Тензодатчиците са устройства, които преобразуват измерената еластична деформация на твърдо тяло в електрически сигнал. Това се случва поради промяна в съпротивлението на проводника на сензора, когато геометричните му размери се променят от напрежение или компресия.
Тензометър: принцип на действие
Основният елемент на устройството е тензометър, монтиран върху еластична конструкция. Тензодатчиците се калибрират чрез стъпаловидно натоварване с дадена нарастваща сила и измерване на величината на електрическото съпротивление. След това, като го промените, ще бъде възможно да се определят стойностите на приложеното неизвестно натоварване и деформацията, пропорционална на него.
В зависимост от типа сензори, можете да измерите:
- сила;
- налягане;
- преместване;
- въртящ момент;
- ускорение.
Дори и при най-сложната схема на натоварване на конструкцията, действието е включенотензометърът се свежда до разтягане или компресиране на неговата решетка по дълъг участък, наречен основа.
Кои тензодатчици се използват
Най-често срещаните типове тензодатчици с промяна в активното съпротивление при механично действие - тензодатчици.
Темномери за тел
Най-простият пример е право парче тънка тел, което е прикрепено към изследваната част. Неговото съпротивление е: r=pL/s, където p е съпротивлението, L е дължината, s е площта на напречното сечение.
Заедно с детайла залепената тел се деформира еластично. В същото време геометричните му размери се променят. При компресия напречното сечение на проводника се увеличава, а при разтягане намалява. Следователно промяната в съпротивлението променя знака в зависимост от посоката на деформация. Характеристиката е линейна.
Ниската чувствителност на тензометъра доведе до необходимостта от увеличаване на дължината на проводника в малка зона на измерване. За да направите това, той е направен под формата на спирала (решетка) от тел, залепена от двете страни с изолационни плочи от филм от лак или хартия. За да се свърже към електрическата верига, устройството е оборудвано с два медни проводника. Те са заварени или запоени към краищата на навитата тел и са достатъчно здрави, за да се свържат към електрическа верига. Тензометърът е прикрепен към еластичния елемент или към изпитваната част с лепило.
Тезарните клетки имат следните предимства:
- прост дизайн;
- линейна зависимост от напрежението;
- малък размер;
- ниска цена.
Недостатъците включват ниска чувствителност, влияние на околната температура, необходимост от защита от влага, употреба само в зоната на еластични деформации.
Телът ще се деформира, когато силата на сцепление на лепилото към него значително надвиши силата, необходима за разтягането му. Съотношението на свързващата повърхност към площта на напречното сечение трябва да бъде 160 към 200, което съответства на диаметъра му от 0,02-0,025 mm. Може да се увеличи до 0,05 мм. Тогава, по време на нормална работа на тензометъра, адхезивният слой няма да се разруши. Освен това сензорът работи добре при компресия, тъй като нишките на жицата са неразделна част от лепилното фолио и частта.
Фолио товарни клетки
Параметрите и принципът на работа на фолиевата тензодатчик са същите като тези на телените. Единственият материал е нихром, константан или титаниево-алуминиево фолио. Технологията за производство на фотолитография позволява получаване на сложна конфигурация на решетка и автоматизиране на процеса.
В сравнение с телените тензодатчици, фолийните тензодатчици са по-чувствителни, носят повече ток, предават по-добре напрежението, имат по-силни проводници и имат по-сложен модел.
Полупроводникови товарни клетки
Чувствителността на сензорите е приблизително 100 пъти по-висока от тази на проводните, което им позволява да се използват често без усилватели. Недостатъците са крехкост, висока зависимост от температурата на околната среда и значителнаразпределение на параметрите.
Спецификации на тензометъра
- Основа - дължината на решетъчния проводник (0,2-150 мм).
- Номинално съпротивление R - стойност на активното съпротивление (10-1000 Ohm).
- Работен захранващ ток Ip - ток, при който тензометърът не се нагрява забележимо. При прегряване свойствата на материалите на сензорния елемент, основата и адхезивния слой се променят, изкривявайки показанията.
- Коефициент на деформация: s=(∆R/R)/(∆L/L), където R и L са съответно електрическото съпротивление и дължината на ненатоварения сензор; ∆R и ∆L - промяна в съпротивлението и деформация от външна сила. За различни материали той може да бъде положителен (R се увеличава с напрежение) и отрицателен (R се увеличава с компресия). Стойността на s за различните метали варира от -12,6 до +6.
Схеми за включване на тензодатчици
За измерване на малки електрически сигнали, най-добрият вариант е мостова връзка, в центъра на която е волтметър. Най-простият пример би бил тензометър, чиято верига е сглобена на принципа на електрически мост, в едно от рамената, на които е свързан. Съпротивлението му без натоварване ще бъде същото като останалите резистори. В този случай устройството ще покаже нулево напрежение.
Принципът на действие на тензометъра е да увеличава или намалява стойността на неговото съпротивление, в зависимост от това дали силите са натиск или опън.
Температурата на тензометъра има значителен ефект върху точността на показанията. Ако подобна устойчивост на деформация е включена в другото рамо на моста, което няма да бъде натоварено, то ще изпълнява функцията за компенсиране на термичните ефекти.
Измервателната верига трябва също да вземе предвид стойностите на електрическото съпротивление на проводниците, свързани към резистора. Тяхното влияние се намалява чрез добавяне на друг проводник, свързан към един от щифтовете на тензометъра и волтметъра.
Ако и двата сензора са залепени върху еластичния елемент по такъв начин, че натоварванията им да се различават по знак, сигналът ще бъде усилен 2 пъти. Ако във веригата има четири сензора с товари, обозначени със стрелки на диаграмата по-горе, чувствителността ще се увеличи значително. С това свързване на тензомери от тел или фолио, конвенционален микроамперметър ще даде показания без електрически усилвател на сигнал. Важно е точно да изберете стойностите на съпротивлението с помощта на мултицет, така че да са равни една на друга във всяко рамо на електрическия мост.
Прилагане на тензодатчици в инженерството
- Част от дизайна на везната: при претегляне тялото на сензора се деформира еластично, а с него и залепените към него тензодатчици, свързани във верига. Електрическият сигнал се предава към измервателния уред.
- Мониторинг на напрегнато-деформираното състояние на строителните конструкции и инженерните конструкции в процеса на тяхното изграждане и експлоатация.
- Тензомери за измерване на силите на деформация по време на обработканалягане на метала в валцовъчните мелници и пресите за щамповане.
- Сензори за висока температура за стомана и други индустрии.
- Измервателни сензори с еластичен елемент от неръждаема стомана за работа в химически агресивни среди.
Стандартните тензодатчици се изработват под формата на шайби, колони, прости или двустранни греди, S-образни. За всички конструкции е важно силата да се прилага в една посока: отгоре надолу или обратно. При тежки условия на работа специалните конструкции позволяват да се елиминира действието на паразитни сили. Цените им до голяма степен зависят от това.
За тензодатчиците цената варира от стотици рубли до стотици хиляди. Много зависи от производителя, дизайна, материалите, производствената технология, стойностите на измерените параметри, допълнителното електронно оборудване. В по-голямата си част те са компоненти на различни видове везни.
Заключение
Принципът на действие на всички тензодатчици се основава на трансформацията на деформацията на еластичния елемент в електрически сигнал. За различни цели има различни дизайни на сензорите. При избора на тензометър е важно да се определи дали веригите имат компенсация за изкривяване на температурните показания и паразитни механични влияния.
