Тензометрический датчик: принцип работы и области применения

Многие производственные и измерительные процессы невозможно представить без использования высокоточных датчиков. Одним из наиболее распространенных является тензометрический датчик. Давайте разберемся, как он устроен, по какому принципу работает и где применяется.

Что такое тензометрический датчик и каков принцип его работы

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это датчик, который преобразует величину деформации в удобный для измерения электрический сигнал. Он является основным компонентом тензометра — прибора для измерения деформаций.

Принцип работы тензодатчика основан на тензоэффекте — способности материала изменять электрическое сопротивление при деформации. Основным элементом тензодатчика является тензорезистор — тонкая фольговая решетка, наклеенная на гибкую подложку. При деформации подложки сопротивление тензорезистора изменяется, что фиксируется измерительной схемой.

Существует несколько типов тензометрических датчиков:

• тензорезистивные — наиболее распространенные, основаны на изменении сопротивления резистора;
• пьезоэлектрические — основаны на появлении электрического заряда в пьезоэлементе при деформации;
• пьезорезонансные — измеряют частоту механических колебаний пьезоэлемента;
• оптические — регистрируют деформацию по изменению оптических свойств.

Тензодатчик обычно состоит из тензорезистора, закрепленного на упругом элементе. При деформации этого элемента меняется сопротивление тензорезистора, что позволяет рассчитать величину деформации и приложенное усилие.

Тензорезисторы в датчике могут соединяться по мостовой схеме. Наиболее распространена четырехпроводная схема, позволяющая подключать датчик напрямую к измерительному блоку. Для передачи сигнала на большие расстояния используют шестипроводную схему, компенсирующую падение напряжения в линии.

К достоинствам тензодатчиков можно отнести простоту конструкции, низкую стоимость, возможность изготовления миниатюрных датчиков. К недостаткам — зависимость показаний от температуры и чувствительность к электромагнитным помехам.

Основные типы тензометрических датчиков

Существует множество разновидностей тензодатчиков, отличающихся принципом работы, конструкцией, областью применения. Рассмотрим основные из них.

По типу измеряемой нагрузки:

• На растяжение-сжатие

• На кручение

• На изгиб

По конструкции измерительного тела:

• Балочные
• С-образные
• Мембранные

Балочные датчики просты в изготовлении, но чувствительны к поперечным нагрузкам. С-образные и мембранные конструкции позволяют снизить влияние паразитных усилий.

По материалу корпуса:

• Из стали

• Из алюминиевых сплавов

• Из нержавеющей стали

Материал корпуса определяет прочность, коррозионную стойкость, диапазон рабочих температур датчика.

По степени защиты от внешних факторов:

• Общего назначения - IP54, IP65
• Пылевлагозащищенные - IP66, IP67
• Взрывозащищенные - IP68

Чем выше IP класс, тем надежнее работа датчика в агрессивных средах.

Важными характеристиками тензодатчиков являются также диапазон рабочих температур, пределы измерения, чувствительность, точность и др. Их выбор зависит от условий эксплуатации и требований к измерениям.

Области применения тензодатчиков

Благодаря простоте, надежности и универсальности, тензодатчики нашли широкое применение в различных областях.

• Весоизмерительные системы: промышленные весы, дозаторы, весовые комплексы.
• Контроль деформации и напряжения в конструкциях: мосты, опоры ЛЭП, здания.
• Системы автоматизации: робототехника, станочное оборудование.
• Авиация и космонавтика: контроль нагрузок на элементы конструкции.
• Автомобилестроение: датчики давления в шинах, контроль нагрузки.

Кроме того, тензодатчики применяются для измерения давления в трубопроводах, силы затяжки резьбовых соединений, в медицинской технике и во многих других областях. Особое место тензодатчики занимают в весоизмерительном оборудовании. Рассмотрим их применение в весах более подробно.

Тензодатчики в составе весоизмерительного оборудования

Тензометрические датчики являются основными первичными преобразователями веса в составе весоизмерительных систем. Они выполняют функцию регистрации механической деформации грузоприемного устройства и преобразования ее в электрический сигнал. Рассмотрим особенности применения тензодатчиков в весах.

Типы тензодатчиков, используемых в весах

В зависимости от конструкции весовой платформы могут применяться тензодатчики различных типов:

• Балочные - для небольших весов с прямоугольной платформой.
• С-образные - для весов с круглой или многогранной платформой.
• Мембранные - для весов с бункерными и емкостными весоприемными устройствами.

Как правило, в весах средней и большой грузоподъемности используются многоточечные тензосистемы, содержащие от 2 до 8 тензодатчиков. Это повышает точность весов за счет усреднения показаний.

Совместимость с вторичными устройствами

Сигналы с тензодатчиков в весах поступают на вторичный измерительный преобразователь - весовой терминал. Современные цифровые терминалы совместимы с тензодатчиками различных типов и могут работать как с аналоговыми, так и с цифровыми датчиками. Это позволяет использовать уже имеющиеся тензодатчики при модернизации весов.

Передача данных о весе груза

В цифровых весах данные с тензодатчиков передаются в терминал по интерфейсам RS-232, RS-485, CAN и др. Возможна как проводная, так и беспроводная передача данных на расстояние до 100 метров. Благодаря цифровым интерфейсам обеспечивается высокая помехозащищенность и достоверность передаваемой информации о весе.

Тензодатчики в составе весовых комплексов

В сложных весовых комплексах, таких как автомобильные, вагонные, конвейерные весы, могут использоваться десятки тензодатчиков. Они объединяются в единую многоканальную измерительную систему с центральным процессорным блоком. Такая система позволяет контролировать весовые нагрузки на каждый опорный элемент весов в режиме реального времени.

Монтаж и замена тензодатчика

Установка тензодатчиков в весах должна производиться в соответствии с инструкцией производителя весов. Особое внимание уделяется надежному креплению датчика к весоприемному устройству и герметичности электрических соединений. При замене вышедшего из строя тензодатчика следует использовать аналогичную модель и провести проверку и юстировку весов.

Таким образом, тензометрические датчики являются одним из ключевых компонентов современных весоизмерительных систем. От их метрологических и технических характеристик напрямую зависит точность и надежность работы весового оборудования.