Датчики давления тензометрические: принцип действия, описание, виды, схемы

принцип действия, описание, виды, схемы

Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Виды

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

• С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
• Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
• Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

1. Плоский проволочный.
2. Фольговый.
3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
4. Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

• Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
• Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
• S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

• Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
• Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
• Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
• Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги.  Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

• Высокое сопротивление ползучести.
• Отсутствие гистерезиса.
• Влагостойкость.
• Адгезионная способность.
• Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой    индикацией.

Измерение крутящего момента

Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

• Быстрое время отклика;
• Простота компенсации температурных эффектов;
• Малая чувствительность к динамическим воздействиям.

Недостатки:

• Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
• Снижение точности показаний при вибрациях;
• Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
• Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

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

Где:

• 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:

R = (ρ*l)/S , где

• 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.

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.

Типы

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:

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.

Список использованной литературы

1. Клокова Н.П. «Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки» 1990
2. Фрайден Дж. «Современные датчики. Справочник» 2005
3. Клокова Н.П. «Тензодатчики для измерений при повышенных температурах» 1965
4. Пучкин Б.И. «Приклеиваемые тензодатчики сопротивления» 1966
5. Ильинская Л.С., Подмарьков А. «Полупроводниковые тензодатчики» 1966

принцип работы и подключение тензометрического датчика

«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.

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 цифровой тензодатчик

Что такое цифровой тензодатчик и чем он отличается от обычного аналогового

Цифровой тензометрический датчик — это измерительное тензорезистивное устройство, которое в результате измерения выдает оцифрованный сигнал. То есть результатом измерения тензодатчика с цифровым выходом становится не регистрация физических характеристик тензорезистора — изменения его сопротивления, а число, представленное в виде многоразрядного двоичного кода.

Наглядная разница между цифровым и аналоговым сигналом
Аналоговый сигнал	Цифровой сигнал

Если касаться внутреннего устройства, то цифровой тензодатчик — это тот же самый аналоговый датчик, только оборудованный АЦП — аналогово-цифровым преобразователем. Если из цифрового датчика вытащить АЦП, то он станет аналоговым и полностью сохранит свою работоспособность (точнее, сохранил бы, если бы это можно было сделать, не повредив корпус). Внешне они тоже ничем не отличаются друг от друга, разве что шильдой и этикеткой:

Цифровой тензодатчик HBM C16i	Аналоговый тензодатчик HBM C16A

Справочная информация

Вообще, аналогово-цифровой преобразователь — это не специфическое оборудование, которое используется только в весоизмерительной технике. Это очень распространенный тип приборов, который предназначен для оцифровки любого сигнала. В частности, звуковая карта вашего компьютера — это тоже разновидность АЦП.

АЦП для электронных весов	Это тоже АЦП, только для оцифровки звука

Что лучше — аналоговый или цифровой тензодатчик

Существует распространенное мнение, что тензометрические датчики с цифровым выходом лучше, чем обычные аналоговые модели. Но, на самом деле, это вопрос очень неоднозначный. Конечно, у каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Нюанс в том, что различия лежат в очень специфической области и, за редким исключением, они ни на что не влияют.

Давайте разбираться со всеми пунктами по порядку.

Заблуждения про цифровые тензодатчики

Про тензодатчики с цифровым выходом ходит много неверных предположений и домыслов, которые можно встретить даже на авторитетных ресурсах:

Заблуждение	Как обстоит на самом деле
Цифровой тензометрический датчик является отдельным типом измерительного датчиков, принципиально отличающимся от обычных аналоговых моделей.	Как уже было сказано выше, цифровой тензометрический датчик — это тот же самый аналоговый тензодатчик, на котором установлен преобразователь выходного сигнала (АЦП). В случае с аналоговым датчиком функцию АЦП на себя берет весовой терминал.
Цифровые тензодатчики точнее аналоговых моделей.	Цифровые тензодатчики имеют такую же точность, как и обычные аналоговые. Более того, это утверждение в принципе бессмысленно. Если тензодатчик сертифицирован на какой-нибудь класс точности, например C3, то вообще не имеет значения марка производителя и тип тензодатчика. Он не может быть более или менее точнее, чем другой датчик класса C3.
Цифровые тензометрические датчики меньше по размерам	Цифровые и аналоговые тензодатчики одной серии изготавливаются в одинаковом корпусе. Даже если предположить, что тип датчика влияет на его размер, то цифровой датчик будет больше, так как он дополнительно включает в себя микросхему АЦП.
Весы на цифровых тензодатчиках не надо перекалибровывать в случае выхода из строя цифровых элементов	С одной стороны, цифровые тензодатчики идут уже настроенные и не требуют калибровки при установке. Достаточно ввести нужный коэффициент в программное обеспечение весового терминала. Но весы, на которых произошла замена тензометрического датчика, автоматически лишаются сертификата о поверке. Так что поверять весы придется в любом случае.

Справочная информация

Из всего вышесказанного можно сделать любопытный вывод — цифровой тензометрический датчик уже сам по себе является весами, на которых нет устройства вывода информации — дисплея или чекопечатающего принтера. Причем это поправимо — через специализированное программное обеспечение можно подключить тензодатчики и к тому, и к другому.

Преимущества цифровых тензометрических датчиков

Основными преимуществами тензодатчиков с цифровым выходом являются:

Высокая помехоустойчивость сигнала	Сигнал может передаваться без потери качества на расстояние до 1200 м. Как было сказано выше, это очень специфическое преимущество — возможность поставить весы за километр от терминала и на практике никем не используется
Возможность определить нагрузку на каждый тензодатчик в отдельности	Потенциально это преимущество может расширить возможности весового оборудования, но этот вопрос волнует скорее производителей, чем пользователей электронных весов. Практического применения этому свойству пока нет.
Простота замены и калибровки	Это, пожалуй, самый главный плюс весового оборудования на цифровых тензодатчиках. Если для Вас критично бесперебойное использование весов, а их простаивание даже в течение пары суток несет значительные убытки, то это — однозначно Ваш выбор. Проблема в том, что высокая скорость замены и ввода в строй весового оборудования полностью нивелируется необходимостью заново его поверять.

Внимание!

После замены любого тензодатчика весы необходимо заново поверять. При этом не имеет значения — цифровой это датчик или аналоговый.

Недостатки цифровых тензодатчиков

К недостаткам тензометрических датчиков с цифровым выходом можно отнести:

Последовательная передача сигнала	Это обратная сторона возможности определить нагрузку на каждый датчик в весах. В отличие от аналоговых датчиков, где сигнал передается одновременно и суммируется в соединительной коробке, система из цифровых тензодатчиков передает сигнал по очереди от каждого датчика. В результате увеличивается время обработки сигнала. Это не существенно на весах статического взвешивания, но в высокоскоростных системах динамического взвешивания этот фактор становится критичным — скорость обработки сигнала не успевает за скоростью подачи грузов. Поэтому цифровые тензодатчики практически не используются в чеквейерах и конвейерных весах.
Стоимость цифровых тензодатчиков	Цена на цифровые тензометрические датчики выше, чем на их аналоговые копии
Взаимозаменяемость цифровых тензодатчиков	Цифровые тензометрические датчики не взаимозаменяемы с моделями других производителей. И могут работать только с одним — специально для них созданным — весовым терминалом.

Цифровые тензодатчики Keli

Тензометрические датчики производства Keli Sensing Technology (Ningbo) Co. имеют специальную маркировку в своем наименовании — литеру D. Например, ZSFY-AD20t.

В модельном ряде тензорезистивных датчиков Кели большинство позиций имеют модификации как в цифровом исполнении, так и в аналоговом.

Цифровые тензодатчики HBM

Немецкая корпорация Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH также имеет цифровые датчики в своем модельном ряду.

Самой большой популярностью пользуется датчик C16i. Литера i обозначает, что это «цифра» (аналоговый тензодатчик называется C16A).

Ссылка на статью открывается в новом окне

Подробнее про тензодатчик C16

Купить цифровые тензодатчики

Мы предлагаем купить тензодатчики с цифровым выходом по выгодной цене со склада и под заказ. Широкий выбор, наличие сотен позиций на складе, прямые поставки из Китая и стран Европы.

Любой вид цифровых датчиков — колонные, сильфонные, балочные, s-образные, двухопорная балка и мембранные — на любую нагрузку от 1 килограмма до 500 тонн.

Доставка по всей территории России, Белоруссии и Казахстана — Москва, Минск, Астана, Алма-Ата, Караганда, Псков, Нижний Новгород, Омск, Челябинск, Уренгой, Саратов, Элиста, Красноярск, Самара, Калининград, Магадан, Рязань, Иркутск, Новосибирск, Пермь, Тюмень.

Все тензодатчики имеют гарантию производителя.

Компания Модуль – Ваш персональный инженер в мире измерительного оборудования!
Узнать наличие тензодатчиков на складе

Как работают датчики деформации?

Тем не менее что же такое напряжение?

«Вы чувствуете напряжение? Напряги все силы! Не напрягайся!» В быту мы применяем эти понятия, закладывая в них иной смысл, нежели их принято применять в науке. Более того, это понятие оказалось настолько универсальным, что несколько разделов науки с удовольствием оперирует термином «напряжение». Оно может быть электрическим и измеряется в вольтах, а может быть механическим. Именно механическому напряжению посвящена данная статья.

Напряжение – это измерение того, какое внутреннее давление создается в материале, когда на него действует внешняя сила. Чем больше сила или меньше площадь, на которую она действует, тем больше вероятность того, что материал будет деформироваться (менять форму). Подобно давлению, мы измеряем напряжение путем деления силы, действующей на определенную область, на площадь этой определенной области, поэтому напряжение = сила / площадь.
Деформация — это то, что происходит в результате напряжения. Если материал подвергается воздействию силы, он часто меняет форму и становится немного длиннее (при растяжении) или короче (при сжатии). Деформация определяется как изменение длины (размера), вследствие воздействия силы, деленное на исходную длину (размер) материала. Поэтому, если вы потянете кусок резины длиной 10 см, и он растянется еще на 1 см и станет длиной 11 см, деформация составит 0,1.

Фото: этот лабораторный стенд предназначен для проверки прочности материала путем его разрыва. Тензометрические датчики, прикрепленные к материалу (в данном случае это алюминиевый цилиндрический образец), позволяют ученым изучать напряжения в материале и изменения при его деформации.

Напряжение материалов

Различные материалы ведут себя очень по-разному при одинаковом напряжении. Если вы натяните резиновый жгут, он соответственно растянется, перестанете тянут – жгут вернется к своей исходной длине. Когда материалы возвращаются к своей первоначальной форме и размеру после снятия усилия, мы говорим, что они претерпели упругую деформацию. Так ведут себя многие материалы, включая резину, некоторые пластмассы и многие металлы (которые, как вы, возможно, удивитесь, совершенно упруги при воздействии малых усилий). В конце концов, упругие материалы достигают точки, когда они не могут справиться с дополнительным напряжением и растягиваются постоянно. Такое изменение называется пластичной деформацией. Обратите внимание, что правильное значение пластика — это то, что сравнительно легко меняет форму. Вот почему пластмассы называют пластмассами: при изготовлении они легко формуются в разные формы.

Если вы инженер, то напряжения и деформации невероятно важны. При разработке чего-либо от автомобильного двигателя до моста, от ветряной мельницы до крыла самолета, вы знаете, что оно будет подвержено воздействию некоторых, порой довольно больших, сил. Могут ли материалы, которые вы планируете использовать, противостоять этим силам? Будут ли они незначительно упруго деформироваться и безопасно возвращаться к своей первоначальной форме и размеру? Будут ли они разрушаться после повторяющихся деформаций в следствие такого процесса, как, например, усталость металла (когда повторяющаяся деформация приводит к ослаблению металла и его внезапному разрыву). Вам нужно использовать что-то более упругое, чтобы обеспечить безопасность? А как это узнать? Вы можете сделать свои расчеты в лаборатории и попытаться выяснить это заранее. Вы даже можете создать сложные компьютерные/математические модели этого процесса. Тем не менее, только натурные испытания позволят вам проверить свои вычисления на предмет наличия ошибок, учесть ранее неучтенные факторы, применить не гипотетические образцы, а реальные вышедшие из реального производства. Надежный способ получить ответ о том, как материалы справляются с реальным напряжением — это использовать тензорезисторы, которые позволяют измерить даже самые незначительные изменения (за счет своей «аналоговости» они имеют практически бесконечную чувствительность).

Тензорезистором можно назвать датчик, который преобразует собственную деформацию в изменение собственных электрических характеристик, а поскольку его собственная деформация практически равна поверхностной деформации испытуемого материала, то можно сказать так: тензорезистор – это датчик, преобразующий поверхностную деформацию испытуемого материала в изменение собственных электрических характеристик.  

Фото: Тензометрическая колесная пара для проведения натурных испытаний. Фото предоставлено одним из ведущих предприятий разработки и испытаний ж/д техники – ТИЦ ЖТ.

Однако путь к тензорезисторам был долог и сложен. Было предпринято множество способов измерения деформации, одни из которых применяются до сих пор. Рассмотрим это ниже.

Типы датчиков деформации

Существует пять основных типов датчиков деформации: механические, гидравлические, электрические, оптические и пьезоэлектрические. Давайте рассмотрим и сравним, как они работают.

Механические

Предположим, образовалась трещина в стене дома из-за проседания грунта и необходимо проверить, развивается ли эта трещина. Позвоним специалистам, и они, вероятно, приклеят кусок твердой плексигласовой пластмассы с линиями и шкалой прямо над трещиной, иногда называемый как трещинный монитор или пластинчатый маяк. При внимательном его рассмотрении вы обнаружите, что он фактически состоит из двух отдельных пластиковых слоев: один слой имеет линейчатую шкалу, а другой слой имеет стрелку или указатель. Вы приклеиваете один слой к одной стороне трещины и один слой к другой, чтобы, когда трещина открывалась, слои очень медленно скользили друг за другом, и вы могли видеть указатель, перемещающийся по шкале. В зависимости от того, как быстро развивается трещина, вы понимаете насколько быстро это проблему нужно решить!

Фото: Пластинчатый маяк (изображение взято из интернет по следующему адресу: https://zishop.toist.ru/nabor/nabor-monitoring-treshin-lajt/)

Некоторые подобные механические датчики еще более грубые, чем этот. Просто прикрепляется кусок пластика или стекла через трещину и ожидаем, когда он разрушится при развитии трещины.

Существует огромное количество механических датчиков (экстензометров, прогибомеров, клинометров, сдвигомеров, тензометров и т. п.) Наиболее совершенным и распространённым механическим датчиком деформации является рычажный тензометр Гугенбергера. Подробно останавливаться на них не будем.

Схема: рычажный тензометр Гугенбергера

Гидравлические

Одной из проблем с датчиками деформации является обнаружение очень малых деформаций. Например, вы можете представить себе ситуацию, когда здание медленно движется, но это движение настолько мало, что оно не проявляется, возможно, пока не появятся видимые признаки – трещины, провалы земли, видимые наклоны. Для простого датчика трещин, такого как описанные выше, требуется 1 мм движения здания, чтобы произвести 1 мм движения на поверхности датчика трещин. При этом достаточно тяжело определить точку, к которой нужно прикрепить такой тензометр. Но что, если мы хотим обнаружить наименьшие движения, которые не проявляются в масштабе? В этом случае нам действительно нужен датчик с рычагом, который усиливает деформацию, поэтому даже незначительное движение элемента вызывает очень большое и легко измеряемое движение указателя по шкале (как это было реализовано в рычажном тензометре Гугенбергера).

Эту проблему попытались решить с помощью гидравлических датчиков деформации.

Гидравлические датчики деформации по сути работают так же, как простые шприцы. Шприцы — это, по сути, гидравлические поршни, в которых небольшое движение жидкости в большом поршне (та часть, на которую вы нажимаете пальцем) вызывает гораздо большее движение жидкости в небольшом поршне, прикрепленном к нему (игла, из которой выходит жидкость). Легко предположить, как это можно использовать в датчике деформации: вы просто подключаете свой большой поршень к тому, что он производит, и используете меньший поршень в трубке меньшего размера, помеченной шкалой, чтобы узнать, сколько произошло движения. Относительный размер поршней определяет, насколько увеличено движение, которое вы пытаетесь обнаружить. Как правило, гидравлические датчики, подобные этому, умножают движение примерно в 10 раз и обычно используются в геологии.

Простой пример гидравлического датчика деформации. Напряжение, которое вы хотите измерить, давит на зеленую кнопку (вверху слева). Это приводит в движение большой широкий поршень (желтый, 55) в гидравлический цилиндр (красный, 56), выталкивая захваченную жидкость (синего цвета, 57) через узкую трубу. Это гидравлический принцип в действии: малые движения зеленой кнопки и желтого поршня увеличиваются в гораздо большие движения за счет узости трубки. Жидкость течет в свернутую трубку Бурдона (оранжевая, 83), которая раскручивается в зависимости от давления внутри нее, натягивая рычажный механизм (темно-синий, 84, 85), изменяя перекрытие между двумя индукционными катушками так, что они отправляют электрический ток в цепь. Таким образом, сила нажатия на зеленую кнопку преобразуется в измеримый электрический сигнал (из патента США 2,600,453: способ и устройство для управления теплом в процессах горячей обработки. Автор RichardWeingart. 17 июня 1952 года).

Тензорезисторы (за счет изменения электрического сопротивления)

Если вы проектируете что-то вроде крыла самолета, как правило, вам нужно проводить гораздо более сложные измерения, чем позволяет простой механический датчик деформации, тем более что усилие имеет разное направление и огромную частоту. Возможно, вы захотите измерить напряжение во время взлета, например, когда двигатели производят максимальную тягу. Вы не можете прикрепить маленькие пластиковые тензодатчики к крылу и выходить, чтобы измерить их во время полета, но вы можете использовать тензорезисторы, чтобы сделать то же самое с помощью регистратора в салоне самолета.

Наиболее распространенные электрические датчики деформации — тензорезисторы — это тонкие прямоугольные полоски фольги с лабиринтными схемами разводки, которые ведут к паре электрических кабелей. Вы прикрепляете фольгу к материалу, который хотите измерить, и подключаете кабели к контрольной цепи. Когда материал, который вы испытываете, напряжен, фольга гнется, и проволока либо растягивается (так что становится немного тоньше), либо сжимается (поэтому становится чуть толще). Изменение толщины(площади сечения) металлической фольги/провода изменяет его электрическое сопротивление, потому что электронам труднее переносить электрический ток по более узким проводам. Таким образом, все, что вам нужно сделать, это измерить сопротивление (обычно используя мост Уитстона), и, с небольшим количеством соответствующего преобразования, вы можете рассчитать деформацию. Если задействованные силы невелики, деформация будет упругой, и тензодатчик в конечном итоге вернется к своей первоначальной форме, так что вы сможете продолжать проводить измерения в течение определенного периода времени, например, во время испытательного полета самолета-прототипа.

Подобные тензометрические датчики были изобретены в 1938 году профессором Массачусетского технологического института Артуром Руге (1905–2000 гг.) для помощи в обнаружении землетрясений.

Фото: крупный план двух электрических датчиков деформации — тензорезисторов. На подложке из фольги хорошо видны узоры, похожие на лабиринты. Они изменяют форму, вызывая изменение сопротивления проводов, когда фольга изгибается под действием напряжения.

Рисунок: справа: иллюстрация оригинального тензорезистора Артура Руге из патента США, который он подал в сентябре 1939 года. Он состоит из проводящей металлической нити (желтого цвета), натянутой между парой гребнеобразных опор (синего цвета) и подключен к контактам (красный), которые могут быть подключены к цепи. По мере того как напряжение изменяется, нить деформируется, а ее сопротивление увеличивается или падает. Измерение сопротивления — это способ косвенного измерения напряжения. Датчик содержит вторую аналогичную нить (оранжевую), которую можно использовать для компенсации любых изменений сопротивления, вызванных исключительно изменениями температуры. Идея состоит в том, чтобы выбрать разные материалы для двух нитей, чтобы их температурные изменения не влияли друг на друга. Руге изготавливал свои нити из чувствительных к деформации сплавов, таких как Advance (медь-никель) и нихром (никель-хром). (Из патента США 2,350,972: тензорезистор, автор Arthur C. Ruge, 6 июня 1944 г.)

Тензорезисторы в настоящее время являются основой науки изучения деформаций. Большинство датчиков силы, веса, крутящего момента, давления, перемещения и ускорения (акселерометры) созданы на их основе.

Оптические датчики деформации

Некоторые материалы меняют свои оптические свойства (светопропускание или отражение), когда они напряжены и деформированы, например, стекло и пластик. Хотя стекло является удивительно полезным и универсальным материалом, оно хрупкое и потенциально очень опасно: если оно слишком сильно деформировано, оно может внезапно расколоться или разбиться. Это может быть реальной проблемой при использовании его в чём-то вроде лобового стекла автомобиля или иллюминаторов самолета. Один из способов обнаружения деформации в стекле — направить на него под углом поляризованный свет. Часть света будет отражена, а часть будет пропущена. Относительное количество проходящего и отраженного света будет меняться в зависимости от того, насколько сильно деформировано стекло. Измеряя количество отраженного света, мы можем точно измерить нагрузку на стекло.

Рисунок: Оптический тензодатчик, видимый сбоку (сверху) и сверху (снизу), работает аналогично устройству, называемому полярископом (или поляриметром). Он сделан из двух полых трубок (серый 1,2), расположенных под углом к стеклу (зеленый). Мощный источник (синий, 6) направляет сфокусированный луч (желтый) на стекло через поляризационный фильтр (красный, 8). В зависимости от того, является ли стекло деформированным, и насколько деформированным, свет отражается от поверхности стекла через второй фильтр (оранжевый, 9) и попадает на фотоэлемент (фиолетовый, 14). Он, в свою очередь, преобразует свет в электрический сигнал, заставляя стрелку в амперметре подниматься или опускаться (темно-синий, 15). Чем выше напряжение в стекле, тем больше света отражается и тем выше показания амперметра. (Из патента США 2119577: тензометрический датчик и метод измерения деформации в стекле, СэмюэльМакК. Грей, 7 июня 1938 года)

Вместе с тем, указанное выше решение не нашло широкого применения. Ему на смену пришел иной принцип использования света при изучении степени деформации.

Волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД), ставшие развитием оптического типа датчиков деформации, обычно принадлежат к двум основным типам: ВОДД на решётках Брэгга и ВОДД на интерферометре Фабри-Перро. Вторые не получили широкого признания, но вот созданные на основе волоконной брэгговской решетка (ВБР), являются современным примером поиска замены ставшим классическими тензорезисторам сопротивления. Но стоимость такого решения всё ещё в разы дороже применения тензорезисторов, оно ограничено по частоте опроса/сбора данных и имеет ряд других особенностей.

Вопросу применения ВОДД на решётках Брэгга посвятим отдельный текст.

Пьезоэлектрические датчики деформации

Некоторые типы материалов, в том числе кристаллы кварца и различные типы керамики, являются эффективными «естественными» тензометрами. Если вы прикладываете к ним усилие, они создают крошечные электрические напряжения между их противоположными сторонами. Это явление называется пьезоэлектричеством и, вероятно, наиболее известно как способ генерирования сигнала хронометража в кварцевых часах. Измерьте напряжение с пьезоэлектрического датчика, и вы можете просто рассчитать деформацию. Пьезоэлектрические тензометрические датчики являются одними из наиболее чувствительных (примерно в 1000 раз больше, чем у более простых типов) и надежными и могут выдерживать годы многократного использования (вы иногда будете встречать их как«пьезоэлектрические преобразователи», потому что они преобразуют механическую энергию в электрическую).

Изображение: Как работает пьезоэлектрический тензодатчик. Прикрепите его к тестируемому объекту, который может быть простым стальным бруском (серый, 1). Датчик представляет собой плоский кристалл (синий, 3), с двумя параллельными поверхностями, на которых закреплены электроды (красного и оранжевого цвета, 4 и 5), прикрепленные к контактам (желтый, 6 и 7), которые замыкаются на внешнюю цепь – систему сбора данных. Нижняя поверхность кристалла (красного цвета) очень прочно связана цементом (8) с тестируемым образцом. По мере того как образец деформируется, кристалл также деформируется, генерируя небольшое напряжение между его верхней и нижней гранями при изменении его формы. Чем больше напряжение, тем больше деформация, поэтому измерение электрического напряжения является очень точным способом измерения механического напряжения (из патента США 2,558,563: пьезоэлектрический тензодатчик, автор WilliamJanssen, GeneralElectric, 26 июня 1951 г.).

Существует большое количество других типов датчиков деформации: акустических, тепловых, электромагнитных, рентгеновских и т.д. Но они не нашли широкого применения и не оставили в заметный след в истории вопроса.

Тензорезисторы в настоящее время представляют собой наиболее распространённый тип датчиков деформации.

На нашем сайте вы можете купить (заказать) тензорезисторы от японской компании TML, одного из лидеров в производстве тензорезисторов в мире.

Материалы для данной статьи взяты из источника по адресу: https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html[Woodford, Chris. (2009/2015) Strain gauges. Retrieved from https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html. Last updated: February 27, 2019. Доступ 19.04.2019)] 

Тензометрический датчик давления Принцип

Датчик давления тензометрический Принцип:

Когда закрытый контейнер подвергается приложенному давлению, он деформируется (то есть изменяется его размер).

Измерение этой деформации с помощью вторичного преобразователя, такого как тензодатчик (металлический проводник), становится мерой приложенного давления.

То есть, если тензодатчики прикреплены к контейнеру, подвергаемому приложенному давлению, тензодатчики также изменят свои размеры в зависимости от расширения или сжатия контейнера.

Изменение размера тензодатчика приведет к его сопротивлению изменению. Это изменение сопротивления тензодатчика становится мерой давления, приложенного к контейнеру (эластичному контейнеру или ячейке).

Существует два типа тензодатчиков, а именно:

1. Датчик давления с плоской трубкой
2. Датчик давления цилиндрического типа

Датчик давления с плоской трубкой

Основные части аранжировки следующие:

Давление, которое необходимо измерить, прикладывают к открытому отверстию трубки. Из-за давления трубка имеет тенденцию закругляться, то есть размер изменяется (деформируется).

По мере того, как тензодатчики устанавливаются на трубе, размеры тензодатчиков также изменяются пропорционально изменению размера трубы, вызывая изменение сопротивления тензодатчиков.

Изменение размера трубки пропорционально приложенному давлению. Следовательно, измерение изменения сопротивления тензодатчиков становится мерой приложенного давления при калибровке.

Датчик давления цилиндрического типа

Основными частями этой договоренности являются:

Измеряемое давление прикладывают к открытому концу цилиндрической трубки. Под действием давления цилиндрическая трубка деформируется, то есть ее размер изменяется.

Поскольку тензодатчики устанавливаются на цилиндрической трубе, размеры чувствительных тензодатчиков также изменяются пропорционально изменению размера цилиндрической трубы, вызывая изменения сопротивления тензодатчиков.

Изменение размера цилиндрической трубки пропорционально приложенному давлению.

Следовательно, измерение изменения сопротивления тензодатчиков становится мерой приложенного давления при калибровке.

Применение тензометрических датчиков давления

• Ячейка для измерения давления с плоской трубкой используется для измерения низкого давления.
• Датчик давления цилиндрического типа используется для измерения среднего и высокого давления.

Датчик избыточного давления Stran — Работа, конструкция, схемы

Тензорезисторы

могут использоваться в качестве вторичного элемента при измерении давления .Их можно соединить с сильфоном и диафрагмой для эффективного измерения давления. На рисунках ниже представлена ​​схема измерения перепада давления.

Для получения информации о тензодатчиках нажмите здесь: Тензодатчики

На рисунке ниже показано расположение тензодатчиков, установленных на консольной пружине, которая приводится в действие парой противоположных сильфонов. Размер кантилевера выбран правильно для компенсации изменения модуля Юнга из-за изменений температуры.

Измерение давления с тензометрическим датчиком на сильфоне

На рисунке ниже показано расположение тензодатчиков на плоской диафрагме. Обычно устанавливаются четыре манометра, как показано, и они подключаются по мостовой схеме, как показано на рисунке. В манометрах с диафрагмой возникают радиальные и касательные напряжения, что затрудняет измерение истинного давления.

Измерение давления с тензодатчиками на мембране

В последние годы происходит миниатюризация, когда дискретные датчики заменяются розеткой, которая доступна в различных размерах.Розетки могут быть сконфигурированы так, чтобы радиальные деформации на краю диафрагмы и тангенциальные деформации вблизи центра легко воспринимались, в то время как точки пайки / выступы располагались в области с низкой деформацией.

Неограниченные тензодатчики также могут использоваться для измерения деформации и, как следствие, давления с помощью диафрагмы. Простая схема такого измерения давления показана на рисунке ниже. Во всех вышеперечисленных случаях всегда предпочтительна импульсная калибровка.

Измерение давления с помощью тензодатчиков без склеивания

Похожие сообщения

Оставить комментарий

Лучшее соотношение цены и качества тензометрический датчик давления — Отличные предложения по тензометрическому датчику давления от глобальных продавцов тензометрических датчиков давления

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для тензометрического датчика давления.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот датчик давления тензодатчика должен стать одним из самых востребованных бестселлеров в кратчайшие сроки. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели тензометрический датчик давления на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в тензометрическом датчике давления и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.И, если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести датчик давления с тензометрическим датчиком по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

На основе тензодатчика — Bestech Australia

Пьезоэлектрические акселерометры Meggitt — это акселерометры с зарядовым режимом, для которых требуется использование внешнего усилителя заряда, что обеспечивает надежную работу в более широких диапазонах температур и амплитуд.Пьезоэлектрические акселерометры — идеальный выбор для измерения ускорения, ударов и вибрации благодаря их широкому диапазону частот, простоте установки и множеству вариантов формы, веса, размера и чувствительности. Пьезоэлектрические акселерометры специального назначения также доступны для летных испытаний в условиях экстремально низких и высоких температур и радиационной среды. Компания Meggit Endevco® успешно разработала и изготовила ударные акселерометры со встроенным механическим фильтром. Этот пьезоэлектрический акселерометр оснащен входным механическим фильтром и электронным фильтром нижних частот для изоляции датчика и максимальной пропускной способности.Этот акселерометр основан на хорошо зарекомендовавшем себя пьезоэлектрическом датчике удара и имеет механический фильтр. По сравнению с моделью внешнего фильтра, эта уникальная конструкция обеспечивает механическую изоляцию датчика (m) со всех сторон. Высокочастотная энергия в чувствительном и поперечном направлениях фильтруется изолирующим материалом, оставляя чувствительный элемент только с сигналами полосы пропускания. Кроме того, внешний корпус преобразователя удерживает всю сборку вместе в случае чрезмерной ударной нагрузки. Основные характеристики пьезоэлектрических акселерометров:

• Чрезвычайно широкий динамический диапазон, низкий выходной шум
• Подходит для измерения ударов и вибрации
• Превосходная линейность в динамическом диапазоне
• Сигнал ускорения может быть интегрирован для определения скорости и смещения
• Широкий частотный диапазон
• Компактная, бесконтактная конструкция
• Высокочувствительный
• Самогенерирующийся — внешнее питание не требуется

Чтобы получить более подробную информацию о продукте, нажмите здесь или загрузите практическое понимание технических характеристик акселерометра. Узнать сейчас

Как работает тензодатчик?

Позвоните нам » Перейти к содержанию 1-800-LOADCEL Текст поиска Ценовая корзина Меню

• Тензодатчики
  • Тензодатчики | Промышленные преобразователи силы, датчики
  • Просмотреть все весоизмерительные ячейки
  • Тензодатчики сжатия
  • Тензодатчики для всех применений
    • Тензодатчики с натяжной связью
  • Лучевые весоизмерительные ячейки
  • Тензодатчики S-типа
  • Тензодатчики канистры
  • Весоизмерительные ячейки со сквозным отверстием
  • Тензодатчики типа «блинчик» / «Сдвиг»
  Одноточечные весоизмерительные ячейки
  • Тензодатчики
  • Погружные весоизмерительные ячейки
  • Миниатюрные весоизмерительные ячейки
  • Тензодатчики по индивидуальному заказу
  • Низкая емкость
  • Средний диапазон
  • Высокая емкость
• Электроника
  • Просмотр всей электроники
  • Дисплеи с тензодатчиками
  • Усилители тензодатчиков
  • Беспроводное взвешивание
  Дистанционные дисплеи
  • Имитаторы / тестеры тензодатчиков
  • Электроника на заказ
• Промышленные весы
  • Обзор Все весы
  • Крановые весы / Натяжные звенья
  • Напольные весы
  • Бочковые весы
  • Настольные весы
• Монтажные узлы
  • Просмотреть все монтажные узлы
  • Компрессионные крепления
  • Натяжные крепления
  • Монтажные узлы на заказ
• Аппаратные средства / аксессуары
  • Распределительные коробки
  • рым-болты
  • Кнопки нагрузки
• Услуги
  • Ремонт
  • Калибровка +
  • Калибровка
• Ресурсы
  • Отрасли тензодатчиков
    • Автомобильная промышленность
    • Морская промышленность
    • Испытания материалов
    • Медицинская промышленность
    • Пищевая промышленность и производство напитков | Взвешивание партий
    • Тензодатчики и весоизмерительное оборудование для химической промышленности
    • Тензодатчики и системы взвешивания для нефтегазовой отрасли
  • Терминология по тензодатчикам
  • Специализированные системы
    • Весовые системы дозирования
    • Система центра тяжести
    • TrussTest
    • Другое Unique Systems
  • Видео о продуктах
  • Обзоры
  • Блог
  • Тестирование тензодатчиков
  • Официальные документы
  • Пресс-релизы

.