Тензодатчик что это. Тензодатчик: принцип работы, виды и применение в измерительных системах

Что такое тензодатчик и как он работает. Какие существуют виды тензодатчиков. Где применяются тензодатчики в промышленности и быту. Как выбрать подходящий тензодатчик для конкретной задачи.

Что такое тензодатчик и принцип его работы

Тензодатчик — это устройство, предназначенное для измерения деформаций, напряжений и других механических величин путем преобразования их в электрический сигнал. Принцип работы тензодатчика основан на явлении тензорезистивного эффекта — изменении электрического сопротивления проводника при его деформации.

Как работает тензодатчик? При воздействии внешней силы на чувствительный элемент датчика происходит его деформация. Это вызывает изменение сопротивления тензорезистора, которое преобразуется в электрический сигнал. Величина этого сигнала пропорциональна приложенной силе или деформации.

Основные компоненты тензодатчика:

• Чувствительный элемент (упругий элемент)
• Тензорезисторы
• Электрическая схема (обычно мостовая)
• Корпус

Виды тензодатчиков и их особенности

Существует несколько основных видов тензодатчиков, различающихся по конструкции и принципу действия:

1. Резистивные тензодатчики

Это наиболее распространенный тип. Принцип действия основан на изменении сопротивления проводника при деформации. Резистивные тензодатчики подразделяются на:

• Проволочные
• Фольговые
• Полупроводниковые

2. Пьезоэлектрические тензодатчики

Работают на основе пьезоэлектрического эффекта — возникновения электрических зарядов при деформации некоторых кристаллов. Отличаются высокой чувствительностью и быстродействием.

3. Оптические тензодатчики

Используют изменение оптических свойств волокна или решетки при деформации. Нечувствительны к электромагнитным помехам.

4. Емкостные тензодатчики

Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора при деформации его обкладок. Применяются для измерения малых перемещений.

Применение тензодатчиков в различных областях

Тензодатчики нашли широкое применение в различных сферах промышленности и науки благодаря своей универсальности и точности измерений.

Основные области применения тензодатчиков:

• Весоизмерительная техника
• Автомобилестроение
• Авиация и космонавтика
• Строительство и мониторинг конструкций
• Машиностроение
• Медицина
• Научные исследования

В весоизмерительной технике тензодатчики используются практически во всех современных электронных весах — от бытовых до промышленных. Как тензодатчики применяются в весах? Они преобразуют силу тяжести взвешиваемого объекта в электрический сигнал, который затем обрабатывается и отображается на дисплее.

Ключевые характеристики тензодатчиков

При выборе тензодатчика для конкретной задачи важно учитывать его основные характеристики:

1. Чувствительность

Чувствительность тензодатчика — это отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Высокая чувствительность позволяет измерять малые деформации.

2. Линейность

Линейность характеризует степень пропорциональности между входной и выходной величинами. Идеальный тензодатчик должен иметь линейную характеристику во всем диапазоне измерений.

3. Гистерезис

Гистерезис — это разность показаний датчика при одинаковой нагрузке, но разных направлениях ее изменения (увеличение или уменьшение). Минимальный гистерезис обеспечивает более точные измерения.

4. Температурная стабильность

Характеризует зависимость показаний датчика от температуры окружающей среды. Важна для работы в условиях значительных температурных колебаний.

Особенности выбора тензодатчиков для различных задач

Выбор подходящего тензодатчика зависит от конкретной задачи и условий эксплуатации. Какие факторы следует учитывать при выборе тензодатчика?

• Диапазон измерений
• Требуемая точность
• Условия окружающей среды (температура, влажность, агрессивные среды)
• Динамические характеристики измеряемого процесса
• Габаритные ограничения
• Совместимость с измерительной системой

Для измерения больших нагрузок в промышленности часто используются S-образные тензодатчики или датчики сжатия. В лабораторных условиях, где требуется высокая точность, могут применяться прецизионные тензодатчики с температурной компенсацией.

Тензодатчики в системах мониторинга конструкций

Одно из важных применений тензодатчиков — мониторинг состояния инженерных сооружений. Как тензодатчики используются для контроля состояния зданий и мостов?

Тензодатчики устанавливаются в ключевых точках конструкции и позволяют в режиме реального времени отслеживать напряженно-деформированное состояние элементов. Это дает возможность:

• Оценивать текущее состояние конструкции
• Выявлять потенциально опасные изменения на ранних стадиях
• Прогнозировать остаточный ресурс сооружения
• Оптимизировать график технического обслуживания

Такие системы мониторинга особенно важны для ответственных и уникальных сооружений — высотных зданий, мостов, дамб, стадионов.

Перспективы развития технологии тензодатчиков

Технология тензодатчиков продолжает развиваться. Какие инновации ожидаются в этой области в ближайшем будущем?

• Миниатюризация датчиков для использования в микроэлектромеханических системах (МЭМС)
• Повышение чувствительности и точности измерений
• Разработка новых материалов для тензорезисторов с улучшенными характеристиками
• Интеграция тензодатчиков с беспроводными технологиями для создания распределенных сенсорных сетей
• Применение технологий искусственного интеллекта для анализа данных с тензодатчиков

Эти инновации позволят расширить сферу применения тензодатчиков и повысить эффективность измерительных систем во многих отраслях.

Особенности калибровки и обслуживания тензодатчиков

Для обеспечения точности измерений тензодатчики требуют правильной калибровки и регулярного обслуживания. Как производится калибровка тензодатчиков?

Процесс калибровки обычно включает следующие этапы:

1. Подготовка эталонных нагрузок
2. Нагружение датчика известными нагрузками
3. Измерение выходного сигнала
4. Построение калибровочной кривой
5. Настройка измерительной системы в соответствии с полученной кривой

Периодичность калибровки зависит от типа датчика, условий эксплуатации и требований к точности измерений. В некоторых случаях может потребоваться ежедневная калибровка, в других — достаточно проводить ее раз в год.

Помимо калибровки, важно соблюдать правила эксплуатации тензодатчиков:

• Защищать от механических повреждений
• Не допускать перегрузок
• Соблюдать температурный режим
• Защищать от влаги и агрессивных сред
• Регулярно проводить проверку и очистку

Правильное обслуживание позволяет продлить срок службы тензодатчиков и обеспечить стабильность их характеристик.

ESIT | Статьи | Автомобильные весы, весовое оборудование

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это специальное оборудование для измерения деформации конструкции под воздействием какой-то силы (сила тяжести, сила давления). Это основной элемент весоизмерительного оборудования. Есть много видов тензометрических датчиков: оптоволоконный, тензорезистивный, оптико-поляризационный, механический (считывающий показания с линейной шкалы).

Самыми востребованными и распространенными тензодатчиками являются датчики с электронной системой для обработки сигнала. Принцип работы таких тензодатчиков заключается в том, что сила, воздействующая на конструкцию, вызывает деформацию упругой конструкции тензодатчика. Деформация вызывает сопротивление тензорезистора, которая отражается в выходном сигнале.

При выборе тензодатчиков основное внимание уделяется точности измерений, устойчивости к химическому и физическому воздействию, сроку службы. К этим общим требованиям на нашем рынке на выбор еще влияют доступная цена, экономичность в процессе эксплуатации, работоспособность в различных природных условиях, при очень низкой или высокой температуре.

Для надежности и долгого срока службы многие тензодатчики имеют специальную защиту от грязи и влажности. Данные о защите тензодатчика от влияния внешних факторов используется рейтинг IP (Ingress protection rating), который обязательно прописывается в технической документации на тензодатчик.

Тензодатчики используются не только в весоизмерительной технике, но и для мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций зданий, что является основным методом контроля изменений для инженерных сооружений. Изменение напряженно-деформированного состояния таких конструкций может быть вызвано множеством причин: плохое качество строительных материалов, нарушения в проекте и в строительных работах, неравномерная осадка фундамента инженерного сооружения, просчеты в проектировании нагрузкок и многие другие. Для мониторинга динамики развития напряжений в конструкциях здания используются тензометрические датчики различных видов. Выбор тензодатчика определяется местом и способом установки, а также примерной нагрузкой на датчик.

Полученные при контроле состояния инженерных сооружений данные позволяют отслеживать в режиме реального времени динамику изменения напряжений в конструктивных элементах сооружений во время строительства или эксплуатации зданий, предотвратить несчастные случаи из-за нарушения целостности конструкции, оценить работу несущих конструкций в целом.

В строительстве и возведении сооружений наиболее удобны и популярны следующие типы тензометрических датчиков:

Струнные тензометрические датчики (изготавливаются из закаленного металла для надежности) — для контроля напряженно-деформированного состояния стальных и железобетонных несущих конструкций.

Закладные струнные тензометрические датчики — для контроля армирующих металлоконструкций непосредственно перед заливкой их бетоном для измерения деформаций в наиболее нагруженных по результатам расчетов конструктивных элементах зданий: фундаментной плите, стенах, колоннах и т. д. 

Резистивные тензометрические датчики — это 4-х электрических тензодатчика и закаленный стальной стержень. Такая конструкция позволяет минимизировать влияние температурных колебаний и изгиба несущего стержня. Есть варианты реализации таких тензометрических датчиков для установки в железобетонные конструкции и для установки на стальные несущие конструкции.

Варьируется и способ прикрепления накладных тензодатчиков: для измерения деформаций в стальных несущих конструкциях они могут устанавливаться на них при помощи аппарата точечной сварки или могут прикрепляться эпоксидной смолой на конструктивные элементы металлоконструкций.

Весь текстСкрыть

Тензодатчик

Тензодатчик — основные сведения

 

Тензометрический датчик или тензодатчик, предназначается для измерения деформации, тех или иных объектов исследования. Флуктуации геометрических характеристик образца, приводят к изменению, каких-либо физических свойств датчика, которые могут быть замерены. Используются тензодатчики, для измерения: силы, давления, ускорения, перемещения, крутящего момента. Наиболее простыми, являются механические тензодатчики.

Считывание показаний в них, осуществляется со специальной линейки. Также существуют, пьезорезистивные, оптико-поляризационные, волоконно-оптические датчики. Наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики. Это связано, с относительной простотой и надёжностью их работы.

Принцип работы тензорезистивного датчика, основывается на законе, который в 1856 году, открыл лорд Кельвин. Он заключается в том, что под действием растягивающего усилия, которое меняет геометрические характеристики проводника, изменяется, его электрическое сопротивление. Это изменение, можно замерить и сопоставить со степенью деформации датчика, которая в свою очередь, может быть сопоставлена со степенью деформации, исследуемого образца.

В состав измерительного моста, как одно из сопротивлений, включён тензодатчик. Производится калибровка моста, при которой сопротивление между контрольными точками, равно нулю. Одна из проводящих ветвей, снабжена тензодатчиком, а другая уравновешена резистором. При изменении физических параметров тензодатчика, его сопротивление изменяется, а сопротивление резистора на свободной ветви, остаётся неизменным. Это приведёт к тому, что изменится напряжение, между контрольными точками. Закон изменения этого напряжения, будет точно сопоставляться, с изменениями физических параметров, воздействующих на объект исследования, на котором установлен тензодатчик. Вплоть до восьмидесятых годов прошлого века, показания обрабатывались, с помощью бумажных самописцев. В настоящее время, используются электронные методы. Сигнал передаётся на компьютер, где его исследуют специальные программы.

 

 

 

Виды тензодатчиков

Существуют различные виды тензодатчиков. Одноточечные датчики, преобразуют механическую деформацию изгиба, в сигнал, который пропорционален, этой деформации. Тензоризисторные, консольные датчики, преобразуют механическую деформацию сдвига, в электрический сигнал, пропорциональный степени этой деформации. Они, представляют, из себя, консольную балку. S-образные датчики, преобразуют в электрический сигнал, механическое усилие, сжатия или растяжения, направленное вдоль оси датчика.

 

Параметры сигнала, соответствуют величине, приложенной к объекту исследования, силы. Цилиндрические тензорезисторные датчики, осуществляют, преобразование усилия сжатия, в электрический сигнал, пропорциональный энергии сжатия. Эти датчики, в различных источниках, также, называются – шайбами или бочками. Существует ряд направлений, для применения тензорезисторных датчиков. Они используются, для исследования напряжений в строительных конструкциях.

 

Привариваемые датчики, служат, для контроля за металлическими составляющими, зданий и сооружений. Датчик крепится к объекту исследования, методом точечной сварки. Для защиты, от неблагоприятных факторов внешней среды, он защищается, слоем гарметика. Для защиты от случайного механического разрушения, сверху его прикрывают, металлическим кожухом. В случае невозможности использования, сварки, могут использоваться привинчивающиеся датчики. Также, возможно крепление, с помощью специального клея, на каменные, бетонные, кирпичные и другие подобные поверхности. Тензометрические датчики, используются во всех типах электронных весов, например на бетонных заводах.

В зависимости от конструктивных особенностей и характера, решаемых оборудованием задач, могут применяться все типы датчиков. Используются тензодатчики, также, в системах пожарной и охранной сигнализации и контроля доступа. Датчики измерения моментов, используются в строительной технике, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте и в авиации. Для осуществления контроля, за износом оборудования, тензорезисторные датчики служат в машиностроении, металлообработке, сталелитейной промышленности. Датчики S-образного типа, широко применяются в такелажном оборудовании. Они крепятся на металлические тросы, для определения, степени приближения к опасным перегрузкам. Для работ связанных с измерением механических нагрузок, в условиях повышенных или пониженных температур, используются специальные типы тензодатчиков.

Они проходят специальную калибровку, позволяющую учитывать, изменение сопротивления датчика, связанного с изменением температуры и отфильтровывать эти помехи, от истинного сигнала. При работе датчиков при особо высоких температурах или в агрессивных средах, датчики оборудуются защитой. Используются датчики, также, при проведении, неразрушающего контроля за различными изделиями. Высокая точность измерений и низкая себестоимость тензодатчиков, позволяет широко использовать их в космической технике, для оснащения разгонных блоков, ракет-носителей. Небольшая масса тензодатчиков и возможность их установки в труднодоступных местах, позволяет использовать их, также, для оборудования пилотируемых и беспилотных космических кораблей.

 

 

Что такое тензодатчик

Что такое тензодатчик?

Как получить весы для точного измерения веса 18-колесного грузовика? Какой прибор вы бы использовали для измерения силы укуса большой белой акулы? Может показаться, что эти вопросы относятся к двум очень разным ситуациям, но, как ни странно, у них один и тот же ответ: с помощью тензодатчика.

Тензодатчик, также известный как датчик нагрузки или силы, представляет собой датчик, который измеряет приложенные силы. Тензодатчики способны измерять как растяжение (сила, необходимая для того, чтобы что-то тянуть), так и сжатие (сила, необходимая для того, чтобы что-то толкнуть). Чтобы измерить эти силы, датчик создает электрический выходной сигнал, который изменяется в зависимости от величины приложенного сопротивления.

Датчики силы очень распространены и встроены в предметы, которые люди используют каждый день, такие как системы самообслуживания в продуктовых магазинах или напольные весы. Но они также используются в более высокотехнологичных условиях. Инженеры полагаются на эти датчики для измерения тяги ракетного двигателя, силы захвата роботизированной клешни и множества других передовых приложений.

Различные типы тензодатчиков:

Существует три основных типа тензодатчиков, в которых используется различный способ преобразования приложенной силы в электрическую мощность: пневматические тензодатчики, гидравлические тензодатчики и тензометрические тензодатчики.

Внутри этих трех основных категорий есть подкатегории. Мы сосредоточимся на наиболее распространенном типе тензодатчика: тензодатчике.

Тензодатчики представляют собой тип резистивных тензодатчиков, который включает в себя одноточечные тензодатчики, кнопочные тензодатчики, S-образные тензодатчики, миниатюрные тензодатчики, сквозные тензодатчики и блинчатые тензодатчики. Каждый подраздел идеально подходит для определенного типа теста. Тензодатчик с S-образной балкой будет использоваться в приложениях, где испытываются силы растяжения и сжатия. Кнопочный тензодатчик подходит только для измерения сжатия, в то время как тензодатчик со сквозным отверстием будет лучшим выбором для измерения нагрузок, которые необходимо навинчивать (например, испытание усилия болта).

Вот обзор наиболее распространенных типов тензодатчиков с тензодатчиками:

Линейные тензодатчики – Чаще всего их называют линейными тензодатчиками или канистровыми тензодатчиками с наружной резьбой. Этот тип датчика может использоваться как в приложениях нагрузки на растяжение, так и на сжатие. Встроенные тензодатчики обеспечивают высокую точность и высокую жесткость при минимальном необходимом монтажном зазоре. Они отлично подходят для упражнений на выносливость, вне центра и пресса.

Весоизмерительные ячейки с кнопкой нагрузки . Эти тензодатчики имеют единую плоскую выступающую поверхность (также известную как кнопка), к которой прикладывается сжимающая сила. Что впечатляет в кнопках загрузки, так это их низкопрофильный дизайн. Какими бы маленькими они ни были, они известны своей надежностью и используются в усталостных испытаниях.

Тензодатчики с S-образной балкой

— с другими названиями, включая Z-образные или S-образные тензодатчики, S-образная балка представляет собой датчик растяжения и сжатия с внутренней резьбой для монтажа. Обладая высокой точностью и тонким компактным профилем, этот тип тензодатчика отлично подходит для встроенной обработки и приложений с обратной связью для автоматизированного управления.

Тензодатчики со сквозным отверстием . Эти датчики, также известные как кольцевые или шайбовые, имеют гладкий внутренний диаметр и используются для измерения сжимающих нагрузок, требующих прохождения стержня через его центр. Одним из основных применений этого типа датчика является измерение нагрузки болта.

Блинчатые тензодатчики – Блинчатые, канистровые или универсальные тензодатчики имеют центральное отверстие с резьбой для измерения нагрузок при растяжении или сжатии. Эти тензодатчики используются в приложениях, требующих высокой износостойкости, высокой усталостной долговечности или высокопроизводительных поточных измерений. Они также обладают высокой устойчивостью к внеосевым нагрузкам.

Тензодатчики со штоком – Этот тип тензодатчика имеет одну наружную и одну внутреннюю резьбу для монтажа. Сочетание наружной и внутренней резьбы хорошо подходит для приложений, где необходимо адаптировать датчик к существующему приспособлению.

Как работают тензодатчики?

Тензодатчики обычно производят электрический сигнал в милливольтах, который изменяется пропорционально приложенной нагрузке. Однако некоторые тензодатчики производят цифровые сигналы или усиленные аналоговые сигналы, которые различаются либо по напряжению, т.е. +/-10 В, либо по току, т.е. 4-20 мА.

Так как же тензодатчики производят электрический сигнал? Внутри тензометрические датчики присоединены к ключевым точкам конструкции и соединены проводами в полноценный мост Уитстона. Внутри каждого калибра находится ряд тонких проволок. Когда к тензодатчику прикладывается сила, тензометрические датчики подвергаются неупругой деформации, что приводит к изменению длины тонких проводов датчиков. Это изменяет сопротивление тензорезисторов, вызывая измеримое изменение напряжения на мосту. Это изменение напряжения представляет собой линейную зависимость от нагрузки.

Как вы читаете сигнал датчика?

Для считывания выходного сигнала тензодатчика и просмотра результатов тестирования можно использовать аналоговый усилитель для сбора данных, ПЛК или другого аналогового дисплея. Другой вариант — подключить датчик к цифровому инструменту, такому как USB, который затем передает данные на компьютер. Любой из них может быть интегрирован для работы с тензодатчиками, датчиками крутящего момента и датчиками давления, обеспечивая при этом высокую точность показаний.

Что такое тензодатчики и как они работают?

Встаете ли вы на весы в ванной или кладете продукты на весы для расчета цен в местном продуктовом магазине, задумывались ли вы когда-нибудь о том, как весы, которые вы используете, на самом деле вычисляют вес продукта, который вы едите? взвешивание?

Хотите верьте, хотите нет, но секрет работы весов заключается в небольшом внутреннем устройстве, известном как тензодатчик.

Что такое тензодатчик?

Тензодатчик, также известный как датчик силы, представляет собой небольшой, в основном металлический предмет, который весы используют для определения веса предмета. Существует множество различных типов тензодатчиков, каждый из которых имеет особую конструкцию и предназначение, и мы рассмотрим их более подробно чуть позже.

Если бы весы были человеческим телом, то тензодатчики больше всего походили бы на сенсорные нейроны. Они запускаются физическими входными данными из окружающей среды (то есть силой измеряемого объекта), а затем преобразуют эти входные данные в сообщение, которое отправляется в мозг для интерпретации и ответа.

Как работает тензодатчик?

Тензодатчики работают путем преобразования определенного типа механической силы — обычно растяжения, крутящего момента, сжатия или давления — в выходной сигнал. Затем этот выходной сигнал передается по нагрузочному кабелю на индикатор весов, где оператор может измерить и прочитать точный вес.

Это, безусловно, много, чтобы распаковать, так что давайте продолжим и углубимся во внутреннюю работу тензодатчика, чтобы, надеюсь, пролить свет на то, что все это значит.

Неудивительно, что внутренняя работа тензодатчика зависит от его типа. Несмотря на то, что сегодня используются нагрузки различных типов, мы сосредоточимся здесь на трех наиболее популярных типах: гидравлических тензодатчиках, пневматических тензодатчиках и тензометрических тензодатчиках.

Тензодатчики нагрузки

Из этих трех датчиков тензометрические датчики нагрузки являются наиболее распространенными, и их можно найти почти в каждом типе весов, выпускаемых сегодня.

Тензорезистор обычно изготавливается из очень тонкой проволоки или металлической фольги, расположенной в виде сетки. Они могут воспринимать вес объекта, воздействующего на тензодатчик, и преобразовывать его в электрический сигнал.

В большинстве современных тензодатчиков используется проводная система из четырех тензодатчиков, расположенных в стратегически важных местах, что обеспечивает максимальную точность измерений. Когда объект помещается на весы, сопротивление каждого тензодатчика будет меняться, вызывая колебания выходного напряжения. Именно это изменение выходного напряжения измеряется и преобразуется в цифровое значение для чтения оператором весов.

Пневматические датчики веса

Пневматические датчики веса становятся все более популярными в лабораторных условиях, где чистота и безопасность имеют первостепенное значение. Это потому, что они невероятно стабильны, способны выдерживать экстремальные температуры и, в отличие от гидравлических тензодатчиков, не содержат жидкостей, которые могут разорваться и загрязнить помещение.

Когда объект помещается на весы, пневматический тензодатчик использует манометр для измерения смещения сжатого газа (обычно воздуха) внутри внутренней диафрагмы. Чем тяжелее объект, тем сильнее будет деформироваться диафрагма, в результате чего больше воздуха выйдет через сопло на другом конце тензодатчика.

Гидравлические датчики веса

Поскольку гидравлические датчики нагрузки являются полностью механическими и не содержат электрических компонентов, они нашли широкое применение в промышленных и опасных условиях, таких как взвешивание бункеров, резервуаров и бункеров.

Гидравлические тензодатчики работают по тому же принципу, что и пневматические датчики, с основным отличием в том, что вместо сжатого воздуха в них используется масло или другая заполняющая жидкость. Когда предмет помещается на весы, эта сила передается на поршень, который немедленно начинает сжимать масло.

Более тяжелые предметы создают дополнительное давление в заполненной жидкостью камере диафрагмы. Это изменение давления измеряется гидравлическим манометром, который затем преобразует это показание и регистрирует его на внешнем циферблате для записи оператором.

Где в весах расположены тензодатчики?

Хотя точное расположение тензодатчиков может варьироваться от весов к весам в зависимости от их конструкции и назначения, большинство из них можно найти непосредственно под чашей или поверхностью для взвешивания.

Сколько тензодатчиков у весов?

Как правило, весы могут содержать от 1 до 8 тензодатчиков, в зависимости от их размера, формы и грузоподъемности. В то время как от 1 до 4 тензодатчиков являются наиболее распространенными, очень большие весы часто требуют дополнительных тензодатчиков.

Тем не менее, не рекомендуется использовать более 8 тензодатчиков в одних весах, потому что в этом случае становится пропорционально труднее добиться равномерного распределения веса.