Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры. Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить.
По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, поэтому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только в специальных случаях. На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит.
Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами, описанные в этой статье. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил. К их преимуществам следует отнести:
- хорошую точность;
- простоту обработки выходного сигнала;
- доступную цену.
Параметры тензометрических датчиков силы
Форма датчика
Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.
Диапазон измерения
Основным параметром тензометричес-кого датчика является его диапазон измерения, который можно повысить максимально на 30-50%. Более высокая перегрузка датчика, хоть и на краткое время, почти всегда ведет к его повреждению. Такой датчик уже нельзя исправить, поскольку при этом происходит нарушение структуры материала. Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где возможны биение и вибрации.
Чувствительность датчика
Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в РС или PLC.
Температурные характеристики
С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.
Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°C. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка чувствительности.
Точность датчика
У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность, установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности С3). В этом случае процентная погрешность (класс точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.
Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.
Диапазон температуры
Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.
Иные параметры
Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обработки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки зрения безопасности), степень защиты (с точки зрения условий труда) и т. п.
Оценка сигнала из тензометрического датчика
Тензометрический датчик силы работает по принципу моста Уитстона (рис. 1), поэтому при подключении датчика поступаем так же, как и при резистивном мосте. Практически это значит, что необходимо обеспечить:
- Питание датчика постоянным или переменным напряжением.
- Усилить выходное напряжение от датчика (то есть напряжение по диагонали моста).
Указанные действия обеспечиваются при помощи преобразователей, которые содержат, кроме источника питания и усилителя, и другие контуры, например активный фильтр и преобразователь тока. Блок-схема преобразователя типа EMS170 представлена на рис. 2. Некоторые типы датчиков, например, ESM150, позволяют вложить преобразователь прямо в тело датчика. В таком случае на выходе датчика будет прямой стандартный сигнал напряжения или тока. Однако применение преобразователя не всегда обязательно. На рынке присутствуют и цифровые электронные приборы, которые позволяют прямое подключение датчика, и обычно они бывают более точными.
Подключение нескольких датчиков
Задачу по подключению нескольких датчиков и их одновременной оценке решают часто. Примером может служить взвешивание резервуара, который стоит на трех опорах, и под каждой опорой размещен один датчик. В этом случае датчики подключаются параллельно (рис. 3). Необходимо, однако, обратить внимание на два условия:
- Все датчики должны иметь одинаковую чувствительность.
- Преобразователь или электрический прибор, к которым подключают датчик, должны поставлять достаточный ток.
Стандартный тензометрический датчик имеет сопротивление 350 Ом, при параллельном подключении трех датчиков сопротивление будет 117 Ом. При питании напряжением 10 В в датчики течет ток около 85 мA. При параллельном подключении датчиков общая нагрузка суммируется, а выходной сигнал сохранится. Например, если каждый датчик имеет диапазон измерения 100 Н, а чувствительность — 2 мВ/В, то общая система будет иметь диапазон измерения 300 Н, а чувствительность остается на уровне 2 мВ/В.
Источник: https://vk.com/p4b_su?z=article_edit-68679613_130973