Тензодатчик сжатия и растяжение

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