Тензодатчики: принцип действия и типы¶

Тензодатчик — это измерительный преобразователь механической деформации (растяжения, сжатия, изгиба, кручения) в электрический сигнал, пропорциональный приложенной силе, давлению, весу или иному механическому воздействию. Тензодатчики являются основным чувствительным элементом в весоизмерительном оборудовании, системах промышленной автоматизации и испытательных стендах. Принцип работы большинства тензодатчиков основан на тензоэффекте — изменении электрического сопротивления проводника при его механической деформации.

¶Принцип действия

¶Тензорезистивный эффект

Основой работы тензодатчиков служит тензорезистор (тензометр) — чувствительный элемент, представляющий собой тонкую металлическую фольгу или проволоку, уложенную зигзагообразно и закреплённую на подложке. При деформации поверхности, на которую наклеен тензорезистор, его решётка удлиняется или укорачивается, что приводит к изменению геометрических размеров и, как следствие, электрического сопротивления. Относительное изменение сопротивления ΔR/R связано с относительной деформацией ε через коэффициент тензочувствительности (gauge factor), который для металлических сплавов (константан, нихром) составляет примерно 2.

¶Мостовая схема Уитстона

Для точного измерения малых изменений сопротивления тензорезисторы включаются в мостовую схему Уитстона. Классическая схема содержит четыре резистора, одно или несколько плеч которых являются активными тензорезисторами. При подаче напряжения питания на одну диагональ моста, на другой диагонали возникает разбаланс напряжения, пропорциональный деформации. Полномостовая схема (четыре активных тензорезистора) обеспечивает максимальную чувствительность и температурную компенсацию, так как изменения сопротивления от температуры в соседних плечах взаимно вычитаются.

¶Конструкция и материалы

Упругий элемент датчика (мембрана, балка, колонна) изготавливается из высокопрочной легированной стали или алюминиевых сплавов. На него наклеиваются тензорезисторы, которые защищаются герметиком, силиконовым покрытием или герметичным корпусом. Выходной сигнал тензодатчика, как правило, составляет 1–3 мВ/В (милливольт на вольт питания). Для усиления и оцифровки сигнала используются специализированные АЦП (например, HX711) или промышленные нормирующие преобразователи.

¶Типы тензодатчиков

¶По типу измеряемой деформации

• Датчики силы и веса — воспринимают нагрузку, действующую вдоль оси. К ним относятся колонные, S-образные и балочные датчики.
• Датчики давления — мембранные тензодатчики, преобразующие давление жидкости или газа в деформацию мембраны.
• Датчики крутящего момента — измеряют деформацию при скручивании вала, используются в динамометрических ключах и трансмиссиях.
• Датчики перемещения — применяются в тензометрических линейках для измерения микроперемещений.

¶По конструктивному исполнению

• Однопролётные балочные (кантелеверные) — закрепляются с одной стороны, нагрузка прикладывается к свободному концу. Используются в платформенных весах малой и средней грузоподъёмности.
• Двухопорные балочные — закрепляются с двух сторон, нагрузка прикладывается к центру. Применяются в автомобильных и железнодорожных весах.
• S-образные — работают на растяжение или сжатие, используются в подвесных весах, бункерах и тензометрических тягах.
• Колонные (цилиндрические) — выдерживают большие нагрузки (до сотен тонн), применяются в тяжёлой промышленности и весовых дозаторах.
• Дисковые (мембранные) — компактные датчики для измерения силы в ограниченном пространстве.

¶По типу тензочувствительного элемента

• Фольговые — наиболее распространённые, изготавливаются методом фотолитографии из константановой фольги.
• Полупроводниковые — на основе кремния, обладают коэффициентом тензочувствительности в 50–100 раз выше металлических, но имеют большую нелинейность и температурную зависимость.
• Проволочные — устаревший тип, используются редко из-за низкой точности.

¶Применение

Тензодатчики широко применяются в:

• Весоизмерительной технике — электронные весы (лабораторные, торговые, платформенные, вагонные), весовые дозаторы, тензометрические бункеры.
• Промышленной автоматизации — контроль усилия в прессах, робототехнике, конвейерных системах.
• Испытательном оборудовании — разрывные машины, стенды для проверки прочности материалов и конструкций.
• Авиационной и космической отрасли — измерение нагрузок на шасси, фюзеляж, элементы управления.
• Медицине — динамометры для измерения мышечной силы, тензометрические платформы для анализа походки.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам тензодатчиков относятся высокая точность (класс точности до 0,02 %), долговременная стабильность, широкий диапазон измеряемых нагрузок (от граммов до тысяч тонн) и возможность работы в агрессивных средах при герметизации корпуса. Ограничения включают чувствительность к перегрузкам (возможна пластическая деформация упругого элемента), температурную зависимость (требуется компенсация) и относительно небольшой выходной сигнал, требующий усиления.

¶Источники

• «Тензометрия в машиностроении» / под ред. Р. А. Макарова, М.: Машиностроение, 1975.
• Шушкевич В. А. «Основы электротензометрии», Л.: Энергия, 1975.
• Техническая документация компании HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik) по тензодатчикам.
• ГОСТ 28836-90 «Датчики силоизмерительные тензорезисторные. Общие технические требования».