Тензодатчик преобразует такую силу , как растяжение, сжатие, давление или крутящий момент , в сигнал (электрическое, пневматическое или гидравлическое давление или индикатор механического смещения), который можно измерить и стандартизировать. Это преобразователь силы . По мере увеличения силы, приложенной к тензодатчику, сигнал изменяется пропорционально. Наиболее распространенными типами датчиков силы являются пневматические, гидравлические и тензодатчики для промышленного применения. Типичные неэлектронные напольные весы являются широко распространенным примером индикатора механического смещения, в котором приложенный вес (сила) указывается путем измерения отклонения пружин, поддерживающих грузовую платформу, технически это «тензодатчик».
Тензодатчики чаще всего встречаются в промышленных условиях. Он идеален, поскольку отличается высокой точностью, универсальностью и экономичностью. Конструктивно тензодатчик имеет металлический корпус, к которому закреплены тензорезисторы. Корпус обычно изготавливается из алюминия, легированной стали или нержавеющей стали, что делает его очень прочным, но при этом минимально эластичным. Эта эластичность привела к появлению термина «пружинный элемент», обозначающего корпус тензодатчика. Когда на тензодатчик воздействует сила, пружинный элемент слегка деформируется и, если не перегружен, всегда возвращается к своей первоначальной форме. По мере деформации пружинного элемента тензорезисторы также меняют форму. Результирующее изменение сопротивления тензорезисторов можно измерить как напряжение. Изменение напряжения пропорционально величине силы, приложенной к ячейке, поэтому величину силы можно рассчитать по выходному сигналу тензодатчика.
Тензометр состоит из очень тонкой проволоки или фольги, уложенной в виде сетки и прикрепленной к гибкой подложке. При изменении формы тензорезистора происходит изменение его электрического сопротивления. Проволока или фольга в тензорезисторе устроена таким образом, что при приложении силы в одном направлении происходит линейное изменение сопротивления. Сила натяжения растягивает тензорезистор, заставляя его становиться тоньше и длиннее, что приводит к увеличению сопротивления. Сила сжатия действует наоборот. Тензорезистор сжимается, становится толще и короче, а сопротивление уменьшается. Тензорезистор прикреплен к гибкой подложке, что позволяет легко прикрепить его к тензодатчику, отражая мельчайшие изменения, подлежащие измерению.
Поскольку изменение сопротивления, измеренное одним тензодатчиком, чрезвычайно мало, точно измерить изменения сложно. Увеличение количества тензорезисторов, применяемых совместно, превращает эти небольшие изменения в нечто более измеримое. Набор из 4 тензорезисторов, установленных в определенной схеме, представляет собой применение 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 варьируется в зависимости от формы тензорезисторов. Если все резисторы сбалансированы, значение равно нулю. Если сопротивление хотя бы одного из резисторов изменится, то также изменится. Изменение можно измерить и интерпретировать с помощью закона Ома. Закон Ома гласит, что ток ( измеряется в амперах), протекающий по проводнику между двумя точками, прямо пропорционален напряжению в этих двух точках. Сопротивление ( , измеряемое в Омах) вводится в это соотношение как константа, не зависящая от тока. Закон Ома выражается уравнением .
Применительно к четырем ветвям мостовой схемы Уитстона результирующее уравнение имеет вид:
В тензодатчике резисторы заменены тензодатчиками и расположены в попеременном режиме растяжения и сжатия. Когда на тензодатчик воздействует сила, структура и сопротивление тензорезисторов изменяются и измеряются. Из полученных данных можно легко определить, используя приведенное выше уравнение. [1]
Существует несколько типов тензодатчиков: [2]
Цифровая емкостная технология основана на бесконтактном керамическом датчике, установленном внутри корпуса тензодатчика. Поскольку тензодатчик не содержит движущихся 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, стержней или устройств защиты от перегрузки, что, в свою очередь, устраняет необходимость в техническом обслуживании.
И емкостные, и тензодатчики весоизмерительных датчиков основаны на упругом элементе, который деформируется под действием измеряемой нагрузки. Материалом упругого элемента обычно является алюминий или нержавеющая сталь для датчиков веса, используемых в агрессивных промышленных условиях. Тензодатчик измеряет деформацию упругого элемента, а выходной сигнал датчика преобразуется электронной схемой в сигнал, представляющий нагрузку. Емкостные тензорезисторы измеряют деформацию упругого материала, используя изменение емкости двух пластин по мере их приближения друг к другу.
Емкостные датчики обладают более высокой чувствительностью по сравнению с тензодатчиками. Из-за гораздо более высокой чувствительности необходима гораздо меньшая деформация упругого элемента, и поэтому упругий элемент емкостного датчика нагрузки деформируется примерно в 5–10 раз меньше, чем упругий элемент тензодатчика. Элемент с низкой нагрузкой в сочетании с бесконтактным емкостным датчиком обеспечивает очень высокую ударопрочность и перегрузочную способность емкостного датчика нагрузки по сравнению с тензодатчиком. Это очевидное преимущество в промышленных условиях, особенно для датчиков веса малой мощности, где высок риск повреждения из-за ударов и перегрузок.
В стандартном аналоговом тензодатчике источник питания и аналоговый сигнал низкого уровня обычно передаются по довольно дорогому 6-проводному кабелю к контрольно-измерительным приборам, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал. Вместо этого цифровые емкостные датчики нагрузки передают цифровой сигнал обратно на приборы, которые можно разместить на расстоянии нескольких сотен метров, не влияя на показания.
Пневматический тензодатчик предназначен для автоматического регулирования балансировочного давления. Давление воздуха подается на один конец диафрагмы и выходит через сопло, расположенное в нижней части тензодатчика. К тензодатчику прикреплен манометр для измерения давления внутри ячейки. Отклонение диафрагмы влияет на поток воздуха через сопло, а также на давление внутри камеры.
Гидравлический тензодатчик использует традиционную конструкцию поршня и цилиндра, при этом поршень помещен в тонкую эластичную диафрагму. Поршень фактически не соприкасается с тензодатчиком. Механические упоры ставятся для предотвращения перенапряжения диафрагмы при превышении нагрузок определенного предела. Тензодатчик полностью заполнен маслом. Когда к поршню прилагается нагрузка, движение поршня и диафрагмы приводит к увеличению давления масла. Затем это давление передается на гидравлический манометр через шланг высокого давления. [4] Трубка Бурдона манометра измеряет давление и регистрирует его на циферблате. Поскольку этот датчик не имеет электрических компонентов, он идеально подходит для использования во взрывоопасных зонах. [5] Типичные применения гидравлических датчиков силы включают взвешивание резервуаров, бункеров и бункеров. [6] Например, гидравлический тензодатчик невосприимчив к переходным напряжениям (молнии), поэтому этот тип тензодатчиков может быть более эффективным устройством при работе на открытом воздухе. Эта технология дороже, чем другие типы датчиков веса. Это более дорогостоящая технология, и поэтому она не может эффективно конкурировать по стоимости приобретения. [7]
Тензодатчики с вибрирующей проволокой , которые полезны в геомеханических приложениях из-за небольшого дрейфа .
Емкостные тензодатчики — это тензодатчики, в которых емкость конденсатора изменяется по мере того, как нагрузка прижимает две обкладки конденсатора ближе друг к другу. Емкостные датчики нагрузки устойчивы к боковым силам по сравнению с тензодатчиками.
Пьезоэлектрические тензодатчики работают по тому же принципу деформации, что и тензодатчики, но выходное напряжение генерируется основным пьезоэлектрическим материалом, пропорционально деформации тензодатчика. Полезно для динамических/частых измерений силы. Большинство применений пьезотензодатчиков приходится на условия динамического нагружения, где тензодатчики могут выйти из строя при высоких циклах динамической нагрузки. Пьезоэлектрический эффект является динамическим, то есть электрический выходной сигнал датчика является импульсной функцией и не является статическим. Выходное напряжение полезно только при изменении напряжения и не измеряет статические значения.
Однако, в зависимости от используемой системы кондиционирования, может осуществляться «квазистатический» режим работы. Использование усилителя заряда с большой постоянной времени позволяет проводить точные измерения продолжительностью от многих минут для небольших нагрузок до многих часов для больших нагрузок. Еще одним преимуществом пьезоэлектрических датчиков силы, оснащенных усилителем заряда, является достижимый широкий диапазон измерений. Пользователи могут выбрать тензодатчик с диапазоном в сотни килоньютонов и использовать его для измерения силы в несколько ньютонов с тем же соотношением сигнал/шум; опять же это возможно только с использованием усилителя заряда для кондиционирования.
Мост возбуждается стабилизированным напряжением (обычно 10 В, но может быть 20 В, 5 В или меньше для приборов с батарейным питанием). Тогда на сигнальных выходах появляется разность напряжений, пропорциональная нагрузке. Выходная мощность элемента измеряется в милливольтах на вольт (мВ/В) разности напряжений при полной номинальной механической нагрузке. Таким образом, тензодатчик 2,96 мВ/В обеспечит 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.
Полномостовые ячейки обычно имеют четырехпроводную конфигурацию. Провода к верхнему и нижнему концу моста представляют собой возбуждение (часто обозначаются E+ и E- или Ex+ и Ex-), провода по бокам представляют собой сигнал (обозначаются S+ и S-). В идеале разница напряжений между S+ и S- равна нулю при нулевой нагрузке и растет пропорционально механической нагрузке весоизмерительного датчика.
Иногда используется шестипроводная конфигурация. Два дополнительных провода являются «чувствительными» (Sen+ и Sen-) и подключаются к мосту с проводами Ex+ и Ex- аналогично четырехконтактному датчику . С помощью этих дополнительных сигналов контроллер может компенсировать изменение сопротивления проводов из-за внешних факторов, например, колебаний температуры.
Отдельные резисторы моста обычно имеют сопротивление 350 Ом . Иногда встречаются другие значения (обычно 120 Ом, 1000 Ом).
Мост обычно электрически изолирован от подложки. Чувствительные элементы расположены в непосредственной близости и имеют хороший взаимный тепловой контакт, чтобы избежать дифференциальных сигналов, вызванных разницей температур.
Для измерения одной нагрузки можно использовать один или несколько датчиков веса.
Если силу можно сконцентрировать в одной точке (мелкое измерение, веревки, растягивающие нагрузки, точечные нагрузки), можно использовать одну ячейку. Для длинных балок используются две ячейки на конце. Вертикальные цилиндры можно измерять в трех точках, для прямоугольных объектов обычно требуется четыре датчика. Больше датчиков используется для больших контейнеров или платформ, а также для очень высоких грузов.
Если нагрузки гарантированно будут симметричными, некоторые датчики нагрузки можно заменить шарнирами. Это экономит стоимость тензодатчика, но может значительно снизить точность.
Тензодатчики можно подключать параллельно; в этом случае все соответствующие сигналы соединяются вместе (Ex+ с Ex+, S+ с S+, ...), и результирующий сигнал представляет собой среднее значение сигналов всех чувствительных элементов. Это часто используется, например, в персональных весах или других многоточечных датчиках веса.
Наиболее распространенное цветовое назначение: 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 также другие значения, например, красный для Ex+, зеленый для Ex-, желтый для S+ и синий для S-. [10]
Каждый тензодатчик подвержен «звону» при резких изменениях нагрузки. Это происходит из-за пружинистого поведения тензодатчиков. Для того чтобы измерить нагрузки, их приходится деформировать. Таким образом, датчик нагрузки конечной жесткости должен иметь пружинящее поведение, демонстрируя вибрации на своей собственной частоте . Колеблющийся образец данных может быть результатом звонка. Звон можно в ограниченной степени подавить пассивными средствами. Альтернативно, система управления может использовать привод для активного гашения звона тензодатчика. 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 установила датчики веса в гнездах из стекловолокна для взвешивания птенцов альбатросов . [13] Тензодатчики используются в самых разных устройствах, таких как семистоечный вибростенд , который часто используется для настройки гоночных автомобилей.
Тензодатчики обычно используются для измерения веса в промышленной среде. Их можно устанавливать на бункерах, реакторах и т.п., чтобы контролировать их весовую вместимость, что зачастую имеет решающее значение для промышленного процесса. Некоторые рабочие характеристики весовых ячеек должны быть определены и указаны, чтобы гарантировать, что они справятся с ожидаемой работой. К числу таких конструктивных особенностей относятся:
Электрические, физические и экологические характеристики весоизмерительного датчика помогают определить, для каких применений он подходит. Общие характеристики включают: [14]
Тензодатчики являются неотъемлемой частью большинства систем взвешивания в промышленной, аэрокосмической и автомобильной промышленности и выдерживают суровые условия ежедневного использования. Со временем тензодатчики будут смещаться, стареть и смещаться; поэтому их необходимо будет регулярно калибровать, чтобы гарантировать получение точных результатов. [15] ISO9000 и большинство других стандартов определяют максимальный период от 18 месяцев до 2 лет между процедурами повторной калибровки, в зависимости от уровня износа весоизмерительных датчиков. Многие пользователи датчиков веса считают ежегодную повторную калибровку лучшей практикой для обеспечения наиболее точных измерений.
В стандартных калибровочных испытаниях в качестве руководства по калибровке будут использоваться линейность и повторяемость, поскольку они оба используются для определения точности. Калибровка проводится поэтапно, начиная работу в порядке возрастания или убывания. Например, в случае датчика веса 60 тонн можно использовать специальные испытательные гири 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 в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )