Тензодатчик — преобразователь механической деформации в электрический сигнал¶

Тензодатчик — это преобразователь (датчик), предназначенный для измерения механических деформаций твёрдых тел путём преобразования деформации в изменение электрического сопротивления. Тензодатчики широко применяются в весоизмерительной технике, испытательном оборудовании, конструкционном мониторинге и промышленной автоматизации.

¶Принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор — тонкая проводящая структура, электрическое сопротивление которой изменяется при деформации. Физический эффект, лежащий в основе работы, называется тензорезистивным эффектом: при растяжении или сжатии проводника меняются его геометрические размеры (длина и площадь поперечного сечения), а вместе с ними — электрическое сопротивление. Для большинства металлических тензорезисторов относительное изменение сопротивления пропорционально относительной деформации:

ΔR/R = K · ε,

где ΔR — изменение сопротивления, R — номинальное сопротивление, ε — деформация, K — тензочувствительный коэффициент (коэффициент деформационной чувствительности). Для металлических тензорезисторов K обычно составляет 1,5–2,5, для полупроводниковых (кремниевых) — порядка 40–200.

¶Конструкция и разновидности

По типу чувствительного элемента тензодатчики делятся на:

• Металлические — выполнены из тонкой (5–20 мкм) проволоки или фольги из константана, никелина, кантала и других сплавов с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. Наиболее распространены.
• Полупроводниковые — на основе кремния или германия; обладают значительно большей тензочувствительностью, но хуже стабильны по температуре.
• Тонкоплёночные — чувствительный элемент нанесён напылением или фотолитографией на подложку; применяются в миниатюрных датчиках.
• Толстоплёночные — изготавливаются шелкографией; используются в дешёвых промышленных датчиках.

По способу крепления к образцу различают клеевые тензодатчики (наклеиваются на поверхность измеряемого элемента), приварные, диффузионные (формируются непосредственно на кремниевой подложке) и устанавливаемые в массиве материала.

Наиболее распространённая конструкция клеевого тензодатчика — сетка из извилистых (змеевиковых) токопроводящих дорожек, нанесённая на тонкую гибкую подложку из полиимидной плёнки. Извилистая форма дорожек увеличивает длину проводника и, следовательно, суммарное изменение сопротивления при деформации.

¶Схемы подключения

Измерение малых изменений сопротивления (обычно долей ома от номинальных 350 или 1000 Ом) выполняется с помощью мостовых схем. Наиболее распространена схема Уитстона с четырьмя плечами, в которой тензодатчик образует одно или два плеча моста. Для компенсации температурных ошибок и увеличения выходного сигнала применяются полумостовые и полные мостовые схемы с датчиками-компенсаторами.

Выходное напряжение моста составляет порядка милливольт при питании 5–15 В и деформациях 10⁻⁶–10⁻³. Для усиления и преобразования сигнала используются специализированные измерительные усилители (например, на микросхемах AD620, INA128 и аналогах) и аналого-цифровые преобразователи высокого разряда.

¶Тензодатчики в весоизмерении

Наиболее массовое применение тензодатчики получили в электронных весах. Весовой тензодатчик (тензометрический весовой преобразователь) объединяет деформационный элемент (обычно из легированной стали или алюминиевого сплава) и наклеенные на него тензорезисторы, соединённые в полный мост. При нагрузке деформационный элемент прогибается, тензодатчики фиксируют деформацию, и мост выдаёт пропорциональное напряжение.

Весовые тензодатчики классифицируются по классу точности (от 0,02 до 0,5 по ОИМЛ), диапазону измерений (от граммов до сотен тонн) и конструкции деформационного элемента (балочные, кнопочные, колонковые, изгибные). Российские производители весового оборудования широко используют как отечественные тензодатчики, так и импортные аналоги.

¶Применение

Помимо весов, тензодатчики применяются в:

• Испытательной технике — машинах разрывного и циклического испытания для измерения усилий.
• Строительном мониторинге — контроле напряжений в арматуре, опорах мостов, фундаментах.
• Авиастроении и машиностроении — измерении напряжений в лопатях турбин, несущих элементах, трансмиссиях.
• Медицинской технике — тензометрических датчиках артериального давления, весовых платформах для больных.
• Автомобильной промышленности — датчиках крутящего момента, весовых системах для грузового транспорта.

¶Погрешности и компенсация

Основные источники погрешностей тензодатчика — температурные эффекты (изменение сопротивления тензорезистора и деформационного элемента при нагреве), гистерезис, ползучесть и нелинейность. Температурная компенсация выполняется подбором материалов с близкими температурными коэффициентами, включением в мост дополнительных резисторов-компенсаторов, а также программной коррекцией.

¶Тензодатчики в России

В СССР тензометрия получила активное развитие в 1950–1970-х годах в связи с программами испытаний авиационной и космической техники. Ведущими центрами стали Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Ленинградский политехнический институт и ряд оборонных КБ. В настоящее время отечественные тензодатчики производятся на предприятиях в Санкт-Петербурге, Москве, Новосибирске и других городах; наряду с импортными аналогами они применяются в промышленном весостроении и научных исследованиях.

Источники:

• Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: Наука.
• Постников П. В. Тензометрические измерения. — Л.: Машиностроение.
• Справочник по тензометрии / под ред. Н. Н. Белева. — М.: Машиностроение.
• ГОСТ 25347-82. Преобразователи тензометрические. Общие технические условия.
• ГОСТ Р 8.568-97. ГСИ. Весы тензометрические. Общие требования к метрологическим характеристикам.