Что такое тензодатчик и как он работает

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры
двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой.
Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих
чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на
объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и
изменяет свое положение под воздействием деформирующей
силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности
катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от
положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого
типа.

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.

4) Проверка тензодатчика в нагруженном состоянии.

Для данного теста тензодатчик должен быть подключен к весовому индикатору или к прибору со стабильным источником питания от 5Vдо 12V. С помощью милливольтметра, подключенного к выходу тензодатчика, нагружают датчик и фиксируют показания выходного сигнала, при снятии нагрузки показания выходного сигнала должны вернуться к исходным. При проведении данного теста необходимо проводить несколько циклов нагружения-разгружения тензодатчика различным весом, но не менее 50% от НПВ датчика. Также необходимо удержание веса не менее 30 мин. в каждом из циклов и анализ изменения показаний в течении данного периода времени. В случае если при проведении теста показания будут отличаться от значения постоянно прикладываемой нагрузки, а также не будут возвращаться к исходным значениям, можно судить о нарушении контакта в клеевом слое между тензорезисторами и упругим элементом. Такой тензодатчик требует замены.

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.

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.

Модели

Ассортимент современных магазинов бытовой техники пестрит разнообразными предложениями электронных измерительных устройств. Но наибольшим спросом пользуется небольшой ряд моделей разных производителей.

Medisana 40419 TargetScale

Пальму первенства занимают многофункциональные весы Medisana 40419 TargetScale. Позволить себе приобрести их могут далеко не все, их цена достигает 15 тысяч рублей. Ими можно управлять с помощью мобильного телефона или другого подобного гаджета на платформе Android или IOS, достаточно синхронизировать их. Принцип работы электронных весов можно оценить сразу, показания будут перед глазами, а не где-то внизу у ног. Можно будет выводить на дисплей графики, показывающие динамику веса, жировых отложений, артериального давления, температуры тела и уровня сахара. Комфорт в управлении сочетается с великолепным внешним оформлением. Говоря простыми словами, «не весы, а сказка».

SUPRA BSS-6200GN

На втором месте рейтинга популярности стоят электрические весы SUPRA BSS-6200GN. Это самый бюджетный вариант, дает возможность узнать не только массу тела, но и содержание в ней жира и мышц. Пользуется спросом у женщин, придерживающихся здорового образа жизни и правильного питания.

Beurer BF-100

Третью позицию занимает модель Beurer BF-100. Погрешность измерений практически исключена. Этот экземпляр имеет восемь электродов, считывающих и передающих данные на компьютер, обладает способностью запоминать информацию не об одном пользователе. Платформа данной модели выполнена в комбинации металла и пластика, оборудованы выносным блоком управления. Стоят около восьми тысяч рублей. Большой популярностью не пользуются, так как, по отзывам покупателей у них крайне неудачная схема измерения состава тела.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного
элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида
тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора
между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов
емкостного тензометра.

Рис.
3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством
точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях
силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким
образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы.
Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Физические принципы тензометрии

Метод тензометрии – это способ определения напряжённого состояния какой-либо конструкции при возникновении локальных деформаций. Методика измерений позволяет выявить слабые места конструкции, находящейся в напряжённо-деформированном состоянии. Существует несколько способов измерения деформаций:

• оптический;
• пневматический;
• акустический;
• электрический;
• рентгеновский.

Оптический

Оптоволоконные датчики приклеивают к массиву. С помощью оптоволоконной нити, в которой сформирована брегговская решётка, происходит фиксация изменения геометрии поверхности исследуемого объекта. В результате обработки полученного электронного сигнала результат отображается на экране прибора.

Важно! Деформации оптически прозрачных тел измеряют методами, основанными на эффекте двойного лучепреломления. Также величину фотоупругости нагруженного тела меряют способом вращения плоскости поляризации

Пневматический

Применяют поток сжатого воздуха в сопле, направленного на исследуемую поверхность объекта под силовым напряжением. Малейшее изменение расстояния между соплом и телом вызывает изменение давления воздушного потока, которое регистрируется специальными датчиками.

Акустический

Пьезоэлектрическими элементами отмечают изменения акустических параметров объекта. То есть происходят замеры скорости звука, акустического сопротивления и его затухания. В другом случае струнные датчики под воздействием деформаций объекта меняют частоту собственных колебаний.

Электрический

Измерения деформаций фиксируются тензодатчиками. Они отражают изменения электрического сопротивления нагружаемого объекта. Измерительные элементы называют тензорезистивными датчиками.

Рентгеновский

В материалах, подвергающихся силовым воздействиям, меняются расстояния между атомами в кристаллической решётке исследуемого тела. Для фиксации динамики этих процессов применяют рентгеноструктурный метод.

Тензорезистивный метод

В основу этого самого популярного метода положен принцип измерения динамического изменения удельного электрического сопротивления испытуемой детали под нагрузкой. В качестве измерителей применяются полупроводниковые тензометрические датчики. Металлический датчик, улавливая колебания электрического сопротивления детали, сам меняет величину собственного сопротивления. Изменение характеристики тока, проходящего через датчик, отражает тензометр на своём интерфейсе.

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.

Тензорезистивный метод

Сейчас это наиболее удобный и чаще других используемый метод. При деформации электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) происходит изменение их удельного электрического сопротивления и, как следствие, — изменение сопротивления чувствительного элемента датчика. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические плёнки, напылённые на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики. Сопротивление чувствительного элемента измеряется тем или иным способом.

Конструкция типичного металлического датчика

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

На диэлектрическую подложку (например, полимерную плёнку или слюду) в вакууме через напыляют плёнку металлического сплава, либо формируют проводящую конфигурацию на подложке фотолитографическими методами. В последнем случае на предварительно напылённую сплошную плёнку металла на подложке наносят слой фоторезиста и засвечивают его ультрафиолетовым излучением через фотошаблон. В зависимости от вида фоторезиста, либо засвеченные, либо незасвеченные участки фоторезиста смываются растворителем. Затем незащищённую фоторезистом металлическую плёнку растворяют (например, кислотой), формируя фигурный рисунок металлической плёнки.

В качестве материала плёнки обычно используются сплавы, имеющие низкий температурный коэффициент удельного сопротивления (например, манганин) — для снижения влияния температуры на показания тензометра.

При использовании тензорезистор подложкой приклеивают к поверхности исследуемого на деформации объекта или поверхности упруго-деформируемого элемента в случае применения в весах, динамометрах, торсиометрах, датчиках давления и др., так, чтобы тензорезистор деформировался вместе с деталью.

Чувствительность к деформации такого тензорезистора зависит от направления приложения деформирующей силы. Так, наибольшая чувствительность при растяжении и сжатии — по вертикальной по рисунку оси и практически нулевая при горизонтальной, так как полоски металла в зигзагообразной конфигурации сильнее изменяют своё сечение при вертикальной деформации.

Тензорезистор включается с помощью электрических проводников во внешнюю электрическую измерительную схему.

Измерительная схема

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x.

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R₂ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R₁ / R₂ = R_x / R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие сервисные функции.

Грамотный подход к выбору тензодатчиков

В связи с тем, что тензометрические устройства не являются особо сложными по своей конструкции, то при покупке лучше ориентироваться именно на цену, а не на производителя. Таким образом, сегодняшний рынок хоть и полон различными ценовыми и брендовыми предложениями, но большой разницы между эконом-классом и премиум не наблюдается. Дорогие датчики следует приобретать только в том случае, когда они действительно нужны для высокоточных измерений, к примеру, в пищевой промышленности или для производства лабораторных экспериментов. В остальном же, данная покупка не будет требовать больших затрат и вполне обойдется в стандартную цену относительно стандартных показателей погрешности в измерениях.

Касательно азиатского производителя рассматриваемой продукции. Как показывает анализ, точность измерения датчиков из Тайваня, Китая, Кореи ничуть не уступает самым популярным фирмам. Однако, материал их изготовления зачастую не долговечен и бывает так, что деформацию балки на китайских устройствах видно невооруженным взглядом сразу после проведения пары-тройки нескольких измерительных процедур.

Преимущества тензометрического оборудования

Тензорезистивное оборудование имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые сделали его чуть ли не единственным видом тензометрического оборудования:

• Низкая стоимость + высокое качество измерения. По сравнению со всеми остальными видами тензометрической аппаратуры, тензорезистивные устройства обеспечивают очень качественное измерение усилия, при этом имея простое устройство и низкую себестоимость. Лазерные или пневматические датчики, которые способны обеспечить такой же уровень точности, стоят в несколько раз дороже.
• Высокая надежность. Все остальные типы тензометрического оборудования не выдерживают никакой конкуренции с тензорезистивными датчиками по прочности и ресурсу. Тензодатчик может работать на протяжении 3…15 лет, в полной мере сохраняя свою работоспособность.
• Точность. Несмотря на то, что некоторые образцы тензометрического оборудования способны проводить более точные замеры, точность тензорезистивных датчиков вполне достаточна не только для каждодневных измерений в торговых, например, операциях, но и для весов I и II классов точности. Можно сказать, что оборудование на основе тензодатчиков перекрывает своими возможностями все потребности в метрологических измерениях.

Компания Модуль – Ваш персональный инженер в мире измерительного оборудования!

Другие статьи открываются в новом окне

Тензодатчики веса

Весовые терминалы

Выносные табло

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.

Настройка тензометра

Настройку тензоизмерений производят с помощью компьютерной программы Тензометр. Операционная система позволяет осуществлять измерения с помощью тензометрических датчиков силы, крутящего момента на основе мостовых и полумостовых схем в тензостанции ZET 017-T. С её настройкой можно проводить измерения силы, крутящего момента, веса и смещений.

Самописец программы отображает фиксированные результаты в почасовом режиме. Статистика показаний отображается графически и в табличном виде.

Параметры

Комплекс измерений формируется выбором нужных характеристик в поле «Параметры» на интерфейсе программы. К ним относятся:

• ток питания;
• показания;
• единицы измерений;
• сглаживание;
• коррекция;
• инверсия данных.

Тензорезистор

Для его настройки пользуются окном программы – «Тензорезистор». Для выбора процесса измерений используют раздел «Файл калибровки». Высвечивается поле «Показания». В нём указываются данные датчика.

Тензодатчик

Используют поле программы – «Тензодатчик». Для настройки применяют два параметра: это чувствительность и предел измерений.

Подсказки в программе Тензометр

Корректировщик программы укажет во всплывающем окне неправильное задание тех или иных параметров. Разработчики программного продукта учли самые распространённые ошибки и позаботились о следующих оповещениях:

• отсутствие опорного канала;
• неправильно заданы каналы;
• низкий уровень опорного сигнала (ниже 3% верхнего диапазона).

Дополнительная информация. Программное обеспечение ZETLAB TENZO содержит программу Тензометр для всех тензостанций. При сбое программ подключают Ethernet. Для этого запускают панель ZETLAB, нажимают клавишу F1 и находят строку подключения к Ethernet.

Цифровой тензорезистор ZET

Тензометрические обследования помогают избегать просчётов в проектировании объектов, испытывающих деформации различного характера под воздействием разных внешних факторов. Своевременное выявление причин, вызывающих изменения характеристик объекта, позволяет сохранить его эксплуатационные качества и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.