Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Системи контролю проводять постійне спостереження за станом різних механізмів, положенням робочих органів і, зокрема, контролюють вагу. Для вимірювання величини ваги та подальшого застосування даних у логічних схемах встановлюється тензометричний датчик (тензодатчик). Що це таке і як він працює, ми розглянемо в даній статті.

Що таке тензодатчик?

Тензометричний датчик, відповідно до п.2.1.2 ГОСТ 8.631-2013, є ваговимірювальним елементом, який реагує на зміну величини фізичного впливу (зусилля) і переводить його в електричний сигнал.Фактично це резистор, що змінює параметр омічного опору, по відношенню до сили, що додається. На практиці широко використовуються для вимірювання маси та навантаження у ваговимірювальних системах. Залежно від сфери застосування використовуються різні типи тензодатчиків, що відрізняються як принципом дії, так і конструктивними особливостями.

Конструкція

Як приклад розглянемо найбільш простий варіант тензодатчика, де в ролі чутливого елемента виступає тензорезистор. Конструктивно його можна подати у вигляді тонкого пружного дроту або плівки, розподіленої по контрольованій поверхні.

Робота тензорезистора ґрунтується на законі Гука, що свідчить, що зміна електричного опору по відношенню до вихідного положення елемента пропорційно подовженню або стиску сенсора. Керуючись цим принципом визначається коефіцієнт пропорційності:

K=Δl / l=ΔR / R

Де:

  • K - коефіцієнт пропорційності;
  • Δl - величина зміни довжини в ході деформації;
  • l - довжина вимірюваного елемента у стані спокою;
  • ΔR - зміна величини опору при деформації;
  • R - значення опору тензорезистора в нормальному положенні.

На практиці це реалізується так (рисунок 1):

Мал. 1. Влаштування тензорезистора

При знаходженні в стані спокою доріжки тензорезистора мають певний перетин та довжину провідника. Опір всього резистивного елемента тензодатчика визначатиметься за формулою:

R=(ρl)/S , де

  • ρ - питомий опір матеріалу, як правило, як метал з постійним питомим опором використовують константан;
  • l - довжина провідника тензодатчика;
  • S - поперечний переріз провідника тензодатчика.

Таким чином, у разі подовження тензодатчика довжина доріжок, що проводять, збільшується, а поперечний переріз зменшується. Як результат, омічний опір тензорезистора підвищуватиметься. При стисканні відбудеться зворотний процес - довжина провідних елементів зменшиться, а їх поперечний переріз збільшиться. В результаті стиснення опір тензодатчика зменшиться, що лежить в основі принципу його роботи.

Принцип роботи

У більшості випадків тензодатчик функціонує не від одного тензорезистора, а включає мостову вимірювальну схему. Такий принцип отримав назву моста Уітстона і реалізується так (рисунок 2):

Мал. 2. Принцип дії тензодатчика

Як бачите на малюнку, в плечі моста включено чотири тензорезистори, які розташовані на гнучкій підкладці, що забезпечує їм пружну деформацію в ході вимірювань.Всі резистивні елементи тензодатчика підбираються рівнозначними, що забезпечує на виході в стані спокою нульове значення різниці потенціалів в точках + S і - S. Це означає, що в ненавантаженому ідеальному тензодатчику не протікатиме струм у вихідному ланцюгу вимірювального приладу. У реальному пристрої все одно існує струмове навантаження через конструктивні відмінності резистивних деталей, температурних коливань.

Як тільки до вимірювального органу приладу буде прикладено механічне навантаження, гнучка основа деформується, від чого зміняться робочі параметри всіх резисторів у ланцюзі моста тензодатчика. У більшості випадків попарно відбувається стиснення та розтягування тензорезисторів (рисунок 3):

Мал. 3. Вплив навантаження на тензодатчик

Як бачите, на малюнку два резистори стискаються, а інші два розтягуються, внаслідок чого відбувається спотворення моста. Електричний ланцюг виходить із рівноваги і через вихід тензодатчика починає протікати електричний струм.Про що свідчить відхилення стрілки гальванометра або дисплей обладнання, що реагує на зміну різниці потенціалів. Як тільки навантаження перестане впливати на тензодатчик, гнучка пластина повернеться у вихідний стан, а вимірювальний міст знову перейде в стан рівноваги.

На цьому прикладі ми розглянули найпростіший варіант чотирипровідного тензометричного датчика. Але на практиці також використовуються п'яти та шестипровідні ваговимірювальні сенсори, що обумовлено типом конкретного пристрою.

Типи

Сфера застосування тензометричних датчиків охоплює ряд пристроїв різного призначення. Тому для вимірювання величини фізичної дії застосовуються тензодатчики різних типів. Поділ сенсорів за видами здійснюється на підставі кількох факторів.

Мал. 4. Типи датчиків за формою вантажоприймальної основи

Так, залежно від форми вантажоприймальної основи виділяють:

  • Консольні (балочні) - встановлюються в деяких типах ваг, при зважуванні контейнерів і т.д.;
  • S-подібні - застосовуються для вимірювання вантажів, що піднімаються;
  • Мембранні - використовуються в системах контролю, високоточних вимірювачах і т.д.;
  • Колонні - монтуються в обладнанні з великою масою;

Залежно від виду методу вимірювання всі тензодатчики поділяються на:

  • Резистивні - в основі роботи лежить тензорезистор або міст із них, розташований на гнучкій основі. Такий тензодатчик кріпиться до поверхні вимірювача та реагує на механічні деформації. Відповідно до п.1.1 ГОСТ 21616-91 поділяються на дротяні та фольговані. За кількістю та формою поділяються на одиночні, розетки, ланцюжки, мембранні розетки.
  • Тактильні - складаються з двох провідників, між якими розташована перфорована плівка діелектрика.При натисканні провідники продавлюють м'який діелектрик і забезпечують деяку провідність, чим змінюється величина опору. За типом вимірювання бувають датчики торкання, прослизання, зусилля.
  • П'єзорезонансні - засновані на напівпровідникових елементах, у таких тензодатчиках відбувається порівняння реального сигналу з еталонним.
  • П'єзоелектричні - засновані на власному напрузі виходу електронів деяких напівпровідникових кристалів. При дії зусилля на кристал змінюється і величина зарядів, що передається на вимірювальний орган тензодатчика.
  • Магнітні - використовують властивість магнітних провідників змінювати величину магнітної проникності залежно від фізичних параметрів. При стисненні або розтягуванні сердечника електромагнітний потік, що формується котушкою, буде змінюватися. Внаслідок чого індуктивність тензодатчика також відхилиться від зразкового стану.
  • Ємнісні - використовують ефект змінного конденсатора, в якому зі зменшенням відстані між пластинами зростатиме ємність. А при збільшенні відстані або зменшенні площі пластин ємність зменшиться.
Мал. 5. Принцип дії ємнісного тензодатчика

Відповідно до п.1.2 ГОСТ 28836-90 за характером докладеного зусилля тензодатчики можна розділити на ті, які реагують на стиснення, розтягування та універсальні.

Схеми підключення

На практиці застосовуються різні способи підключення тензодатчика до загального ланцюга. Найбільш простий варіант - схема чотирипровідного підключення, яка наведена на малюнку 6 нижче:

Мал. 6. Чотирипровідна схема підключення

У даному випадку схема підключення передбачає суворе дотримання кольорового маркування проводів: червоного та білого для подачі напруги живлення, а чорного та зеленого для знімання сигналу. П'ятий провід використовується для заземлення корпусу обладнання, деякі моделі використовують екран для усунення перешкод. Такий варіант застосовується для силових датчиків, слаботочного обладнання, яке встановлюється безпосередньо в місці вимірювання та фіксації результату.Насправді може реалізуватися так:

Мал. 7. Практична реалізація чотирипровідної схеми підключення

Коли ваговимірювальний блок віддалений від контрольного блоку, використовується шестипровідна схема для виключення впливу омічного опору проводів живлення на результат вимірювань.

Мал. 8. Шестипровідна схема з ланцюгом зворотного зв'язку

Висновки + E та - E застосовуються для подачі напруги живлення на тензодатчик. З клем + Sen - Sen знімається падіння напруги на проводах, яке потім віднімається з результуючого сигналу. Контакти + S і - S використовуються для знімання показань, функція віднімання реалізується так:

Мал. 9. Практична реалізація віднімання напруги

Призначення

Тензодатчик встановлюється у різних приладах та пристосуваннях для відстеження реакції на фізичну дію. На сьогоднішній день сфера його застосування охоплює різні галузі промисловості та народного господарства, де він використовується для:

  • Вимірювання ваги - встановлюється в електронних вагах різного типу.
  • Визначення прискорення - застосовується при випробуванні транспортних засобів.
  • Вимірювання тиску - поширене у сфері обробки поверхонь, при контролі зусилля, що додається, в механічних засобах і т.д.
  • Контролю переміщення - фіксують переміщення будівельних елементів, фундаментів, сейсмологічних пристроїв і т.д.
  • Вимірювання крутного моменту - застосовується в машинобудівній галузі, для технічного обслуговування та інших.

Як вибрати?

При виборі моделі для вимірювання будь-якого фізичного зусилля або ваги необхідно керуватися основними параметрами сенсора. До таких характеристик належать:

  • Діапазон вимірювань - визначає межі вагового навантаження, яке зможе фіксувати тензодатчик;
  • Клас точності - вибирається в залежності від параметрів обладнання та вимог до точності вимірювань;
  • Схема підключення - за кількістю висновків, що підключаються, може використовуватися чотири або шестипровідна схема;
  • Термокомпенсація - для тензодатчиків, де необхідна висока точність вимірювань, важливо враховувати вплив температури навколишнього середовища, застосовуються термокомпенсуючі елементи;
  • Ступінь захисту - позначається індексом IP і визначає стійкість до впливу пилу та вологи на тензодатчик.

Список використаної літератури

    Клокова Н.П. «Тензорезистори: Теорія, методики розрахунку, розробки» 1990
  1. Фрайден Дж. «Сучасні датчики. Довідник» 2005
  2. Клокова Н.П. «Тензодатчики для вимірювань за підвищених температур» 1965
  3. Пучкін Б.І. «Тендодатчики опору, що приклеюються» 1966
  4. Іллінська Л.С., Підмарьков А. «Напівпровідникові тензодатчики» 1966

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Електрик