Что такое тензодатчик? Роль и применение в современных весоизмерительных технологиях

Тензодатчик (от лат. tensus — «напряженный») – это измерительный прибор для взвешивания, который находит применение в различных устройствах для определения веса объектов. Под влиянием веса в устройстве происходит механическая деформация, которую затем прибор регистрирует. Эта деформация преобразуется в сигнал (электрический или цифровой), который далее передается на дисплей для отображения веса. Он представляет собой резистивный измерительный преобразователь и является ключевым элементом в системах взвешивания с высокой точностью.

Тензометрический датчик, согласно пункту 2.1.2 ГОСТ 8.631-2013, функционирует как элемент для измерения веса, который отзывается на изменения физической нагрузки (усилия) и конвертирует это изменение в электрический сигнал. Эффективно, это резистор, который адаптирует свое сопротивление в ответ на приложенную силу. Такие устройства активно применяются для определения массы и нагрузки в системах весоизмерения. В зависимости от сферы использования, различаются типы тензодатчиков, которые отличаются по принципу действия и конструктивным характеристикам.

В качестве примера рассмотрим наиболее простую модель тензодатчика, где в качестве чувствительного элемента выступает тензорезистор. Конструктивно он представляет собой тонкую упругую проволоку или пленку, которая размещена на контролируемой поверхности.

Принцип работы тензорезистора основывается на законе Гука, который гласит, что изменение электрического сопротивления элемента относительно его начального состояния пропорционально его растяжению или сжатию. Этот принцип определяет 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 (см. рисунок 1):

Рис. 1. Устройство тензодатчика

В отсутствие деформации проволочные элементы тензорезистора обладают установленной длиной и сечением проводника.

Когда происходит растяжение тензодатчика, длина проводящих элементов возрастает, в то время как их поперечное сечение сокращается, что ведет к увеличению омического сопротивления тензорезистора. При сжатии наблюдается противоположный эффект: длина проводников уменьшается, а поперечное сечение увеличивается, что способствует снижению сопротивления. Эти изменения сопротивления и составляют основу работы тензодатчика.

Оборудование создано из сверхчувствительного тензорезистора, изготовленного из специальных тензочувствительных материалов. Часто в производстве применяются алюминиевая проволока, пленка или фольга. Резистор функционирует по тому же принципу, что и другие весоизмерительные устройства. Благодаря изменению сопротивления прибора, возможно точно определить воздействующую на датчик силу, а также массу взвешиваемого груза.

Принцип работы системы измерения массы с использованием этого устройства отличается своей простотой. Приборы для взвешивания эффективно функционируют даже в условиях повышенной пыли и влажности, благодаря надежной защите.

В большинстве случаев тензодатчик включает не один, а мостовую измерительную схему из четырех тензорезисторов, установленных на гибкой основе, что способствует точности деформаций в процессе измерений.

В идеальном состоянии покоя все резистивные элементы тензодатчика подобраны таким образом, что разность потенциалов в точках + S и – S равна нулю, что означает отсутствие тока в выходной цепи измерительного прибора. Однако в реальных условиях всегда существует токовая нагрузка, обусловленная конструктивными особенностями и температурными изменениями.

При воздействии механической нагрузки гибкое основание деформируется, вызывая изменения параметров всех резисторов в мостовой схеме, что приводит к изменению тока через выходное устройство. После прекращения нагрузки гибкая основа возвращается в исходное состояние, восстанавливая равновесие в измерительном мосте.

Приведен пример простейшего четырехпроводного тензометрического датчика, хотя в практике применяются также пяти- и шестипроводные сенсоры, адаптированные под специфические требования конкретных устройств.

Область применения тензометрических датчиков охватывает широкий спектр устройств с разнообразными функциональными задачами, что требует использования различных типов тензодатчиков для точного измерения физических воздействий. Ниже представлена классификация сенсоров на основе нескольких критериев.

Типы датчиков по форме грузоприемного основания:

Используются в платформенных и конвейерных весах для взвешивания контейнеров и других грузов, обычно массой от 5 до 7 тонн. Отличаются компактным исполнением.

Характеризуются верхней частью в форме сферы, похожей на «бочку», но с меньшей степенью качения и габаритами. Применяются в вагонных, бункерных и автомобильных весах, позволяя взвешивать грузы до 100 тонн.

Незаменимы для измерения массы грузов, поднимаемых краном. Используются в крановых, подвесных и бункерных весах.

Находят применение в системах контроля и высокоточных измерителях.

Устанавливаются в тяжелом оборудовании с большой массой.

Типы датчиков по методу измерения:

Работают на основе тензорезисторов или мостов из них, которые размещаются на гибком основании. Варьируются по типу (проволочные, фольгированные) и конфигурации (одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки).

Состоят из двух проводников, разделенных перфорированной пленкой диэлектрика, которая реагирует на нажатие.

Основаны на полупроводниковых элементах, которые сравнивают реальный сигнал с эталонным.

Используют электрическое напряжение, возникающее в некоторых полупроводниковых кристаллах под воздействием механического давления.

Изменяют свою магнитную проницаемость в зависимости от приложенных физических параметров.

Работают как переменные конденсаторы, где изменение расстояния между пластинами приводит к изменению емкости.

Тензодатчики способны реагировать на сжатие или растяжение, а также могут быть адаптированы для универсального использования в зависимости от потребностей применения.

Тензодатчики интегрированы в разнообразные устройства и механизмы, обеспечивая надежное отслеживание реакций на физические воздействия. Сфера их применения широка и охватывает различные отрасли промышленности и сельского хозяйства, где они выполняют ключевые функции:

Тензодатчики включены в состав множества измерительных устройств, таких как лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы и универсальные испытательные системы. С 1993 года Британская антарктическая служба использует тензодатчики, установленные в гнездах из стекловолокна, для взвешивания птенцов альбатросов. Эти устройства также находят применение в специализированных приспособлениях, таких как семипостовой шейкер, который широко используется для точной настройки гоночных автомобилей.

Тензорезистивные датчики являются распространенным выбором в арсенале современных весоизмерительных устройств благодаря их способности обеспечивать широкий спектр измерений и высокую точность, достигающую до 0,017% в зависимости от модели. Особенно эффективны эти датчики в условиях динамических деформаций основания, что делает их идеальными для использования в высокочастотных приложениях. Благодаря своей способности к компенсации, тензодатчики функционируют в широком диапазоне температур. Их плоская и компактная конструкция позволяет легко монтировать их как на плоские, так и на криволинейные поверхности.

Тензодатчики могут быть подключены непосредственно к контрольному блоку или установлены на расстоянии от аналого-цифрового преобразователя, что обеспечивает гибкость в их применении для измерений на движущихся деталях или в нескольких точках конструкции одновременно.

Однако у тензодатчиков есть и недостатки:

Тензодатчики широко применяются в разнообразных приложениях, от бытовых до высокоточных и специализированных весоизмерительных приборов. Они доступны по цене и могут подлежать ремонту в редких случаях, что делает их привлекательными для широкого круга потребителей и предоставляет различные ценовые категории для выбора.

При выборе тензодатчика следует обращать внимание на ряд критических характеристик, которые определяют его эффективность и применимость в конкретных условиях. Важные показатели включают:

Это максимальная нагрузка, которую может измерить устройство без риска повреждения.

Нержавеющая сталь и алюминий являются популярными выборами, при этом алюминий часто используется для изготовления одноточечных моделей. Материал влияет на долговечность и коррозионную стойкость устройства.

Этот параметр определяе��, насколько точно устройство может измерять. Высокая точность необходима в приложениях, где критичны малейшие отклонения, но это также увеличивает стоимость прибора.

Определяет, как датчик будет интегрирован в общую систему измерений, включая типы кабелей и соединений.

Дополнительные параметры для проверки включают:

Указывает на уровень защиты устройства от внешних воздействий, таких как пыль и вода.

Важен для понимания, насколько легко датчик будет интегрироваться в систему без необходимости дополнительных модификаций.

Это критично для приложений, работающих в экстремальных условиях, где температура может влиять на работу и точность устройства.

Рекомендуется также учитывать производителя и страну производства устройства, поскольку это может сказаться на качестве, надежности поддержки и доступности запасных частей. Выбор надежного производителя с хорошей репутацией может значительно упростить техническое обслуживание и ремонт в будущем.

Таким образом, тензодатчики играют важнейшую роль в современных системах взвешивания и измерения массы, обеспечивая высокую точность и надежность в определении веса грузов в самых разных сферах применения, включая производство, логистику, медицину и многие другие. Благодаря их простоте в использовании и эффективности, тензодатчики стали неотъемлемой частью технологических процессов и повседневной жизни.

В данной статье мы также рассмотрели обзор различных видов и типов тензодатчиков, подчеркивая их разнообразие и универсальность. От консольных до мембранных, от резистивных до емкостных — каждый тип обладает уникальными характеристиками и преимуществами, позволяя оптимально подобрать устройство для решения конкретных задач.

В целом, тензодатчики являются неотъемлемой частью современной инженерии и технологий, обеспечивая точные измерения и контроль за процессами на основе данных о весе. Их роль и значимость продолжают расти вместе с ��азвитием промышленности и научных исследований, делая их критически важными для дальнейшего прогресса во многих отраслях.