Тензодатчики растяжения и сжатия

«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.