кусок проволоки) жестко закрепленный на деформируемой детали.

Деформация детали ведет к деформации проволоки, изменяется ее длина, сечение и удельное электрическое сопротивление, что в конечном счете ведет к изменению электрического сопротивления всего учатка проволоки.

Сопротивление металлического проводника:

Не будем углубляться в рассмотрение зависимостей относительного изменения удельного сопротивления материала под действием деформаций, запишим конечную формулу

Где КТ — коэффициент тензочувствительности (для большинства металлических материалов 2÷2,5, для сплава «пермаллой-вольфрам» — 4,1).

Таким образом, изменение сопротивления металлических проводников в пределах упругих деформаций пропорционально продольной деформации.

Линейность приведенного соотношения сохраняется при

Рассмотрим проволочный и фольговый вариант исполнения тензодатчиков.

В проволочном тензодатчике для большей продольной чувствительности проволока диаметром 20-50 мкм. выполняется в виде меандра (10-20 звеньев) и наклеивается на тонкую (до 0,1мм) подложку из специального материала.

Фольговые и пленочные тензодатчики выполняются с использованием методов фотолитографии и напыления. Для уменьшения поперечной тензочувствительности в топологии фольговых тензодатчиков делаются утолщения. при этом обычно поперечная чувствительность не превышает 0,1-0,2% от продольной.

Фольговые тензодатчики выполняются с высокой точностью и могут быть оптимизированы для решения задач определенного типа. Например, могут применяться тензодатчики с решетками, оси чувствительности которых ортогональны друг другу, что позволяет путем анализа соотношения изменения сопротивлений решеток судить о деформации плоскости образца в любом направлении.

Тензодатчики и датчики, построенные на использования тензометрического принципа действия могут быть использованы как для решения статических, так и для динамических задач.

При этом при выборе размера тензодатчика l0 исходят из того, что датчик должен иметь размер точечного зонда, чтобы регистрировать информацию в локальной точке образца. Следовательно его размеры должны быть меньше, чем деформационная волна в контролируемом образце:

, где — длина деформационной волны, V — скорость распространения ультразвука, f — частота колебаний. Для металла V составляет порядка 5 000 м/с, f max примем равным 50кГц, следовательно l0 должно быть меньше либо равно 10 мм.

При динамических деформациях величины продольных деформаций должны быть существенно ниже, чем при статических измерениях, исходя из соображений усталостной прочности материала.

На тензодатчики, и соответственно на точность измерений, проводимых с их использованием, существенное влияние оказывает температура.

Это обусловлено следующими факторами:

  • зависимостью удельного сопротивления материала тензодатчика от температуры;
  • зависимостью коэффициента объемного расширения материала от температуры;
  • разностью коэффициентов температурного расширения датчика, подложки, материала исследуемого образца.

Таким образом, сопротивление тензодатчика изменяется с изменением температуры даже при отсутствии воздействия сил на исследуемый образец.

Для решения задачи защиты от температурного воздействия используются различные методы термокомпенсации.

При изготовлении тензорезистров, фирмы производители используют специальные сплавы, минимизирующие влияние температурных воздействий в заданных интервалах температур.

Еще одним фактором, существенно влияющем на точность измерений в тензометрии, является способ крепления тензодатчика на образце. В настоящее время широкое распространение получила наклейка тензорезисторов. Для наклейки тензорезисторов используются специальные безусадочные клеи: циакрин, из отечественных — ВН-15Т, В-58Т, зарубежные фирмы предлагают специальные клеи для решения самого широкого спектра задач все они обладают хорошей адгезией в широком диапазоне температур.

В настоящее время также используются привариваемые тензорезисторы (в основном высокотемпературные), с использованием точечной сварки.

Тензорезисторы могут также заливаться в образец (в строительстве тензорезисторы могут заливаться в бетонные конструкции).

В целом, следует отметить, что сегодня тензометрия является высокоточной и высокотехнологичной областью измерений, нашедшей свое применение во многих областях науки и экспериментальной механики.

Грамотное построение тензометрического измерительного комплекса требует сегодня не только поверхностных знаний основных принципов действия датчиков и измерительных усилителей, но и опыта в их использовании.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: