АвтоМотив

Тензодатчик — это инструмент для взвешивания, который находит применение в самых разных устройствах для определения веса грузов. Когда на прибор действует вес, он вызывает механическую деформацию, которая затем регистрируется устройством. Эта деформация преобразуется в электрический или цифровой сигнал, передаваемый на дисплей веса. Тензодатчик является резистивным измерительным преобразователем и играет ключевую роль в системах взвешивания с высокой точностью.

Согласно ГОСТ 8.631-2013, тензометрический сенсор работает как элемент весоизмерения, реагирующий на изменение физического воздействия (нагрузки) и преобразующий это воздействие в электрический сигнал. По сути, он представляет собой резистор, чье сопротивление изменяется в зависимости от действующей силы. Такие сенсоры широко применяются для измерения массы и нагрузки в различных весоизмерительных системах, при этом в зависимости от требований к точности и условий эксплуатации используются разные типы тензодатчиков с различными принципами работы и конструктивными особенностями.

Конструкция

Рассмотрим базовый вариант тензодатчика, где в качестве датчика применяется тензорезистор. Этот элемент можно представить как тонкую эластичную проволоку или пленку, которая располагается на контролируемой поверхности.

Работа тензорезистора базируется на законе Гука, согласно которому изменение электрического сопротивления относительно начального состояния элемента прямо пропорционально его деформации — растяжению или сжатию. Это взаимосвязь описывается коэффициентом пропорциональности:

K = Δl / l = ΔR / R

 

Здесь:

• KK — коэффициент пропорциональности;
• Δl\Delta l — изменение длины элемента при деформации;
• ll — исходная длина измеряемого элемента;
• ΔR\Delta R — изменение сопротивления при деформации;
• RR — нормальное сопротивление тензорезистора.

На практике принцип действия тензорезистора можно продемонстрировать следующим образом

Когда тензорезистор находится в состоянии покоя, его проволочные дорожки обладают определённым сечением и длиной проводника.

В случае растяжения тензодатчика, длина проводящих дорожек увеличивается, в то время как их поперечное сечение уменьшается. Это приводит к возрастанию омического сопротивления тензорезистора. При сжатии происходит противоположный процесс: длина проводящих элементов сокращается, а поперечное сечение увеличивается, что приводит к снижению сопротивления тензодатчика. Именно такие изменения и образуют основу работы тензорезистора.

Как работает тензодатчик?

Оборудование изготавливается с использованием сверхчувствительных тензорезисторов, выполненных из материалов, специально предназначенных для тензометрии. Часто для их производства применяют алюминиевую проволоку, пленку или фольгу. Эти резисторы функционируют по аналогии с другими весоизмерительными устройствами, позволяя определить силу воздействия на датчик и, соответственно, массу взвешиваемого груза.

Принцип работы такой системы взвешивания отличается своей простотой. Инструменты для измерения веса груза обеспечивают точность даже в сложных условиях, благодаря надежной защите от пыли и влаги.

Типично тензодатчик включает не один, а целый мост из тензорезисторов, работающий по принципу моста Уитстона. В эту мостовую схему входят четыре тензорезистора, расположенные на гибкой подложке, что позволяет им деформироваться во время измерений.

В идеальном тензодатчике все резистивные элементы идентичны, что обеспечивает нулевую разность потенциалов на точках +S и -S в состоянии покоя, следовательно, через выходную цепь измерительного прибора ток не протекает. Однако в реальности всегда существует некоторая токовая нагрузка из-за конструктивных различий элементов и температурных колебаний.

Под воздействием механической нагрузки гибкая основа датчика деформируется, изменяя параметры всех резисторов в мосту. Обычно тензорезисторы в мосту испытывают попарное сжатие и растяжение, что приводит к искажению баланса моста и возникновению электрического тока на выходе тензодатчика. Как только нагрузка прекращается, гибкая основа возвращается в начальное состояние, и мост восстанавливает свое равновесие.

Виды и типы тензодатчиков

Тензометрические датчики находят применение во множестве устройств с различным функционалом, что обуславливает необходимость использования разнообразных типов датчиков для измерения различных физических воздействий. Ниже представлена классификация сенсоров на основе нескольких критериев.

Типы датчиков по форме грузоприемного основания:

• Консольные (балочные): используются в платформенных и конвейерных весах для взвешивания контейнеров и других грузов с массой от 5 до 7 тонн. Они отличаются низким профилем.
• Цилиндрические: имеют верхнюю часть в форме сферы, похожую на бочку, но с меньшей степенью качения и габаритами. Применяются в вагонных, бункерных и автомобильных весах для взвешивания грузов до 100 тонн.
• S-образные: предназначены для крановых, подвесных и бункерных весов, используются для измерения массы поднимаемых грузов и конструкций.
• Мембранные: находят применение в высокоточных измерителях и системах контроля.
• Колонные: устанавливаются в оборудовании для взвешивания крупногабаритных и тяжелых грузов.

Типы датчиков по методу измерения:

• Резистивные: используют тензорезисторы или мосты из них на гибком основании. Подразделяются на проволочные, фольгированные, одиночные, розетки, цепочки и мембранные розетки.
• Тактильные: состоят из двух проводников, разделенных перфорированной диэлектрической пленкой, которая реагирует на нажатие.
• Пьезорезонансные: работают на основе полупроводниковых элементов, сравнивающих измеряемый сигнал с эталонным.
• Пьезоэлектрические: используют напряжение, генерируемое определенными полупроводниковыми кристаллами.
• Магнитные: изменяют магнитную проницаемость в ответ на физические изменения.
• Емкостные: основаны на изменении емкости конденсатора, где вариации расстояния между пластинами влияют на емкость.

Тензодатчики могут быть спроектированы для измерения сжатия, растяжения или могут быть универсальными, что позволяет использовать их в широком спектре приложений.

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различных устройствах и механизмах для отслеживания реакции на физическое воздействие. В настоящее время его применение распространено на различные отрасли промышленности и сельского хозяйства, где он используется для:

• Измерения веса – установлен в электронных весах различных типов, включая автовесы и вагонные весы, которые обеспечивают точность взвешивания в транспортной и логистической отраслях.
• Определения ускорения – применяется при испытаниях транспортных средств.
• Измерения давления – широко используется в обработке поверхностей, контроле приложенной силы, механических устройствах и т. д.
• Контроля перемещения – служит для отслеживания движения строительных элементов, фундаментов, сейсмических приборов и т. д.
• Измерения крутящего момента – применяется в машиностроении, для технического обслуживания и других целей.

Тензодатчики используются в нескольких типах измерительных приборов: лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы и универсальные испытательные машины. С 1993 года Британская антарктическая служба устанавливала тензодатчики в гнездах из стекловолокна для взвешивания птенцов альбатросов.

Преимущества и недостатки тензодатчиков

Тензорезистивные датчики, благодаря своей универсальности, часто используются в различных весоизмерительных системах современного оборудования. Они предоставляют широкий диапазон измерений и обладают высокой точностью до 0,017%, что особенно важно при работе с динамически деформируемыми основаниями. Тензодатчики адаптированы для работы в различных температурных условиях за счёт возможности температурной компенсации и благодаря компактной плоской конструкции, могут быть установлены как на плоские, так и на криволинейные поверхности.

Эти датчики могут подключаться напрямую к контрольному блоку или располагаться на удалении от аналого-цифрового преобразователя. Они эффективны для измерений на мобильных деталях, в многоточечных конструкциях и в других подобных приложениях.

Однако у тензодатчиков есть недостатки:

• Чувствительность к изменениям температуры и влажности, хотя это обычно компенсируется.
• Потеря точности при вибрациях.
• Необходимость в усилителях сигнала для корректной интерпретации малых изменений сопротивления.
• Уязвимость компонентов перед агрессивными воздействиями окружающей среды, что требует защиты от коррозии, воды, химически активных веществ и механических повреждений.

Тензодатчики широко используются в бытовых, промышленных и высокоточных весоизмерительных устройствах. Их доступная стоимость и возможность ремонта делают их привлекательным выбором для многих пользователей, а разнообразие ценовых категорий обеспечивает доступность для широкого спектра потребителей.

Выбор прибора

При выборе тензодатчика рекомендуется учитывать множество параметров, включая наибольший предел измерения (НПИ), материал исполнения, класс точности, а также схему подключения.

Особенно популярными являются приборы, изготовленные из нержавеющей стали или алюминия, причём из последнего часто производят одноточечные модели. Важно помнить, что высокая точность измерения обусловливает повышение стоимости оборудования, поэтому необходимо чётко обосновывать потребность в приобретении высокоточных датчиков.

При подборе тензодатчика следует тщательно проверять следующие характеристики:

• Класс защиты устройства;
• Используемый материал;
• Диаметр или длину кабеля;
• Диапазон температур, в котором допустимо использование;
• НПИ.

Также целесообразно обращать внимание на производителя и страну изготовления устройства, что может существенно влиять на качество и надёжность прибора.

Итоги

Таким образом, тензодатчики занимают центральное место в современных системах взвешивания и измерения массы, обеспечивая высокую точность и надежность при определении веса в самых разнообразных сферах, включая производство, логистику, медицину и другие отрасли. Их простота и эффективность делают тензодатчики неотъемлемой частью технологических процессов и повседневной жизни..

Тензодатчики являются ключевым элементом современной техники и технологий, позволяющим точно измерять и контролировать процессы на основе данных о весе. Их значение продолжает расти на фоне развития промышленности и научных исследований, делая их важным направлением для дальнейшего изучения и инноваций.