Датчик нагрузки преобразует силу, такую как растяжение, сжатие, давление или крутящий момент, в сигнал (электрическое, пневматическое или гидравлическое давление или механический индикатор смещения), который можно измерить и стандартизировать. Это преобразователь силы . По мере увеличения силы, приложенной к датчику нагрузки, сигнал изменяется пропорционально. Наиболее распространенными типами датчиков нагрузки являются пневматические, гидравлические и тензодатчики для промышленного применения. Типичные неэлектронные напольные весы являются распространенным примером механического индикатора смещения, где приложенный вес (сила) указывается путем измерения прогиба пружин, поддерживающих грузовую платформу, технически «датчик нагрузки».
Тензодатчики нагрузки чаще всего встречаются в промышленных условиях. Они идеальны, поскольку они высокоточны, универсальны и экономичны. Конструктивно тензодатчик имеет металлический корпус, к которому прикреплены тензодатчики. Корпус обычно изготавливается из алюминия, легированной стали или нержавеющей стали, что делает его очень прочным, но также минимально эластичным. Эта эластичность дает начало термину «пружинный элемент», относящемуся к корпусу тензодатчика. Когда на тензодатчик действует сила, пружинный элемент слегка деформируется и, если не перегружен, всегда возвращается к своей первоначальной форме. По мере деформации пружинного элемента тензодатчики также меняют форму. Результирующее изменение сопротивления в тензодатчиках можно измерить как напряжение. Изменение напряжения пропорционально величине силы, приложенной к ячейке, таким образом, величину силы можно рассчитать по выходному сигналу тензодатчика.
Тензодатчик изготовлен из очень тонкой проволоки или фольги, установленной в виде сетки и прикрепленной к гибкой подложке. При изменении формы тензодатчика происходит изменение его электрического сопротивления. Проволока или фольга в тензодатчике расположены таким образом, что при приложении силы в одном направлении происходит линейное изменение сопротивления. Сила натяжения растягивает тензодатчик, заставляя его становиться тоньше и длиннее, что приводит к увеличению сопротивления. Сила сжатия делает противоположное. Тензодатчик сжимается, становится толще и короче, а сопротивление уменьшается. Тензодатчик прикреплен к гибкой подложке, что позволяет легко прикладывать его к тензодатчику, отражая мельчайшие изменения, которые необходимо измерить.
Поскольку изменение сопротивления, измеренное одним тензодатчиком, чрезвычайно мало, трудно точно измерить изменения. Увеличение числа тензодатчиков, применяемых совместно, увеличивает эти небольшие изменения до чего-то более измеримого. Набор из 4 тензодатчиков, установленных в определенной схеме, является применением моста Уитстона .
Мост Уитстона представляет собой конфигурацию из четырех сбалансированных резисторов с известным напряжением возбуждения, приложенным, как показано ниже:
Напряжение возбуждения является известной константой, а выходное напряжение является переменным в зависимости от формы тензодатчиков. Если все резисторы сбалансированы, то значение равно нулю. Если сопротивление хотя бы одного из резисторов изменяется, то также изменится. Изменение можно измерить и интерпретировать с помощью закона Ома. Закон Ома гласит, что ток ( , измеряется в амперах), протекающий через проводник между двумя точками, прямо пропорционален напряжению в этих двух точках. Сопротивление ( , измеряется в омах) вводится как константа в этом соотношении, не зависящая от тока. Закон Ома выражается уравнением .
Применительно к 4 ветвям мостовой схемы Уитстона получаем следующее уравнение:
В датчике нагрузки резисторы заменены тензодатчиками и расположены в чередующемся напряжении и сжатии. Когда на датчик нагрузки воздействует сила, структура и сопротивление тензодатчиков изменяются и измеряются. Из полученных данных можно легко определить с помощью уравнения выше. [1]
Существует несколько типов тензодатчиков: [2]
Цифровая емкостная технология основана на бесконтактном керамическом датчике, установленном внутри корпуса тензодатчика. Поскольку тензодатчик не содержит подвижных частей, а керамический датчик не контактирует с корпусом тензодатчика, тензодатчик выдерживает очень высокие перегрузки (до 1000%), боковые нагрузки, кручение и паразитные сварочные напряжения. [3] Это позволяет легко устанавливать тензодатчики без дорогостоящих и сложных монтажных комплектов, распорных стержней или устройств защиты от перегрузки, что в свою очередь устраняет необходимость в техническом обслуживании.
Емкостные и тензодатчики нагрузки используют упругий элемент, который деформируется измеряемой нагрузкой. Материалом, используемым для упругого элемента, обычно является алюминий или нержавеющая сталь для тензодатчиков, используемых в коррозионных промышленных приложениях. Тензодатчик измеряет деформацию упругого элемента, а выходной сигнал датчика преобразуется электронной схемой в сигнал, представляющий нагрузку. Емкостные тензодатчики измеряют деформацию упругого материала, используя изменение емкости двух пластин по мере их сближения.
Емкостные датчики обладают высокой чувствительностью по сравнению с тензодатчиками. Из-за гораздо более высокой чувствительности требуется гораздо меньшая деформация упругого элемента, и упругий элемент емкостного тензодатчика, таким образом, напрягается примерно в 5-10 раз меньше, чем упругий элемент тензодатчика. Низкая деформация элемента в сочетании с тем фактом, что емкостный датчик является бесконтактным, обеспечивает очень высокую ударопрочность и перегрузочную способность емкостного тензодатчика по сравнению с тензодатчиком. Это очевидное преимущество в промышленных условиях и особенно для тензодатчиков с меньшей емкостью, где риск повреждения из-за ударов и перегрузок высок.
В стандартном аналоговом тензодатчике, питание и аналоговый сигнал низкого уровня обычно передаются через довольно дорогой 6-проводной кабель к прибору, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал. Вместо этого, цифровые емкостные датчики нагрузки передают цифровой сигнал обратно к прибору, который может быть размещен на расстоянии нескольких сотен метров, не влияя на показания.
Пневматический датчик нагрузки предназначен для автоматического регулирования давления балансировки. Давление воздуха подается на один конец диафрагмы и выходит через сопло, расположенное в нижней части датчика нагрузки. К датчику нагрузки прикреплен манометр для измерения давления внутри ячейки. Отклонение диафрагмы влияет на поток воздуха через сопло, а также на давление внутри камеры.
Гидравлический тензодатчик использует обычную конструкцию поршня и цилиндра, при этом поршень помещен в тонкую эластичную диафрагму. Поршень фактически не контактирует с тензодатчиком. Механические упоры установлены для предотвращения перенапряжения диафрагмы, когда нагрузки превышают определенный предел. Тензодатчик полностью заполнен маслом. Когда нагрузка прикладывается к поршню, движение поршня и диафрагмы приводит к увеличению давления масла. Затем это давление передается на гидравлический манометр через шланг высокого давления. [4] Трубка Бурдона манометра определяет давление и регистрирует его на циферблате. Поскольку этот датчик не имеет электрических компонентов, он идеально подходит для использования в опасных зонах. [5] Типичные области применения гидравлических тензодатчиков включают взвешивание резервуаров, бункеров и бункеров. [6] Например, гидравлический тензодатчик невосприимчив к переходным напряжениям (молниям), поэтому этот тип тензодатчиков может быть более эффективным устройством в условиях открытого воздуха. Эта технология дороже, чем другие типы тензодатчиков. Это более дорогостоящая технология и, таким образом, она не может эффективно конкурировать по стоимости покупки. [7]
Вибрационные проволочные тензодатчики, которые полезны в геомеханических приложениях из-за низкого уровня дрейфа ,
Емкостные тензодатчики — это тензодатчики, в которых емкость конденсатора изменяется по мере того, как нагрузка прижимает две пластины конденсатора ближе друг к другу. Емкостные тензодатчики устойчивы к боковым силам по сравнению с тензодатчиками.
Пьезоэлектрические датчики нагрузки работают по тому же принципу деформации, что и тензодатчики нагрузки, но выходное напряжение генерируется основным пьезоэлектрическим материалом — пропорционально деформации тензодатчика. Полезно для динамических/частых измерений силы. Большинство применений пьезодатчиков нагрузки находятся в условиях динамической нагрузки, где тензодатчики нагрузки могут выйти из строя при высоких циклах динамической нагрузки. Пьезоэлектрический эффект является динамическим, то есть электрический выход датчика является импульсной функцией и не является статическим. Выходное напряжение полезно только при изменении деформации и не измеряет статические значения.
Однако, в зависимости от используемой системы кондиционирования, может быть выполнена «квазистатическая» операция. Использование усилителя заряда с большой постоянной времени позволяет проводить точные измерения, длящиеся от многих минут для малых нагрузок до многих часов для больших нагрузок. Другим преимуществом пьезоэлектрических тензодатчиков, кондиционированных с помощью усилителя заряда, является широкий диапазон измерений, который может быть достигнут. Пользователи могут выбрать тензодатчик с диапазоном в сотни килоньютонов и использовать его для измерения нескольких ньютонов силы с тем же отношением сигнал/шум; опять же, это возможно только при использовании усилителя заряда для кондиционирования.
Мост возбуждается стабилизированным напряжением (обычно 10 В, но может быть 20 В, 5 В или меньше для приборов с питанием от батареи). Затем на выходах сигнала появляется разностное напряжение, пропорциональное нагрузке. Выход ячейки оценивается в милливольтах на вольт (мВ/В) разностного напряжения при полной номинальной механической нагрузке. Таким образом, тензодатчик 2,96 мВ/В будет обеспечивать сигнал 29,6 милливольт при полной нагрузке при возбуждении 10 вольт.
Типичные значения чувствительности составляют от 1 до 3 мВ/В. Типичное максимальное напряжение возбуждения составляет около 15 вольт.
Ячейки полного моста обычно имеют четырехпроводную конфигурацию. Провода к верхнему и нижнему концу моста являются возбуждением (часто обозначаются как E+ и E−, или Ex+ и Ex−), провода к его сторонам являются сигналом (обозначаются как S+ и S−). В идеале разность напряжений между S+ и S− равна нулю при нулевой нагрузке и растет пропорционально механической нагрузке тензодатчика.
Иногда используется шестипроводная конфигурация. Два дополнительных провода являются «чувствительными» (Sen+ и Sen−) и подключаются к мосту с проводами Ex+ и Ex-, аналогично четырехконтактному считыванию . С помощью этих дополнительных сигналов контроллер может компенсировать изменение сопротивления провода из-за внешних факторов, например, колебаний температуры.
Отдельные резисторы на мосту обычно имеют сопротивление 350 Ом . Иногда могут встречаться и другие значения (обычно 120 Ом, 1000 Ом).
Мост обычно электрически изолирован от подложки. Чувствительные элементы находятся в непосредственной близости и в хорошем взаимном тепловом контакте, чтобы избежать дифференциальных сигналов, вызванных разницей температур.
Для измерения одной нагрузки можно использовать один или несколько тензодатчиков.
Если силу можно сконцентрировать в одной точке (измерение малых масштабов, тросы, растягивающие нагрузки, точечные нагрузки), можно использовать одну ячейку. Для длинных балок используются две ячейки на конце. Вертикальные цилиндры можно измерять в трех точках, прямоугольные объекты обычно требуют четырех датчиков. Больше датчиков используется для больших контейнеров или платформ или очень высоких нагрузок.
Если нагрузки гарантированно симметричны, некоторые тензодатчики можно заменить шарнирами. Это экономит стоимость тензодатчика, но может значительно снизить точность.
Тензодатчики могут быть подключены параллельно; в этом случае все соответствующие сигналы соединены вместе (Ex+ к Ex+, S+ к S+, ...), и результирующий сигнал является средним значением сигналов от всех чувствительных элементов. Это часто используется, например, в персональных весах или других многоточечных датчиках веса.
Наиболее распространенное цветовое обозначение: красный для Ex+, черный для Ex−, зеленый для S+ и белый для S−.
Менее распространенные назначения: красный для Ex+, белый для Ex−, зеленый для S+ и синий для S−, или красный для Ex+, синий для Ex−, зеленый для S+ и желтый для S−. [9] Возможны и другие значения, например, красный для Ex+, зеленый для Ex−, желтый для S+ и синий для S−. [10]
Каждый датчик нагрузки подвержен «звону» при резком изменении нагрузки. Это происходит из-за пружинообразного поведения датчиков нагрузки. Чтобы измерить нагрузку, они должны деформироваться. Таким образом, датчик нагрузки с конечной жесткостью должен иметь пружинообразное поведение, демонстрируя вибрации на своей собственной частоте . Колеблющийся шаблон данных может быть результатом звона. Звон может быть подавлен ограниченным образом пассивными средствами. В качестве альтернативы система управления может использовать привод для активного гашения звона датчика нагрузки. Этот метод обеспечивает лучшую производительность за счет значительного увеличения сложности.
Тензодатчики используются в нескольких типах измерительных приборов, таких как лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы [11] и универсальные испытательные машины . [12] С 1993 года Британская антарктическая служба устанавливала тензодатчики в гнездах из стекловолокна для взвешивания птенцов альбатросов . [13] Тензодатчики используются в самых разных изделиях, таких как семистоечный вибратор , который часто используется для настройки гоночных автомобилей.
Датчики веса обычно используются для измерения веса в промышленной среде. Их можно устанавливать на бункерах, реакторах и т. д. для контроля их грузоподъемности, что часто имеет решающее значение для промышленного процесса. Некоторые эксплуатационные характеристики датчиков веса должны быть определены и указаны, чтобы убедиться, что они справятся с ожидаемой работой. Среди этих конструктивных характеристик:
Электрические, физические и экологические характеристики тензодатчика помогают определить, для каких приложений он подходит. Общие характеристики включают: [14]
Тензодатчики являются неотъемлемой частью большинства систем взвешивания в промышленной, аэрокосмической и автомобильной промышленности, выдерживая ежедневное интенсивное использование. Со временем тензодатчики дрейфуют, стареют и разбалансируются; поэтому их необходимо регулярно калибровать, чтобы гарантировать сохранение точности результатов. [15] ISO9000 и большинство других стандартов указывают максимальный период от 18 месяцев до 2 лет между процедурами повторной калибровки, в зависимости от степени износа тензодатчика. Ежегодная повторная калибровка считается многими пользователями тензодатчиков наилучшей практикой для обеспечения наиболее точных измерений.
Стандартные калибровочные тесты будут использовать линейность и повторяемость в качестве калибровочного руководства, поскольку оба они используются для определения точности. Калибровка проводится постепенно, начиная работу в порядке возрастания или убывания. Например, в случае 60-тонного тензодатчика могут использоваться определенные тестовые веса, которые измеряются с шагом 5, 10, 20, 40 и 60 тонн; пятиэтапного процесса калибровки обычно достаточно для обеспечения точной калибровки устройства. Для получения стабильных результатов рекомендуется повторить эту пятиэтапную процедуру калибровки 2-3 раза. [16]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )