Тензометрические датчики

Содержание

1.Введение.

История Тензометрического датчика

2. Аналитический обзор

О датчиках и их характеристиках.

3. Содержательная часть.

Принцип работы на основе датчик “кольцо”

3.1Тензометрические датчики - выбор  по типу

4. Заключение.

Выводы

6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Тензометрический датчик (от лат. tensus — напряжённый) (тензодатчик) — прибор для измерения деформации различных конструкций

До того, как тензодатчики появились в сфере промышленного взвешивания, весы, основанные на механических рычагах, могли взвешивать почти все, от таблетки, до автомобиля. Ну а если их откалибровать и содержать в хороших условиях, то показания таких весов были очень точны.

Механические весы могли использовать два метода взвешивания: это был  либо механизм балансировки, либо механизм определения силы, основанный на механических рычагах. Самые первые датчики нагрузки для взвешивания, разработанные  еще до тензометрических датчиков, были гидравлические или пневматические датчики. В 1843 году, английский физик, Чарльз Уитстон изобрел мост для измерения  электрического сопротивления проводников. Мост Уитстона стал идеальным прибором для измерения изменений сопротивления, которые и происходят в тензодатчиках.

Несмотря на то, что первый тензодатчик был изобретен в 40-х годах прошлого века, их производство стало экономически и технически возможно только после того, как развитие электроники это позволило. Но все-таки, с тех пор, тензодатчики зарекомендовали себя как неотъемлемые компоненты механических весов и как независимые датчики нагрузки. На сегодняшний день, тензометрические датчики нагрузки доминируют в весо-измерительном оборудовании. Исключением стали лишь некоторые лаборатории, где все еще используются точные балансирующие весы.

Несмотря на всеобщую симпатию к  тензодатчикам, пневматические и гидравлические датчики все еще используется в некоторых сферах деятельности человека. Например пневматические датчики  нагрузки все еще используются в  местах, где очень важен фактор внутренней безопасности и гигиены, тогда как гидравлические датчики  нагрузки спасают в отдаленных местах, где нет доступа к источнику  бесперебойного питания, так как  они в нем совсем не нуждаются.

 

 

2.Аналитический обзор

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под  влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры.

Тензометр — это резистивный  элемент, электрическое сопротивление  которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким  образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены  четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы  изменение сопротивления было можно  легче определить.

По описанному принципу функционируют  датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и  типы датчиков, например датчики с  полупроводниковыми тензометрами.

Полупроводниковые тензометры изготавливают  из кремния, по-этому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят  от температуры и поэтому используются только специальных случаях.

На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение

напряжения в кристалле при  механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического  датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических  сил он не подходит.

Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется  так широко, как датчики с металлическими тензометрами.

Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как  статических, так и динамических сил.

 

К их преимуществам следует  отнести:

1. хорошую точность;

2. простоту обработки выходного сигнала;

3. доступную цену ;

Форма датчика

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности  закрепления.

От формы датчика и материала, из которого он изготовлен, зависят  такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они  являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

Диапазон измерения

Основным параметром тензометрического  датчика является его диапазон измере-ния, который можно повысить максимально

на 30–50%. Более высокая перегрузка датчика, хоть и на краткое время, почти  всегда ведет к его повреждению. Такой датчик уже нельзя исправить, поскольку при этом происходит нарушение  структуры материала.

Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где  возможны биение и вибрации.

Чувствительность датчика

Важным параметром, особенно с точки  зрения обработки выходного сигнала, явля-ется чувствительность датчика. Она  измеряется в единицах мВ/В, и ее значения чаще все-го находятся в  пределах от 1 до 3. Например,если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ.

Это относительно низкое значение, поэтому  сигнал обычно усиливается и только по-том поступает на измерительный  прибор или аналоговую карту в  РС или PLC.

 

Температурные характеристики

С ростом или падением температуры  изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах  диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением  в 10 В, то при изменении температуры  на 20 °С сигнал ненагруженного датчика  может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ.

Аналогично подсчитывается и ошибка чувствительности.

Точность датчика

У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к его  диапазону.

Этот способ общеизвестный. Иначе  рассчитывается точность датчиков, применяемых  для взвешивания. У них точность указывается при помощи так называемого  проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность, установленную  при помощи проверочного деления, и  это значение — 3000 делений (класс  точности С3). В этом случае процентная погрешность (класс точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.

Более подробную информацию об ошибках  датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных  рекомендациях OIML R60.

Диапазон температуры

Часто приводятся даже три диапазона  температуры: компенсированный, рабочий  и для хранения. Компенсированный диапазон температуры соответствует  диапазону, при котором производитель  испытывал датчик, и поэтому все  его параметры гарантированы. Рабочий  диапазон температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без  риска его повреждения, но все  параметры датчика уже

не гарантируются. При диапазоне  температуры хранения датчик применять  не рекомендуется, так как может  произойти его повреждение.

Иные параметры

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки  зрения обра ботки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки зрения безопасности), степень защиты (с точки зрения условий труда) и т. п.

 

3. Содержательная часть.

Рассмотрим подробнее работу тензодатчика на основе частоприменяемого «кольца  на изгиб».

Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

Для правильно функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении  оси датчика (упругий элемент  тензодатчика стержень, кольцо). Для  исключения бокового влияния нагрузки, применяют самоустанавливающиеся (самоцентрирующиеся) конструкции. Поверхность опор таких тензодатчиков имеет сферическую выпуклую форму.

Принцип действия тензодатчика основан  на измерении изменения сопротивления  тензорезисторов наклееных на упругое  тело, которое под действием силы (вес груза), деформируется и деформирует  размещенные на нем тензорезисторы.

Проволочная или фольговая решетка - изготавливается из металлической нити диаметром 20-25 мкм из константана, манганина;

Подложка - основание, на которое наносится решетка тензорезистора, выполнено из бумаги, пленки, синтетического материала стойкого к деформациям;

Широкое применение получила мостовая схема включения тензорезисторов  – мост Уитстона. Схема представляет собой 4 тензорезистора, соединенных  в электрический мост - Рисунок 4.

Uпит – напряжение питания  измерительного моста, как правило  в интервалах 3-30В напряжения переменного  или постоянного тока, Uсигн –  напряжение измерительной диагонали  моста, R1, R2, R3, R4 – сопротивления  плеч измерительного моста, Rк  – добавочное сопротивление,  необходимое для компенсации  изменения температуры окружающей  среды и выравнивания чувствительности.

Чувствительность - это отношение выходного напряжение сигнала Uсигн [мВ (милиВольт)] к входному напряжению питания тензометрического моста Uпит [В (Вольт)]. Как правило, в паспортных данных к тензодатчику чувствительность (номинальная) обозначается Cn. К примеру, если указано Cn=2мВ/В и номинальная нагрузка Emax=10т (тонн), то следует понимать, что при Uпит=10В и воздействии груза массой 1 т., Uсигн=2мВ.

В настоящее время существует множество  наработок в области тензометрии, технологиях изготовления тензорезисторов  и тензодатчиков. Нормирующим документом для производителя тензодатчиков  является Рекомендации МОЗМ (OIML) Р60 (R60). Производители весового оборудования применяют в конструкциях своих  весов различные типы тензодатчиков, в зависимости от предназначения и условий эксплуатации весового оборудования.

От выбора типа тензодатчика, узла встройки, конструкции платформы, качества фундамента (основания) весов зависит надежность и качественная работа, которая невозможна без вторичных преобразователей сигнала или весовых индикаторов (терминалов).

3.1Тензометрические датчики  - выбор по типу

Выбирая датчики веса учитывается  много исходных данных, такие как: предел измерения, погрешность, материал датчика, но наиболее важный параметр это тип тензометрического датчика. Нет общепринятых наименований видов, поэтому у различных фирм одинаковые виды называются по-разному.

Датчики силы балочные - датчики имеют форму балки, также такие датчики называют простая балка или балка среза. Способ использования заключается в том, что один край крепится жестко, а на другой конец прикладывается сила.

Тензодатчики мостовые - датчики  похожи на балочные датчики, но крепятся с обоих сторон, а вес действует  в среднюю часть датчика. Еще  эти датчики называют двуопорные или сдвоенная балка.

Одноточечные тензодатчики - по конструкции и виду закрепления датчики надпоминают балочные, но отличаются тем, что чаще всего применяются по одному и закрепляются в центре массы взвешиваемого груза. Тензодатчики веса такого типа имеют особенную внутреннюю форму, которая позволяет тензодатчикам не реагировать на смещение места приложения массы в определенном диапазоне.

Колонные датчики веса - обычно это датчики которые имеют  вид колонны. Такие тензодатчики работают на сжатие. Чаще всего такие  тензодатчики имеют сферические  опорные поверхности определенного  радиуса, что позволяет таким  датчикам естественно возвращаться в обратное состояние.

Датчики силы типа «шайба» - по форме, достаточно надпоминают колонные тензодатчики, но обычно не имеют возможности качения как колонные датчики. Верхняя часть датчика веса выполняется в виде сферы, это позволяет предотвратить "паразитное" действие изгибающего момента на тензодатчик. Эти датчики еще называют целиндрическими датчиками.

Тензорезисторные датчики S-типа –  по форме такие датчики похожи на английскую букву «S». Датчики  тензометрические способны определять как силу сжатия, так и растяжения, но чаще используются на растяжение в  виде подвесов бункеров и прочих грузов.

Миниатюрные датчики веса – к  этому типу относятся датчики  с малыми габаритами и чаще всего  на маленькие силы. Отличительная  черта таких датчиков это возможность  применять их в устройствах с  дифицитом пространства. Цена за малые  размеры это чаще всего относительно большая погрешность этих датчиков.