Тензодатчики: принцип работы, конструкция и применение

Тензодатчики: принцип работы, конструкция и применение

Тензометрические датчики, или тензодатчики, представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердых тел и преобразуют её в электрический сигнал. Они широко используются в различных отраслях, включая машиностроение, строительство, авиацию и медицину, благодаря своей высокой точности и надежности. Тензодатчики часто используются в весах и других измерительных устройствах. Однако их неисправность может оставаться незамеченной, так как визуально деформация датчика может быть не видна. Это приводит к тому, что клиенты не понимают, почему устройство работает некорректно. В этой статье мы объясним, как работает тензорезисторный датчик, почему он может выйти из строя и как проверить его исправность.

Тензометрические датчики: основы

Тензодатчики работают на основе изменения электрического сопротивления при деформации материала. Основным элементом таких датчиков является тензорезистор, который состоит из решетки, выполненной из специальных материалов, таких как константан или нихром. Эти материалы обладают высокой чувствительностью к механическим деформациям, что делает их идеальными для использования в тензодатчиках.

Когда тензорезистор подвергается деформации, его сопротивление изменяется. Это изменение регистрируется измерительным устройством, которое преобразует его в электрический сигнал. Таким образом, тензодатчики позволяют точно измерять механические напряжения и деформации в различных конструкциях.

Конструкция 

Тензорезисторы имеют компактную конструкцию, что позволяет легко интегрировать их в различные системы. Наиболее распространены тензорезисторы с базой от 3 до 40 мм. Решетка тензорезистора наклеивается на тонкую подложку, которая обеспечивает механическую устойчивость и защиту от внешних воздействий. После этого решетка покрывается тем же материалом, что и подложка, для дополнительной защиты.

Для подключения тензорезистора к измерительному устройству используются провода, которые крепятся к выводам решетки. При установке тензорезистора на поверхность исследуемой детали важно, чтобы его база совпадала с направлением измерения деформации. Это обеспечивает максимальную точность измерений.

Принцип работы тензорезисторов

В состоянии покоя дорожки тензорезистора имеют определенное сечение и длину, что определяет их сопротивление. Сопротивление резистивного элемента прямо пропорционально произведению удельного сопротивления материала на длину проводника и обратно пропорционально поперечному сечению.

При деформации тензорезистора происходят следующие изменения:

• При удлинении длина проводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления.
• При сжатии длина дорожек уменьшается, а поперечное сечение увеличивается, что снижает сопротивление.

Зависимость изменения сопротивления от величины деформации характеризуется коэффициентом тензочувствительности. Этот коэффициент является ключевым параметром, определяющим точность и чувствительность тензодатчика.

Одноточечный датчик силы

Одноточечный датчик силы — это устройство, созданное на базе тензорезисторов. Он используется для измерения силы, приложенной к определенной точке. Основным элементом такого датчика является упругий элемент, изготовленный из прямоугольного металлического бруска. В центре бруска выполнено сквозное фигурное отверстие, которое повышает точность измерений.

Тензорезисторы устанавливаются на поверхности упругого элемента и соединяются по мостовой схеме. Один конец датчика крепится к неподвижной конструкции, а другой располагается в области воздействия деформирующей силы. Такая конструкция позволяет точно измерять силу, приложенную к датчику.

Принцип работы одноточечного датчика

При приложении нагрузки к незакрепленной части датчика в зонах крепления тензорезисторов возникает предельное напряжение металла. Это приводит к изменению сопротивления тензорезисторов:

• В зонах растяжения сопротивление увеличивается.
• В зонах сжатия сопротивление уменьшается.

В ненагруженном состоянии моста Уитстона, который используется для измерения сопротивления, выходной сигнал близок к нулю. При деформации упругого элемента сопротивление тензорезисторов изменяется, что приводит к разбалансировке моста и появлению выходного сигнала. Этот сигнал пропорционален величине приложенной силы.

Для компенсации погрешностей, вызванных изменением температуры, на поверхность упругого элемента перпендикулярно активным чувствительным элементам размещаются дополнительные тензорезисторы. Они обеспечивают термокомпенсацию, повышая точность измерений.

Как работает тензорезисторный датчик? Как проверить его исправность?

Тензорезисторные датчики широко используются в различных устройствах, таких как весы, промышленное оборудование и измерительные системы. Они преобразуют механическое воздействие в электрический сигнал, что позволяет точно измерять вес, силу или давление. Однако, несмотря на свою надежность, эти датчики могут выходить из строя, и часто их неисправность не видна невооруженным глазом. В этой статье мы подробно разберем, как работает тензорезисторный датчик, его конструкцию, принцип работы и способы проверки исправности.

Принцип работы тензорезисторного датчика

Он состоит из двух основных частей: механической и измерительной. Механическая часть обычно изготавливается из стали или алюминия и может иметь различные формы, например, консольную балку. Измерительная часть, называемая тензорезисторным мостом, преобразует механическое воздействие в электрический сигнал.

Конструкция консольной балки

Консольная балка — одна из самых распространенных форм тензорезисторного датчика. В балке создаются технологические полости, которые повышают чувствительность к деформации. В местах с меньшей толщиной материала возникает наибольшее механическое напряжение. Именно на эти участки наклеиваются тензорезисторы, которые затем покрываются силиконовым составом для защиты от внешних воздействий.

Принцип работы тензорезистора

Тензорезистор — это ключевой элемент датчика, который растягивается или сжимается вместе с материалом, на который он наклеен. При деформации изменяется сечение проводника и его длина, что влияет на электрическое сопротивление. Чем тоньше и длиннее проводник, тем сложнее току пройти через него. Это изменение сопротивления регистрируется измерительным устройством и преобразуется в электрический сигнал.

Измерительная часть тензорезисторного моста

Измерительная часть тензорезисторного датчика состоит из резисторов, соединенных в мостовую схему. Простая схема включает четыре резистора, соединенных в диагональ питания и сигнальную диагональ. При приложении усилия к датчику сопротивление ветвей меняется, что приводит к разбалансу моста и появлению разности потенциалов. Этот сигнал и используется для измерения силы или веса.

Необратимые деформации

Тензорезисторный датчик рассчитан на определенную механическую нагрузку. При допустимой нагрузке датчик испытывает обратимые упругие деформации, после снятия нагрузки он возвращается в исходное состояние. Однако при разрушающей нагрузке датчик выходит за пределы упругости и не может вернуться в исходное состояние. Такая деформация происходит на атомном уровне и не видна невооруженным глазом, что делает диагностику неисправности сложной.

Критерии определения работоспособности датчика

Работоспособность тензорезисторного датчика определяется по показаниям тензорезисторного моста и замерам начального разбаланса. Замер сопротивления тензо-моста помогает выявить обрывы цепи, но не всегда дает точный результат. Более надежным методом является замер начального разбаланса, который позволяет определить, исправен ли датчик.

Практическое применение

Для проверки исправности тензорезисторного датчика используются два основных метода:

• Замер сопротивления: Проверка сопротивления тензо-моста помогает выявить обрывы или короткие замыкания в цепи.
• Замер уровня сигнала: Измерение выходного сигнала датчика позволяет определить, превышает ли он допустимые нормы. Неисправный датчик обычно имеет высокий выходной сигнал, что указывает на его деформацию.

Деформированный датчик не может использоваться в дальнейшей работе, так как его показания будут некорректными. Поэтому важно своевременно проверять исправность тензорезисторных датчиков, особенно в критически важных системах.

Заключение

Тензорезисторные датчики — это устройства, широко используемые в различных отраслях. Однако их неисправность может быть незаметной, что делает важным регулярную проверку их работоспособности. Понимание принципа работы, конструкции и методов диагностики позволяет своевременно выявлять и устранять неисправности, обеспечивая точность и надежность измерений.