Как работают тензодатчики

ТензодатчикиМасса — одна из семи основных физических величин. В реальной жизни масса часто реализуется в форме веса объекта. Вес – это сила тяжести, действующая на тело из-за его массы.

Как измеряется вес предмета? Это делается путем измерения давления, оказываемого предметом под действием гравитационной силы. Устройство, которое измеряет вес путем измерения оказываемого им давления, называется тензодатчиком. Тензодатчики очень распространены и напрямую связаны с микроконтроллерами и микрокомпьютерами. В этой статье мы обсудим различные типы тензодатчиков.

Что такое тензодатчик

Тензодатчик преобразует давление или механическую силу в измеримый электрический сигнал. Существует множество вариантов тензодатчиков, которые различаются по размеру, форме и принципу работы. Тензодатчики часто используются как в быту, так и в промышленности. Некоторые из бытовых применений тензодатчиков: кухонные весы, напольные весы, машины для взвешивания багажа. Некоторые промышленные применения тензодатчиков: геотехнические устройства, медицинское оборудование, ленточные весы, бункерные весы, гусеничные весы и бортовые весы.

Типы тензодатчиков

Тензодатчики различаются по размеру, форме, применению и принципу работы. Самый простой способ классифицировать тензодатчики, по принципу работы. Исходя из этого, почти все тензодатчики подпадают под одну из трех следующих категорий.

  1. Гидравлические тензодатчики
  2. Пневматические тензодатчики
  3. Тензодатчики нагрузки

Гидравлические тензодатчики измеряют механическую силу, воспринимая тягу, приложенную к жидкости. У них типичная конфигурация поршня и цилиндра, в которой жидкость хранится между двумя поршнями. Один из поршней неподвижен. Другой поршень перемещается при приложении давления или силы тяги. Движение поршня вызывает изменение давления внутри трубки Бурдона, которое измеряется манометром. Эти типы тензодатчиков обычно являются аналоговыми.

Пневматические тензодатчики измеряют механическую силу, измеряя давление воздуха или газа. Они имеют аналогичную цилиндрическую конструкцию, в которой цилиндр заполнен воздухом или газом, а подвижный поршень расположен в верхней части тензодатчика. Когда давление воздействует на поршень, давление воздуха внутри цилиндра изменяется, что приводит к выходу воздуха из сопла в нижней части цилиндра. Давление выходящего воздуха/газа измеряется манометром внутри тензодатчика.

TCH40-01

Тензодатчики измеряют механическую силу, определяя деформацию одного или нескольких тензодатчиков внутри тензодатчика. Тензометрические тензодатчики являются наиболее распространенным типом тензодатчиков. Они бывают разных форм и конфигураций. Например, тензодатчик стержневого типа имеет четыре тензодатчика; по два на каждом конце стержня. Тензодатчик расположен Z-образно между двумя платформами на весах. Тензодатчик изгибается из-за приложенной силы, когда на перекладину (верхнюю платформу) помещается некоторый вес. Два тензорезистора в стержне измеряют растяжение, а два измеряют сжатие, чтобы определить результирующую деформацию изгиба. Датчики нагрузки на стержни также называются датчиками нагрузки на изгиб балки.

Четыре тензодатчика расположены в виде моста Уитстона, что обеспечивает максимальную чувствительность типичных весов.

TCH40-02

Типы тензометрических тензодатчиков

Тензометрические тензодатчики бывают различных форм и настроек. Некоторые из общедоступных типов (в зависимости от формы) и их настройка приведены ниже.

Датчики нагрузки на стержни: их также называют датчиками нагрузки на изгиб балки. Тензодатчик представляет собой прямой стержень с отверстиями на каждом конце стержня. Эти отверстия крепят винты, образуя Z-форму с двумя платформами. Одна платформа остается фиксированной и неподвижной, а другая может наклоняться и переносить на нее вес. Пример тензодатчика со стержнем показан на изображении выше.

Стержневой тензодатчик может иметь один тензодатчик или несколько тензодатчиков. В тензодатчике с одним тензодатчиком между двумя концами стержня имеется только один тензодатчик. При приложении механической силы, тензорезистор испытывает растяжение или сжатие в зависимости от его настройки. Растяжение или сжатие изменяет значение сопротивления тензодатчика, которое обнаруживается схемой усилителя. Тензодатчик с одним тензометрическим стержнем поставляется только с тремя проводами, два из которых предназначены для возбуждения (напряжение питания и заземление), а третий провод используется для аналогового выхода.

Более распространены стержневые тензодатчики с несколькими тензодатчиками. Эти тензодатчики обычно имеют четыре тензодатчика, соединенных по схеме Уитстона. На обоих концах стержня есть два тензодатчика. Пара тензодатчиков на обоих концах измеряет растяжение и сжатие в равных и противоположных направлениях — четыре тензорезистора действуют как переменные сопротивления, зависящие от давления. Когда груз помещается в точку нагрузки датчика тензодатчика, он подвергается деформации изгиба. Деформация при изгибе обычно составляет от 0,1 мм до 1 мм для полной грузоподъемности.

В результате деформации изгиба пары тензорезисторов подвергаются растяжению и сжатию на обоих концах, как показано на изображении ниже.

Деформация изгиба

Тензорезисторы располагаются вдоль стержня, где они могут испытывать максимальную нагрузку при изгибе стержня. Внутри, тензодатчики, расположены в форме Уитстона, как показано на изображении ниже.

TCH40-04

Тензорезистор под напряжением становится тоньше и длиннее. В результате его сопротивление увеличивается. Тензорезистор при сжатии становится толще и короче. В результате снижается его сопротивление. В нормальных условиях все тензорезисторы имеют одинаковое сопротивление, а разность напряжений на выходе моста Уитстона равна нулю. Когда на датчик помещается груз, тензометрические датчики R1 и R3 подвергаются растяжению, вызывая увеличение сопротивления, а тензометрические датчики R2 и R4 подвергаются сжатию, вызывая уменьшение сопротивления. Это создает другое напряжение на выходе моста Уитстона. Выходное напряжение находится в диапазоне мВ и передается на схему усилителя.

TCH40-05

Тензодатчик со штангой Уитстона поставляется как минимум с четырьмя проводами. Для возбуждения тензорезистора имеется два провода, т.е. напряжение питания и земля. Два других провода измеряют разностное напряжение от моста Уитстона.

Стержневые тензодатчики могут быть одноточечными, односторонними с поперечной балкой, двусторонними с поперечной балкой или тросовым тензодатчиком.

TCH40-06

Тензодатчик S-типа: эти тензодатчики используются для измерения подвешенных грузов. Тензодатчик имеет S-образную форму с отверстиями на обоих концах для крепления подвесных болтов или концов стержней. Когда груз подвешивается к тензодатчику, тензорезисторы на обоих концах испытывают напряжение. Если груз помещается на тензодатчик, тензорезисторы на обоих концах испытывают сжатие. Тензодатчики с натяжным звеном также работают по тому же принципу.

TCH40-07

Тензодатчики с одним тензометрическим датчиком: эти тензодатчики состоят из одного тензометрического датчика. Тензорезистор подвергается растяжению или сжатию в зависимости от его настройки. При растяжении или сжатии его выходное сопротивление изменяется, что фиксируется схемой усилителя. Эти тензодатчики доступны в виде кнопок нагрузки и нагрузочных штифтов. Обычно четыре таких тензодатчика размещают под платформой на равных расстояниях для измерения веса.

TCH40-08

Канистровые тензодатчики: эти тензодатчики аналогичны дисковым тензодатчикам. Эти тензодатчики используются для высокопроизводительных измерений, таких как автомобильные весы, весы для железнодорожных вагонов, бункерные весы и сельскохозяйственные весы. Эти тензодатчики предназначены для измерения только сжатия.

TCH40-09

Тензодатчики крутящего момента: эти тензодатчики используются для измерения силы крутящего момента. Крутящий момент – это сила, действующая на объект, заставляющий его вращаться. Пример датчика крутящего момента показан на изображении ниже.

TCH40-10

Выходной сигнал тензодатчика

Выходной сигнал тензодатчика, будь-то тензодатчик с одним тензорезистором или тензодатчик Уитстона, выходное напряжение тензодатчика выражается в напряжении возбуждения. Это предоставляется как спецификация мВ/В для полной нагрузки. Например, выходное напряжение тензодатчика указано в спецификации 4 мВ/В. Если напряжение возбуждения составляет 10 В, при полной нагрузке выходное напряжение тензодатчика составит 40 мВ. Следующее уравнение дает выходное напряжение тензодатчика:

вых = V возбуждения * Z мВ/В

Где Z — спецификация мВ/В

Итог

Измерение веса выполняется с помощью тензодатчиков, которые бывают разных форм, размеров, вариантов использования и принципов работы, а также для различных применений. Эти тензодатчики могут быть одиночными тензодатчиками или тензодатчиками Уитстона. В зависимости от их формы и установки тензометрические датчики могут быть датчиками нагрузки на изгиб балки, датчиками нагрузки типа кнопки / диска, S-типа, датчиками нагрузки крутящего момента. Даже одиночные тензодатчики часто используются в конфигурации Уитстона для максимальной чувствительности.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий