Меню

Какие датчики используются для измерения деформации



Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство

На многих предприятиях существует необходимость для измерения различных параметров, изменения состояния деталей, различных конструкций. Для решения этих задач используются тензометрические датчики. Они преобразовывают величину деформации в электрический сигнал. Это получается за счет уменьшения или увеличения сопротивления датчика во время деформации, нарушения геометрии формы датчика от сжатия или растяжения. В результате определяется значение деформации.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

В разных отраслях промышленности используется множество видов тензометрических датчиков:

  • Приборы, измеряющие силу и нагрузку.
  • Контроль давления.
  • Измерители ускорения.
  • Измерители перемещения.
  • Датчики контроля момента для станков, моторов автомобилей.

Модели датчиков разнообразны, но чаще всего используется датчик определения веса, который изготавливается в различных вариантах: шайбовый, бочковой, S-образный . Исходя из назначения подбирается необходимое исполнение.

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

  • Из фольги.
  • Пленочные.
  • Из проволоки.

Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочные датчики

изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

датчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Действие снаружи обрело название «внешний фактор», изменение сигнала – «внутренний фактор». Тогда можно сказать, что принцип работы датчика заключается в определении внешнего фактора с помощью внутреннего.

В быту тензометрические датчики работают в весах. Тензорезисторы подключены с поверхностью работы весов. Подключение к питанию весов осуществляется через батареи.

Этот контрольный прибор имеет высокую точность. Погрешность чувствительных элементов составляет менее 0,02%, это высокий показатель. Существуют приборы с чувствительностью гораздо выше этого. Их работа основана на контроле действия силы. Значение силы давления прямопропорционально преобразованному сигналу тензодатчика.

Принцип действия датчиков силы

Датчики силы, другими словами динамометры входят в состав приборов, измеряющих вес. Их отсутствие делает невозможным работу системы по автоматизированию техпроцессов на производстве. Они используются в сельском хозяйстве, строительстве, металлургии.

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:
  • Тактильные.
  • Резистивные.
  • Пьезорезонансные.
  • Пьезоэлектрические.
  • Магнитные.
  • Емкостные.
Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Конструкция состоит из 2-х пластин(1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент – тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.

Читайте также:  Укажите единицу измерения энергии кванта


1 — Подложка
2 — Чувствительный элемент
3 — Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические тензометрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал. Возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала.

Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. В нашем варианте катушка индуктивности расположена на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности.

Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Это параметрический тип датчиков, представляющий собой конденсатор. Чем больше площадь пластин, тем больше емкость. А чем больше промежуток между пластинами, тем меньше емкость.

Это свойство применяют для конструкции емкостных датчиков. Чтобы было удобно пользоваться измерениями, емкость преобразуют в ток. Для этого пользуются разными схемами подключения.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Преимущества тензометрических датчиков
  • Повышенная точность измерения.
  • Сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях.
  • Малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.

К недостаткам тензометрических датчиков, можно отнести снижение чувствительности при резких изменениях температуры. Для получения точных результатов рекомендуется делать контроль измерения при комнатной температуре.

Подключение тензодатчиков

Подключить тензометрические датчики можно легко самому, используя схему. Перед приобретением тензодатчиков определите длину кабеля подключения. Если короткий кабель наращивать в длину, то точность измерения индикатором будет значительно меньше. Оптимизацию этого параметра можно произвести контроллером SE 01, который действует вместо усилителя.

Если в конструкции весов применяются разные индикаторы, то их соединяют по параллельной схеме с помощью специальных коробок. Проводники датчиков обязательно заземляются, независимо от вида питания. Установка заземления производится в общей одной точке. Для этих целей применяется коробка для разветвления.

Далее проверяется правильность подключения по схеме датчиков, надежность контактов и заземления. Монтаж прибора осуществляется экранированным кабелем. Он заглушает помехи, вспомогательные модули при его использовании не нужны. По подобию подсоединяется преобразователь в дозатор.

Источник

Особенности и принцип действия тензометрических датчиков

Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

Читайте также:  Найдите диагональ прямого параллелепипеда если его измерения равны

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

  • С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
  • Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
  • Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

  1. Плоский проволочный.
  2. Фольговый.
  3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
  4. Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

  • Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
  • Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
  • S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

  • Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
  • Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
  • Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
  • Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.
Читайте также:  Чдд у мужчин измерение

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

  • Высокое сопротивление ползучести.
  • Отсутствие гистерезиса.
  • Влагостойкость.
  • Адгезионная способность.
  • Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.

Измерение крутящего момента

Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

  • Быстрое время отклика;
  • Простота компенсации температурных эффектов;
  • Малая чувствительность к динамическим воздействиям.
  • Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
  • Снижение точности показаний при вибрациях;
  • Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
  • Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

Источник