Тензодатчик подключение: Тензодатчик HX711 — подключение весов к Arduino

Содержание

принцип работы, устройство, типы, схемы подключения

Системы контроля производят постоянное наблюдение за состоянием различных механизмов, положением рабочих органов и, в том числе, контролируют вес. Для измерения величины веса и дальнейшего применения данных в логических схемах устанавливается тензометрический датчик (тензодатчик). Что это такое и как он работает мы рассмотрим в данной статье.

Что такое тензодатчик?

Тензометрический датчик, в соответствии с п.2.1.2 ГОСТ 8.631-2013 представляет собой весоизмерительный элемент, который реагирует на изменение величины физического воздействия (усилия) и переводит его в электрический сигнал. Фактически это резистор, меняющий параметр омического сопротивления, по отношению к прилагаемой силе. На практике широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах. В зависимости от сферы применения используются различные типы тензодатчиков, отличающихся как принципом действия, так и конструктивными особенностями.

Конструкция

В качестве примера рассмотрим наиболее простой вариант тензодатчика, где в роли чувствительного элемента выступает тензорезистор. Конструктивно его можно представить в виде тонкой упругой проволоки или пленки, распределенной по контролируемой поверхности. 

Работа тензорезистора основывается на законе Гука, гласящем, что изменение электрического сопротивления по отношению к исходному положению элемента пропорционально удлинению или сжатию сенсора. Руководствуясь данным принципом определяется коэффициент пропорциональности:

K = Δl / l = ΔR / R

Где:

  • K – коэффициент пропорциональности;
  • Δl – величина изменения длины в ходе деформации;
  • l – длина измеряемого элемента в состоянии покоя;
  • ΔR – изменение величины сопротивления при деформации;
  • R – значение сопротивления тензорезистора в нормальном положении.

На практике это реализуется следующим образом (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство тензорезистора

При нахождении в состоянии покоя дорожки тензорезистора имеют определенное сечение и длину проводника. Сопротивление всего резистивного элемента тензодатчика будет определяться по формуле:

R = (ρ*l)/S , где

  • ρ – удельное сопротивление материала, как правило, в качестве металла с постоянным удельным сопротивлением используют константан; 
  • l – длина проводника тензодатчика;
  • S – поперечное сечение проводника тензодатчика.

Таким образом, в случае удлинения тензодатчика длина проводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. Как результат, омическое сопротивление тензорезистора будет повышаться. При сжатии произойдет обратный процесс – длина проводящих элементов уменьшиться, а их поперечное сечение увеличиться. В результате сжатия сопротивление тензодатчика уменьшиться, что и лежит в основе принципа его работы.

Принцип работы

В большинстве случаев тензодатчик функционирует не от одного тензорезистора, а включает в себя мостовую измерительную схему. Такой принцип получил название моста Уитстона и реализуется следующим образом (рисунок 2):

Рис. 2. Принцип действия тензодатчика

Как видите на рисунке, в плечи моста включены четыре тензорезистора, которые расположены на гибкой подложке, что обеспечивает им упругую деформацию в ходе измерений. Все резистивные элементы тензодатчика подбираются равнозначными, что обеспечивает на выходе в состоянии покоя нулевое значение разности потенциалов в точках + S и – S. Это обозначает, что в ненагруженном идеальном тензодатчике не будет протекать ток в выходной цепи измерительного прибора.  В реальном устройстве, все равно существует токовая нагрузка из-за конструктивных отличий резистивных деталей, температурных колебаний.

Как только к измерительному органу прибора будет приложена механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, от чего изменятся рабочие параметры всех резисторов в цепи моста тензодатчика. В большинстве случаев попарно происходит сжатие и растяжение тензорезисторов (рисунок 3):

Рис. 3. Воздействие нагрузки на тензодатчик

Как видите, на рисунке два резистора сжимаются, а другие два растягиваются, в результате чего происходит искажение моста. Электрическая цепь выходит из равновесия и через выход тензодатчика начинает протекать электрический ток. О чем будет свидетельствовать отклонение стрелки гальванометра или дисплей оборудования, реагирующий на изменение разности потенциалов. Как только нагрузка перестанет воздействовать на тензодатчик, гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост снова перейдет в состояние равновесия.

На данном примере мы рассмотрели простейший вариант четырехпроводного тензометрического датчика. Но на практике также используются пяти и шестипроводные весоизмерительные сенсоры, что обусловлено типом конкретного устройства.

Типы

Сфера применения тензометрических датчиков охватывает ряд устройств самого различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия применяются тензодатчики разных типов. Разделение сенсоров по видам осуществляется на основании нескольких факторов.

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

  • Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.;
  • S-образные
    – применяются для измерения поднимаемых грузов;
  • Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.;
  • Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой;

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

  • Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. В соответствии с п.1.1 ГОСТ 21616-91 разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки.
  • Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия.
  • Пьезорезонансные
    – основаны на  полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным.
  • Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика.
  • Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния.   
  • Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится.
Рис. 5. Принцип действия емкостного тензодатчика

В соответствии с п.1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру прилагаемого усилия тензодатчики можно разделить на те, которые реагируют на сжатие, растяжение и универсальные.

Схемы подключения

На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант –  схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала.  Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Назначение

Тензодатчик устанавливается в различных приборах и приспособлениях для отслеживания реакции на физическое воздействие. На сегодняшний день сфера его применения охватывает самые различные отрасли промышленности и народного хозяйства, где он используется для:

  • Измерения веса – устанавливается в электронных весах различного типа.
  • Определения ускорения – применяется при испытании транспортных средств.
  • Измерения давления – распространено в сфере обработки поверхностей, при контроле прилагаемого усилия, в механических средствах и т.д.
  • Контроля перемещения – фиксируют перемещение строительных элементов, фундаментов, сейсмологических приспособлений и т.д.
  • Измерения крутящего момента – применяется в машиностроительной отрасли, для технического обслуживания и прочих.

Как выбрать?

При выборе модели для измерения какого-либо физического усилия или веса, необходимо руководствоваться основными параметрами сенсора. К таким характеристикам относятся:

  • Диапазон измерений – определяет границы весовой нагрузки, которую сможет фиксировать тензодатчик;
  • Класс точности – выбирается в зависимости от параметров оборудования и требований к точности измерений;
  • Схема подключения – по количеству подключаемых выводов  может использоваться четырех или шестипроводная схема;
  • Термокомпенсация  – для тензодатчиков, где необходима высокая точность измерений, важно учитывать влияние температуры окружающей среды, применяются термокомпенсирующие элементы;
  • Степень защиты – обозначается индексом  IP и определяет устойчивость к воздействию пыли и влаги на тензодатчик.

Список использованной литературы

  1. Клокова Н.П. «Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки» 1990
  2. Фрайден Дж. «Современные датчики. Справочник» 2005
  3. Клокова Н.П. «Тензодатчики для измерений при повышенных температурах» 1965
  4. Пучкин Б.И. «Приклеиваемые тензодатчики сопротивления» 1966
  5. Ильинская Л.С., Подмарьков А. «Полупроводниковые тензодатчики» 1966

Диагностика, проверка тензодатчика на исправность

Внимательно проверьте общее техническое состояние системы измерения веса:

  • наличие заземляющего контура (шунта), затяжку резьбовых соединений;
  • проверка отсутствия следов коррозии, повреждения тензодатчиков, узлов встройки, грузоприемного устройства;
  • проверка суммирующих плат; весового индикатора на имитаторе тензодатчика;
  • тестирование весового индикатора, подключение к имитатору тензодатчика;
  • осмотр состояния кабельной продукции, герметичность кабельного ввода на тензодатчике;

Для выполнения диагностики Вам понадобится:

Тестер HY-LCT – с помощью данного устройства  возможно выполнение  всех необходимых замеров.

В случае отсутствия специализированного оборудования для проверки тензодатчиков, ее можно произвести с помощью следующих устройств:

  • Вольтомметр с пределом измерения ≤0.5Ω и ≤0.1 mV (на крайний случай качественный мультиметр) для измерения нулевого баланса, и целостности тензометрического моста;
  • Мегомметр 1000 МОм не более 50В постоянного тока, для измерения сопротивления изоляции;
  • Грузоподъёмное устройство (домкрат, кран и т.д.), необходимое для поднятия грузоприемного устройства и освобождения тензодатчика от воздействия нагрузки;
  • Подготовить таблицу для фиксации значений снимаемых при замере;

 

Для выявления неисправности тензодатчика достаточно провести 4 основных типа испытаний. Рассмотрим последовательность их выполнения и для чего они необходимы:

1)  Проверка сопротивления изоляции.

Для выполнения данного теста, необходимо подключить мегомметр к кабелю тензодатчика и проверить на наличие тока утечки между корпусом тензодатчика и токоведущими частями. Для проверки тензометрических цепей Keli  допускается применение мегомметра напряжением не более 50В постоянного тока.

Для функционирующего тензодатчика значение снятых замеров не должно быть ниже  5 Мом. Если значение сопротивления изоляции меньше 1кОм – это свидетельствует о явном коротком замыкании. Короткое замыкание может быть между корпусом тензодатчика и токоведущими частями (тензорезисторами), а также в кабеле. При коротком замыкании в кабеле, его можно заменить, если это предусматривает конструкция тензодатчика.

2)  Проверка тензометрического моста – Уитстона.

Отсутствие повреждений моста проверяется путем измерения входного и выходного сопротивления, а также сопротивления баланса моста. Отсоедините датчик из коробки или измерительного прибора. Входные (EXC+, EXC-) и выходные (SIG+, SIG-) сопротивления измеряется омметром, подключаемом к каждой паре входных и выходных проводов тензодатчика. Затем производится сравнение входного и выходного сопротивления со значениями в калибровочном паспорте (выдается производителем) или с техническими данными из каталога. Сопротивление баланса моста измеряется поочередным подключением омметра к каждой паре выводов кабеля. Значение сопротивления между парами, не должно отличаться более чем на 1-2 Ома.

Расхождения входного и выходного сопротивления тензодатчика от паспортных значений, говорит  о неисправности тензометрического моста,  как следствие — появление сопротивления разбаланса, оно свидетельствует о неработоспособности тензодатчика и необходимости его замены. Данные неисправности, как правило возникают вследствие электрического воздействия (сварка, статическое поле, электрический пробой), физического (динамические удары, прокручивание, боковые нагрузки).

3) Проверка нулевого баланса (в ненагруженном состоянии).

Данный тест проводится  для проверки состояния тензодатчика в ненагруженном состоянии,  для этого тензодатчик извлекают из узла встройки и убирают с датчика веса всю приложенную нагрузку. Далее необходимо подключить источник питания, рекомендуемый производителем для правильной работы тензодатчика,  в цепь возбуждения тензодатчика, а с выходной цепи снять сигнал в мВ, и сравнить со значением указанным  в паспорте на датчик. Для тензодатчиков Keli Sensing рекомендуемое напряжение питания составляет 5-12V(DC).

Пример: при чувствительности тензодатчика 2мВ/В и питании 10В, напряжение нулевого баланса не должно превышать +- 0.02 мВ.

Если  значения выходного сигнала существенно отличаются от паспортных значений, можно судить о деформации упругого элемента тензодатчика, также возможна отклейка или нарушение изоляционного слоя тензорезисторов.

4) Проверка тензодатчика в нагруженном состоянии.

Для данного теста тензодатчик должен быть подключен к весовому индикатору или к прибору со стабильным источником питания от 5Vдо 12V. С помощью милливольтметра, подключенного к выходу тензодатчика, нагружают датчик и фиксируют показания выходного сигнала, при снятии нагрузки показания выходного сигнала должны вернуться к исходным. При проведении данного теста необходимо проводить несколько циклов нагружения-разгружения тензодатчика  различным весом, но не менее 50% от НПВ датчика. Также необходимо удержание веса не менее 30 мин. в каждом из циклов и анализ изменения показаний в течении данного периода времени. В случае если при проведении теста показания будут отличаться от значения постоянно прикладываемой нагрузки,  а также не будут возвращаться к исходным значениям, можно судить о нарушении контакта в клеевом слое между тензорезисторами и упругим элементом. Такой тензодатчик требует замены.

Колонный тензодатчик веса HBM C16A и C16i

Колонные тензодатчики HBM C16A и C16i

Тензодатчик C16A

Тензометрический датчик колонного типа C16A и C16i производства немецкой фирмы HBM - одного из лидеров на мировом рынке тензометрического оборудования - по праву считаются одним из самых совершенных и востребованных типов тензодатчиков. Наибольшее применение датчики C16 нашли в производстве:

  • автомобильных и железнодорожных весов
  • промышленных платформенных систем взвешивания
  • бункерных и емкостных весов
  • конвейерных весов и весового оборудования для элеваторов
  • динамических весов для поосного взвешивания автомобилей

В России наибольшее распространение получили тензодатчики C16A с наибольшим пределом взвешивания 20. ..30 тонн в производстве автомобильных весов.

Данная модель стала настолько популярной, что китайская фирма Keli выпустила свой аналог C16 - тензометрический датчик серии ZSFY, практически полностью повторяющий его параметры. У них полностью взаимозаменяемы узлы встройки и идентичная форма корпуса. Однако они несовместимы и нельзя использовать на одном устройстве одновременно обе модели этих измерительных приборов.

Описание тензометрических датчиков колонного типа HBM C16

Тензодатчики HBM С16 обладают рядом функциональных преимуществ перед остальными типами тензодатчиков:

  • функция самоустановки тензодатчика
  • цифровое и аналоговое исполнение датчика
  • соответствие европейским стандартам электромагнитной совместимости (EN 45501:2015), позволяющее функционировать техническому устройству, не создавая помех стороннему оборудованию
  • опционально датчик может быть выполнен во взрывобезопасном и пожаробезопасном исполнении

Справочная информация

Тензометрический датчик HBM C16 колонного типа имеют низкий центр масс, благодаря чему самостоятельно возвращаются в вертикальное положение. За это их еще называют "неваляшками" и "ванькой-встанькой".

Максимальная нагрузка на тензометрический датчик HBM C16

Колонный тензодатчик HBM C16 выполнен в нескольких вариантах с различными наибольшими пределами взвешивания (НПИ):

  • 20 тонн - минимальное значение максимальной нагрузки на тензодатчик
  • 30 тонн - стандартная величина наибольшего предела измерения тензодатчика, используемая в производстве автомобильных весов
  • 40 тонн - это значение НПИ и выше большого распространения в России не получили и используются в основном в специальном тяжелом весовом оборудовании.
  • 60 тонн
  • 100 тонн
  • 200 тонн
  • 400 тонн

Справочная информация

Не путайте НПИ (наибольший предел измерения) тензодатчика и НПВ (наибольший предел взвешивания) весов. Это разные величины - на весах обычно используется несколько тензодатчиков, поэтому автомобильные весы с НПВ 80 тонн могут стоять на тензодатчиках с НПИ 20 или 30 тонн

Как видно из описания, тензодатчики охватывают широкий спектр максимальных нагрузок, достаточных для производства практически любого тяжелого промышленного весового оборудования. А высокое немецкое качество тензометрического оборудования делает эти датчики применимыми даже в сфере, где требуется высокая точность измерений.

Технические характеристики аналогового колонного тензометрического датчика HBM C16A

Тип
Тензодатчик C16A D1 Тензодатчик C16A C3 Тензодатчик C16A C4
Номинальная нагрузка (Emax)   20 т 30 т 40 т 60 т 100 т 20 т 30 т 40 т 60 т 100 т 20 т
30 т
40 т
60 т
Класс точности по OIML R60   D1 (0,0330 %) C3 (0,0170 %) C4
Максимальное число поверочных интервалов (nLc)   1000 (10 000 NTEP III LM) 3000 4000
Минимальный поверочный интервал датчика (vmin) % от Emax 0,02 (0,0068 NTEP III LM) 0,01 0,0083 0,0167 0,01 0,0083
[Опция: 0,0050]  
Номинальная чувствительность (Cn) мВ/В 2
Допуск чувствительности1) % ±0,51)
Температурное отклонение чувствительности (ТКс)2) % от Cn/10 K ±0,02502) ±0,00802) ±0,00702)
Темп. отклонение нулевого сигнала (TК0) ±0,0285 ±0,0140 ±0,0116 ±0,0234 ±0,0140 ±0,0116
Относительная погрешность обратимости (dhy)2) % от Cn ±0,03302) ±0,01702) ±0,0140
Нелинейность (dlin)2) ±0,03002) ±0,01802) ±0,0120
Ползучесть при нагрузке (dcr) за 30 мин ±0,0330 ±0,0167 ±0,0125
Минимальная обратная статическая нагрузка на выходе (DR) за 30 мин ±0,0330 (±0,0150 NTEP III LM) ±0,0167 ±0,0125
Погрешность воспроизводимости (максимальное изменение выхода датчика веса при повторной нагрузке) ±0,005
Входное сопротивление (RLc) (черный-синий) n 700 ± 20
Выходное сопротивление (R0)1) (красный-белый) 706 ± 3,51)
Рекомендуемое напряжение питания (Uref) В 5
Номинальное напряжение питания (BU) 0,5 . .. 12
Сопротивление изоляции (Ris) ГОм > 5
Номинальный температурный диапазон (BT) °C -10 ... +40
Рабочий диапазон температур (Btu) -50 ... +70
Диапазон температуры хранения (Btl) -50 ... +85
Предельно допустимая нагрузка (EL) % от Emax 150
Разрушающая нагрузка (Ed) > 350
Допустимая динамическая нагрузка (Fsrel) (амплитуда колебаний в соответствии с DIN 50100 при 10 000 000 изменений нагрузки) 70
Номинальная нагрузка (Emax)   20 т 30 т 40 т 60 т 100 т
Отклонение при Emax (snom), ориентировочно мм 0,65 0,75 0,85 1,22 1,57
Вес (G) с кабелем, ориентировочно кг 2,1 2,3 2,9 3,7 8
Класс защиты согласно EN60529 (IEC529)   IP68 (условия испытаний: 100 часов, 1 м водяного столба), IP69 K (вода под давлением, очистка паром)
Материал   Измерительный элемент и корпус - нержавеющая сталь
кабельный ввод - латунь никелированная
уплотнение - фторкаучуковая резиновая смесь
оболочка кабеля - термопластичный эластомер

1) При угловой коррекции значения чувствительности и выходного сопротивления устанавливаются такими, что выходной сигнал весов при несимметричной нагрузке остается в допустимых пределах.

2) Данные значения отклонения линейности, гистерезиса и температурного отклонения чувствительности являются типовыми. Сумма этих значений находится в пределах суммарной погрешности согласно OIML R60 или NTEP при PLC = 0,7.

Технические параметры цифрового колонного тензодатчика веса HBM C16i

Тип 
Цифровой тензодатчик C16i D1 Цифровой тензодатчик C16i C3
Номинальная нагрузка (Emax) т 20 30 40 60 20 30 40 60
Класс точности по OIML R60* D1 (0,0330%) C3 (0,0180%)
Максимальное число поверочных интервалов (nLC) 1000 (10000 NTEP III LM) 3000
Минимальный поверочный интервал датчика (vmin) % от Emax 0,0200 0,0100 (0,006 NTEP III LM) 0,0083 (0,006 NTEP III LM)
Минимальный поверочный интервал весов (emin) согласно EN 45 501
(…LC = максимальное число датчиков)
кг - - - - 5 [6 LC]
10 [10 LC]
10 [10LC] 10 [6 LC]
20 [10 LC]
10 [4 LC]
20 [10 LC]
Чувствительность (Cn) делений 1 000 000
Допуск чувствительности % ±0,03
Температурное отклонение чувствительности (ТКС)1) % Cn/10K ±0,02501) ±0,00801)
Температурное отклонение нулевого сигнала (ТК0) ±0,0285 ±0,0140 ±0,0116
Гистерезис (dhy)1) % Cn ±0,03301) ±0,01701)
Нелинейность(dlin)1) ±0,03001) ±0,01801)
Ползучесть (dcr) за 30 мин. ±0,0330 ±0,0167
Рекомендуемое напряжение питания (Uref) В 12
Номинальное напряжение питания (BU) 8,5 … 152)
Потребляемый ток мА 502)
Разрешающая способность Бит  20 (при 1 Гц)
Частота измерений 1/сек 200/100/50/25/12/6/3/2/1
Фильтр режим 1 Гц 8 … 0,05 (НЧ фильтр)
Фильтр режим 2 8 … 3 (НЧ фильтр)
Асинхронный интерфейс RS-485/4-проводный (длина кабеля – до 500 м)
Скорость обмена  бод  1200 … 115200
Число абонентов шины шт. максимально 32
Предельные значения температуры oС -50… +50
Температура хранения (Btl) -50… +85
Предельно допустимая нагрузка (EL) % Emax 150
Разрушающая нагрузка (Ed) >350
Допустимая динамическая нагрузка (амплитуда колебаний согласно DIN 50 100) 70
Номинальная нагрузка (Emax) т 20 30 40 60 20 30 40 60
Отклонение при Emax (snom), ориентировочно мм 0,65 0,75 0,85 1,22 0,65 0,75 0,85 1,22
Вес (G) с кабелем, ориентировочно кг 2,2 2,4 3,0 3,8 2,2 2,4 3,0 3,8
Класс защиты согласно EN60529 (IEC529)   IP68 (условия испытаний: 100 часов, 1 м водяного столба)
IP69К (вода под давлением, очистка паром)
Материал:   измерительный элемент и корпус - нержавеющая сталь
кабельный ввод нержавеющая сталь
уплотнение - Viton
оболочка кабеля - термоэластопласт
Классификация по влажности   CH

*) Датчики серии С16i могут поставляться С4 и С6 классов точности

1) Значения отклонения линейности, гистерезиса и температурного отклонения чувствительности тензодатчиков являются типовыми.
Сумма этих значений находится в пределах суммарной погрешности согласно OIML R60

2) Смотри таблицу напряжения питания в руководстве по установке цифрового колонного тензодатчика C16i

Паспорт и чертеж тензометрического датчика HBM C16

Чертеж тензометрического датчика колонного типа HBM C16A:

Эскизный чертеж Детальный чертеж


Ссылка на технический паспорт

Ссылка на паспорт тензометрического датчика HBM C16:

  • HBM C16A 20...100 тонн
  • HBM C16A 100...400 тонн
  • HBM C16i 20...60 тонн

Схема подключения тензометрического датчика HBM C16

Схема подключения аналогового тензодатчика C16A Схема подключения цифрового тензодатчика C16i  



Установка тензодатчика HBM C16

Внимание!

Устанавливать и подключать тензометрические датчики должны профессиональные монтажники

Тензодатчик комплектуется узлом встройки, представляющим собой набор крепежных элементов - эксцентриков и посадочного гнезда. Все площадки для тензодатчиков необходимо выставить в единый уровень по высоте, после чего установить тензодатчики и поставить сверху грузоприемную платформу с предварительно закрепленным посадочным гнездом. Далее тензодатчики устанавливаются в вертикальное положение при помощи регулировочных эксцентриков, находящихся по бокам колонны в центре, как видно из чертежа справа.

Тензодатчики имеют незначительные допуски по отклонению от вертикальной оси, а также по уровню горизонта, поэтому допустимы небольшие ошибки, которые в дальнейшем убираются юстировкой весового оборудования и настройкой сигнала.

Легче всего регулировать выходящий сигнал при помощи соединительной коробки, в которой есть регуляторы сопротивления, позволяющие синхронизировать показания тензорезисторов.

Купить тензодатчик C16 HBM по выгодным ценам со склада и под заказ

Мы предлагаем приобрести тензометрический датчик C16A и C16i производства германской фирмы HBM по выгодным ценам со склада и под заказ на любую максимальную нагрузку.

Доставка товара по всей территории России, Беларуси и Казахстана в любой указанный город - Москва, Санкт-Петербург, Астана, Минск, Калининград, Пенза, Новосибирск, Екатеринбург, Омск, Элиста, Краснодар, Нижний Новгород, Красноярск.

Компания Модуль – Ваш персональный инженер в мире измерительного оборудования!
Купить колонный тензодатчик C16 компании HBM на выгодных условиях!


Z-SG(L): преобразователь сигналов тензодатчиков Seneca. КИП-Сервис: промышленная автоматика

Питание =10…40 В или ~19…28 В (50/60 Гц)
Энергопотребление не более 2 Вт
Протокол ModBUS-RTU
Коммуникационные порты
Порты RS-485 (2400…115200 бод), RS-232 (2400 бод)
Адрес 01, без контроля четности
Данные 8 бит
Стоповый бит 1
Аналоговый вход
Схема подключения тензодатчиков 6- или 4-проводная, дифференциальный вход
Верхний предел диапазона измерений ± 5 мВ … ± 320 мВ
Погрешность калибровки: 0,01% от в. п. (верхнего предела)
нелинейность: 0,01 % от в.п.
температурная нестабильность: 0,0025 %/°С от в.п.
Гальваническая развязка (не относится к Z-SG-L) ~1500 В по отношению ко всем остальным цепям
Аналоговый выход (не относится к Z-SG-L)
Выходное напряжение 0…10 В, 0…5 В DC, мин. сопротивление нагрузки: 2 кОм
Выходной ток 0…20 мA, 4…20 мA, макс. сопротивление нагрузки: 500 Ом
Погрешность преобразования 0,1% от верхнего предела диапазона измерений
Время отклика (10%…90%) 5 мс
Характеристики тензодатчика
Напряжение питания =5 В
Минимальное сопротивление 87 Ом (в результате параллельного подключения тензодатчиков)
Номинальный ток датчика 750 мА
Чувствительность ±1…64 мВ/В
Схема подключения 4-х или 6-ти проводная
Дискретный Вход или Выход (одно из двух)
Оптоизолированный дискретный вход максимальное напряжение: 30 В
Оптоизолированный дискретный выход максимальный ток: 50 мА,
максимальное напряжение: 30 В
Условия эксплуатации
Температура -10…+65 °С
Влажность 30…90% без конденсации
Высота над уровнем моря до 2000 м
Температура хранения -20…+85 °С
Корпус
Степень защиты IP20
Светодиодные индикаторы источник питания, калибровка, связь по RS-485
Подключение модуля съемные винтовые зажимы (по 3 контакта), сечение 5,08 мм
коннектор IDC10 на задней панели
стерео "джек" 3,5 мм на передней панели для RS232 (COM)
кнопка на боковой панели для калибровки тензодатчика
Корпус черный, PBT
Габаритные размеры 17,5×100×112 мм
Вес 140 грамм
Другие характеристики
АЦП 24 бит
Настройка программно с помощью Z-NET3
Термостабильность 25 ppm/K
Частота дискретизации настраивается в диапазоне 12,53…151,71 Гц
Подавление помех на частотах 50/60 Гц
Гальваническая развязка ~1500 В между входом и остальными цепями
~1500 В между питанием и коммуникационным интерфейсом
~1500 В между питанием и аналоговым выходом
Стандарты EN61000-6-4/2002, EN61000-6-2/2005, EN61010-1/2001, источник питания должен соответствовать EN60742

Тензодатчик Utilcell 350а 1500 кг

Документация: 

Добавить в корзину

Запрос цены

Тензодатчик Utilcell 350а 1500 кг применяется для:

  • платформенных весов;
  • весовых дозаторов;
  • бункерных весов.

Основные особенности

  • Тип – консольная балка на сдвиг.
  • Степень защиты IP68 (EN 60529, ГОСТ 14254-80):
    • 350a (300...5000 кг): конструкция тензодатчика из нержавеющей стали. Герметизация силиконом, IP66.
  • 3000 делений O.I.M.L. R60 class C.
  • Оптимизированы для создания систем из нескольких датчиков.
  • Возможно искрозащищенное исполнение ATEX Ex Зона 0-1-2 (газ) и 20-21-22 (пыль).
Технические характеристики
Модификация тензодатчика 350а
Номинальная нагрузка (НН) 1500 кг
Класс точности по ГОСТ 30129-96 и OIML R60 С3
Минимальная нагрузка 0 %НН
Минимальная дискретность vmin 150 г
Допустимая перегрузка 150 % НН 2250 кг
Предельная перегрузка 200 % НН 3000 кг
Комбинированная ошибка <±0. 017 %РКП
Повторяемость <±0.015 %РКП
Температурный эффект: нуля <±0.02 %РКП/10°С
сигнала <±0.006 %РКП/10°С
Ползучесть (30 мин.) <±0.016 %РКП/10°С
Температ. диапазон с компенс. -10...+40°С
Температ. диапазон допустимый -20...+70°С
Рабочий коэфф. передачи 2 мВ/В
Напряжение питания номинальное 10 В
Напряжение питание макс. 15 В
Входное сопротивление 400±20 Ω
Выходное сопротивление 350±3 Ω
Значение нуля <±2 %РКП
Сопротивление изоляции >5000 М Ω
Возможные отклонения размеров 0,2 - 0,4 мм
  • Комбинированная ошибка: нелинейность и гистерезисность.
  • Отклонение РКП датчиков не более 0.05%.

Габариты и масса тензодатчиков

Подключение тензодатчиков 350а

Вместе с Тензодатчики смотрят

Аналоги и модификации Тензодатчик Utilcell 350а 1500 кг

METTLER TOLEDO Весы для лаборатории, производства и торговли

Измерительные приборы - это оборудование, используемое для точного определения различных параметров исследуемых объектов. Наша компания занимается ...

Измерительные приборы - это оборудование, используемое для точного определения различных параметров исследуемых объектов. Наша компания занимается производством и обслуживанием контрольно-измерительных приборов и весового оборудования для различных отраслей промышленности.

Предлагаем купить измерительные приборы для оптимизации технологических процессов, повышения производительности и снижения затрат. Точные инструменты позволят установить соответствие нормативным требованиям.

Мы осуществляем продажу измерительных приборов, предназначенных для исследовательской деятельности и научных разработок, производства продукции и контроля качества, логистики и розничной торговли. МЕТТЛЕР ТОЛЕДО предлагает следующие измерительные приборы для различных областей применения:

Лабораторное оборудование

Для научных и лабораторных исследований требуются высокоточные измерительные и аналитические приборы и системы. Они используются для взвешивания, анализа, дозирования, автоматизации химических процессов, измерения физических и химических свойств, концентрации газов, плотности, спектрального анализа веществ и рефрактометрии, химического синтеза, подготовки проб, реакционной калориметрии, анализа размеров и формы частиц. Специализированное программное обеспечение позволяет управлять процессами и получать наглядное отображение данных.

Лабораторное оборудование включают следующие системы:

Промышленное оборудование

Если вас интересуют промышленное измерительное оборудование, предлагаем купить подходящие системы для взвешивания, контроля продукции, решения логистических задач и транспортировки грузов. Используйте точные приборы для стандартного и сложного дозирования, взвешивания в сложных условиях и взрывоопасной среде. Обеспечьте точность результатов с помощью поверочных гирь и тестовых образцов. Подключение периферийных устройств к приборам позволит регистрировать результаты и параметры взвешивания. Программное обеспечение с понятным интерфейсом оптимизирует процессы посредством управления оборудованием с ПК.

Ассортимент промышленных контрольно-измерительных приборов и инструментов включает:

Весы для магазинов и оборудование для розничной торговли

В сфере розничной торговли продовольственными товарами необходимы измерительные приборы и оборудование для взвешивания и маркировки товаров. Используйте весы для решения типовых задач, печати чеков и быстрого взвешивания, разгружающего поток покупателей. В сложных ситуациях пригодятся специализированные весовые системы с нетребовательным обслуживанием и уходом. ПО и документация упростят настройку системы и обучение персонала.

Вниманию покупателей предлагаются следующее оборудование для торговли:

Как купить весы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО?

Чтобы купить оборудование на нашем сайте, оформите запрос в режиме онлайн в соответствующем разделе. Уточните задачу, которая должна быть решена с помощью требуемого прибора. Укажите контактные данные: страну, город, адрес, телефон, e-mail, название предприятия. Заполненная форма направляется специалисту компании, который свяжется с вами для уточнения ключевых моментов.

Сеть представительств METTLER TOLEDO для обслуживания и сервисной поддержки распространена по всему миру. В России отдел продаж и сервиса расположен в Москве. Региональные представительства по продажам находятся также в Казани, Ростове-на-Дону, Самаре, Екатеринбурге, Красноярске, Уфе, Хабаровске, Новосибирске.

Отправьте отзыв, задайте вопрос специалисту, свяжитесь с конкретным отделом. Воспользуйтесь онлайн-формой обратной связи или позвоните по указанному телефону офиса в выбранном регионе. Консультанты ответят на каждое обращение и вышлют коммерческое предложение по индивидуальному запросу.


Тензометрический датчик

Тензодатчики — это приборы, которые превращают механическую деформацию пластины в электрический сигнал, чтобы узнать величину растяжения и сжатия определённого предмета. На промышленных предприятиях тензометрический датчик используется, чтобы измерять различные показатели, изменение состояния деталей, строений и конструкций, при помощи преобразования деформации в электрический сигнал.

Что это такое

Тензодатчики — это устройства для вычисления деформации разных конструкций, основаны на определении уровня смещения упругого элемента. Они превращают искажение пластины в электрический сигнал, с его помощью определяется уровень растяжения и сжатия различных предметов. При определении, что такое тензодатчик, нужно учитывать, что он выступает резистивным преобразователем и является одним из основных элементов различного весового оборудования.

Прибор изготавливается из восприимчивого тензорезистора, вырабатываемого из тензоматериалов. Материалом изготовления служат фольга, алюминиевая проволока. Равно, как и в других устройствах для измерения веса, резистор реагирует на перемену постоянного сопротивления на контактах и действует путём обширного сжатия. Насчитывается довольно большое количество различных видов тензометрических датчиков, которые находят применение в атомной, фармацевтической, металлургической промышленности.

Принцип работы

Основным элементом датчика служит тензорезистор. Чтобы разъяснить принцип работы тензодатчика, нужно понять, что этот процесс преобразования происходит благодаря увеличивающейся нагрузке на данный элемент. Человеку необходимо только замерить величину сопротивления. Смотря на эти показатели, можно понять степень нагрузки и проверить величину деформации.

Эти тензодатчики измеряют:

  • перемещение,
  • силу,
  • ускорение
  • крутящий момент и другие параметры.

Показания приборов зависят от усилия на тензорезистор. Даже когда используются различные сложные схемы, связанные через нагрузку на резистор, всё делается для сжатия или натяжения. Работу растяжения или сжатия тензодатчики делают вдоль решётки, служащей в качестве базы. Различные виды датчиков могут измерять сопротивление при воздействии. Эти приборы пользуются популярностью.

Виды и сфера применения

В промышленных предприятиях в работе находятся разные виды тензодатчиков:

  • устройства, измеряющие нагрузки;
  • приборы контроля перемещения;
  • контролирующие давление;
  • измеряющие ускорение;
  • датчики конструкции станков.

Есть обратить внимание на виды тензодачиков, то чаще других используют датчик для измерения веса. Применяют несколько типов приборов: бочковые, шайбовые, S-образные. В зависимости от предназначения выбирается нужный вариант прибора. Вмещают в себя очень реагирующие элементы.

Все датчики разделяются по устройству и типу:

  • плёночные;
  • фольговые;
  • проволочные.

Датчик наклеивается на поверхность фольги. Сделан из полоски фольги 12 мкм. Одна часть плёнки плотная, а другая часть решётчатая. Система позволяет сделать к ней пайку вспомогательных контактов. Данные датчики хорошо зарекомендовали себя в условиях низких температур. Существуютплёночные тензодатчики, которые делаются из тензочувствительных плёнок.

Этими приборами часто измеряют динамические нагрузки. Плёнки изготавливают из германия, титана, висмута. Проволочные типы датчиков — это приборы,  измеряющие нагрузки от 100 граммов до сотен тонн. Они не измеряют по общей площади, как фольговые и плёночные, а замеряют только в одной точке. Эти устройства используют, замеряя величину деформации на растяжение, сжатие.

Схема подключения

Чтобы сделать измерение небольших, преобразованных сигналов, подойдёт мостовое подключение. Для этого вольтметр нужно разместить в центре цепи. Используемая схема подключения — электрический мост. Подключается тензодатчик в одно плечо и с этим изменяется удельное сопротивлениедо уровня других резисторов, в не нагруженном состоянии. После этого используемый прибор напряжения должен показать 0. Для схемы измерения нужно брать во внимание текущие показания сопротивления проводов, когда они будут подсоединены к резистору. Воздействие будет уменьшаться, если добавить провод. Его нужно подсоединить к одному из выводов резистора или к вольтметру.

При наклейке на материал двух других устройств с разной степенью нагрузки, сигнал увеличится в 2 раза. Сделать подключение тензодатчика можно для 4 устройств, это ещё больше увеличит чувствительность. При подключении проволочных тензорезисторов амперметры покажут данные и без применения усилителей. Необходимо правильно подбирать номиналы сопротивлений. В этом помогает использование мультиметра для сведения уравненных между собой показателей.

Проволочные тензорезисторы

Нужно принять во внимание, как работает тензодатчик. На замеряемую деталь нужно установить отрезок тонкой проволоки. Посчитать нужное сопротивление можно по обычной формуле. Вместе с деталью крепится проволока для деформации. Чтобы сделать измерение усилия, сжатия и увеличения сечения, следует изменять геометрические размеры. При этом растяжение уменьшится. Сопротивление после этого поменяет знак, учитывая какое действие оказывается. Характеристика здесь остаётся линейной. Так как это датчик пониженной чувствительности, нужно добавить длину проволоки на одном из участков измерения.

На нить накручивается спираль, а затем над сопротивлением наклеивается изоляционная пластина с добавлением бумаги и лака. Для отключения прибора от электрического питания потребуются пара медных проводников. Их следует припаять к накрученной проволоке. На упругий материал или конструкцию тензорезисторы крепятся обычным клеем.

Тензодатчики из фольги

В них действует похожий принцип работы, что и в проволочных датчиках, но основой изготовления служит фольга. Пластина для фольговых тензодатчиков вырабатывается из титана. Рабочая технология этого метода даёт возможность получить сложную разновидность решётки. Это делает возможным запустить производство в автоматизированном режиме. Если взять фольговые тензодатчики, тогда чувствительность у них будет больше чем у проволочных. Они имеют более реагирующие контакты, готовность передать громадное количество тока и отлично сообщают деформацию с точными результатами.

Полупроводниковые тензодатчики

Отличаются эти датчики чувствительностью, превосходящей чувствительность проволочных устройств в 100 раз. Поэтому они идут в работу без усилителей и широко используются в промышленности.

Тензодатчики нужны для определения деформации в электронике, а также в промышленности. В продаже есть самые разные модели тензодатчиков. Прибор популярный и простой настолько, что разобраться в его работе можно, имея школьные знания по физике.

Тензодатчики и мостовые схемы

Пример режима измерения Мостовая схема Подключение проводов к распределительной коробке Подключение проводов к мостовой коробке Мостовой выход

Квартальный мост

E: Входное напряжение
e: Выходное напряжение
⊿e: Выходное напряжение из-за деформации
e 0 : Выходное напряжение до возникновения деформации
R 0 : Сопротивление до возникновения деформации
R: Изменение сопротивления из-за деформации
ε: величина деформации
K: коэффициент тензодатчика
e = e 0 + ⊿e
R 1 = R 0 + ⊿R
R = R 0

Четвертьмостовой 3-проводный
Компенсирует изменение сопротивления подводящего провода из-за температуры

Четвертьмостовая 3-проводная ширина, два датчика, соединенных последовательно на одной руке, что исключает деформацию изгиба

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 + ⊿R
R = 2R 0

Ширина четверти моста четыре датчика, соединенных последовательно и параллельно в одном плече

R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 0 + ⊿R
R = R 0

Ширина полумоста 1-активный и 1-фиктивный калибр

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 = R

Ширина полумоста, два активных датчика

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 -ν⊿R

ν: коэффициент Пуассона

Ширина полумоста 2 активных датчика: деформация изгиба

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 ー ⊿R
R = R 0

Общий макет полумоста
Совместное использование нескольких каналов с R 2 в качестве общего макета

Только для распределительной коробки

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 = R

Противоположный рычаг Полумост с 2 активными датчиками

Только для мостовой коробки
Подходящие модели
SB-120B
SB-128A
SB-123A

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 + ⊿R
R = R 0

Противоположный рычаг Полумост с 3-проводным 2 активными датчиками

Только для мостовой коробки
Подходящие модели
SB-120B
SB-128A
SB-123A

R 1 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 0 + ⊿R
R = R 0

Полная ширина моста 4 активных датчика: одноосная деформация

R 1 = R 3 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 4 = R 0 -v ・ ⊿R


ν: коэффициент Пуассона

Полная ширина моста 4 активных датчика: деформация изгиба

R 1 = R 3 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 4 = R 0 ー ⊿R
⊿e = EKε

Полная ширина моста 4 активных датчика: Крутящий момент

R 1 = R 3 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 4 = R 0 ー ⊿R
⊿e = EKε

Полная ширина моста 2 активных и 2 фиктивных датчика

R 1 = R 3 = R 0 + ⊿R
R 2 = R 4 = R
R = R 0

Общие сведения о цепи тензодатчика моста Уитстона

Тензодатчик в основном работает по принципу простого металлического проводника, который имеет тенденцию влиять на его длину, площадь поперечного сечения и сопротивление из-за приложенного напряжения.Это связано с тем, что длина провода прямо пропорциональна сопротивлению провода и обратно пропорциональна его площади поперечного сечения согласно следующему уравнению.

R = ρ \ frac {L} {A}
Здесь R = сопротивление провода,
ρ = удельное сопротивление
L = длина провода
и A = площадь поперечного сечения провода

Величина деформации, вызванной напряжением, определяется путем измерения изменения сопротивления датчика в результате изменения размеров объекта из-за приложенной силы.Это изменение сопротивления меньше по сравнению с сопротивлением тензодатчика, и, следовательно, его необходимо точно измерить для определения деформации. Чтобы измерить это небольшое изменение сопротивления, используется схема моста Уитстона. Он позволяет с большой точностью измерять относительные изменения тензодатчика в диапазоне от 10 -4 до 10 -2 Ом / Ом.

Типичная мостовая схема Уитстона состоит из простой сети из четырех резисторов с одинаковым сопротивлением, соединенных встык, образуя квадрат, как показано на рисунке ниже.Через одну пару диагональных углов схемы подается напряжение возбуждения, а через другую пару измеряется выходной сигнал моста. Выходная мощность моста, то есть значение V 0 , зависит от соотношения сопротивлений резисторов, то есть R 1 : R 4 и R 2 : R 3 .

Когда мост уравновешен и на тензодатчик не возникает деформаций, соотношение между четырьмя сопротивлениями может быть выражено как:

\ frac {R1} {R4} = \ frac {R2} {R3}

Теперь, поскольку V 0 = V + - V -, это означает, что V 0 = 0

Формы схем моста Уитстона

В некоторых приложениях, в зависимости от задачи измерения, обычно только некоторые из плеч моста содержат активные тензодатчики, а остальная часть состоит из резисторов завершения моста.Это включает в себя мосты, такие как четвертьмост, полумост или диагональный мост. Для приложений с очень строгими требованиями к точности предпочтительна полная перемычка.

Квартал Мост Уитстона

В случае увеличения сопротивления одного из резисторов в мосту из-за приложенной силы мост больше не остается сбалансированным. Эта конфигурация известна как тензодатчик четвертьмостового моста.

Здесь \ frac {R1} {(R4 + ΔR)} ≠ \ frac {R2} {R3} и V0 ≠ 0

Теперь, используя формулу делителя напряжения, получаем
VC = \ frac {R1} {(R1 + R2)} VEX
VD = \ frac {(R4 + ΔR)} {(R4 + ΔR) + R3}) VEX
Кроме того, падение напряжения V 0 можно выразить как:
V0 = \ frac {(R + ΔR)} {(R + (R + ΔR))} VEX - \ frac {R} {(R + R)} VEX [Так как R1 = R2 = R3 = R4 = R]
При дальнейшем упрощении получаем
V0 = \ frac {(Vex ΔR)} {(4R + 2ΔR)}
Теперь, поскольку R >> ΔR и 4R >> 2ΔR , получаем следующее окончательное уравнение:
V0 = \ frac {Vex} {4} \ times \ frac {ΔR} {R}

В приведенном выше уравнении ΔR / R - это электрическая деформация, а калибровочный коэффициент называется отношением электрической деформации и механической деформации.Следовательно, приведенное выше уравнение можно переписать как:
V0 = \ frac {Vex} {4} \ times k \ times ϵ
, где k = калибровочный коэффициент
и ϵ = механическая деформация
В четвертьмостовой схеме, как расстояние между тензодатчиком и тремя другими сопротивлениями неизвестно, может существовать значительное сопротивление провода, которое может повлиять на измерение. В этом случае сопротивление тензодатчика будет не единственным измеряемым сопротивлением, но сопротивление провода также будет влиять на измерение выходного напряжения.Этот нежелательный эффект можно свести к минимуму, добавив третий провод, подключенный непосредственно к верхнему проводу тензодатчика.

Половина моста Уитстона
Когда мы устанавливаем два активных тензодатчика на изгибающуюся балку, размещая один спереди, а другой сзади, мы получаем схему полумоста. Это связано с тем, что половина из четырех резисторов в цепи теперь являются тензодатчиками. При такой компоновке оба тензодатчика будут реагировать на индуцированную деформацию, тем самым делая мост более чувствительным к приложенной силе.По сравнению с четвертьмостовой конфигурацией, полумостовая схема дает удвоенное выходное напряжение для данной деформации, тем самым улучшая чувствительность схемы в два раза.

Давайте рассмотрим пример консольной балки, которая прикреплена к лабораторному столу, и к концу балки приложен груз. В установке есть тензодатчик, прикрепленный к верхней поверхности балки, а другой прикреплен к нижней поверхности (см. Случай 1). Когда балка деформируется из-за приложенной силы, верхний датчик деформации растягивается, а нижний датчик деформации сжимается.Следовательно, выходное напряжение в этом случае можно выразить как:

V0 = \ frac {Vex} {4} \ times \ frac {(ΔR3 - ΔR4)} {R}
V0 = \ frac {Vex} {4} \ times k \ times (ϵ3-ϵ4) (с ϵ3 = -ϵ4 = ϵ)
V0 = \ frac {Vex} {2} \ times k \ times ϵ

Если тензодатчики подключены по диагонали напротив друг друга, как показано на рисунке выше (случай 2), выходное напряжение будет выражено как:
V0 = \ frac {Vex} {4} \ times \ frac {(ΔR2 - ΔR4)} {R}
V0 = \ frac {Vex} {4} \ times k \ times (ϵ2 + ϵ4) (с ϵ2 = ϵ4 = ϵ)
V0 = \ frac {Vex} {2} \ times k \ раз ϵ

Полный мост Уитстона
При замене всех резисторов схемы моста Уитстона четырьмя активными тензодатчиками мы получаем полную мостовую схему.Эта конфигурация обеспечивает большие выходные сигналы тензодатчиков, улучшает температурную компенсацию и предлагает еще большую чувствительность. Полномостовой тензодатчик Мост Уитстона дает линейный выходной сигнал, чем другие конфигурации, поскольку выходное напряжение прямо пропорционально приложенной силе, без какого-либо другого приближения, в отличие от четверть- и полумостовых конфигураций.

В этой схеме два диагонально прикрепленных тензодатчика, которые установлены на нижней части консольной балки, сжимаются, а два других растягиваются во время процесса.Это вызывает как положительные, так и отрицательные изменения сопротивлений в цепи. При приложении силы сопротивления всех тензодатчиков изменяются на величину ΔR, что дает следующее уравнение:
V0 = \ frac {VEX} {4} \ times (\ frac {ΔR1} {R1} - \ frac {ΔR2 } {R2} + \ frac {ΔR3} {R3} - \ frac {ΔR4} {R4})
V0 = \ frac {VEX} {4} \ times \ frac {k} {4} (ϵ1-ϵ2 + ϵ3 -ϵ4)

Как известно, полумостовая и полная мостовая конфигурации обеспечивают большую чувствительность и точность. Однако не всегда возможно прикрепить дополнительные пары тензодатчиков к испытуемому образцу.Для этих конкретных случаев предпочтительна конфигурация четвертьмоста. Поэтому, в зависимости от размера, ограничений по установке и характера применения, используется подходящая компоновка.

Электрические схемы

Использование мостовой схемы Уитстона дает три важных преимущества:

  • компенсация температурной деформации
  • регулировка нуля выходного напряжения
  • Компенсация поперечных сил и моментов

При использовании всего четырех измерительных сеток выходной сигнал может быть увеличен за счет подходящего соединения по сравнению с использованием одной измерительной сетки.

Гибка

Решетки R1 и R3 расположены наверху изгибающей балки, решетки R2 и R4 расположены на нижней стороне балки. В этой схеме компенсируются деформации и деформации, связанные с температурой, вызванные осевым усилием или кручением. Обнаруживается только изгиб вокруг оси.

Механическое напряжение зависит от высоты балки h, ширины балки b (момент сопротивления Wb = bh 2 /6 с прямоугольным поперечным сечением),

, а также изгибающий момент (M b = F L) от силы F и плеча рычага L:

σ b = M b / W b

Для измерения изгиба используются тензодатчики с двумя параллельными сетками:

Тензодатчик с двойной сеткой 0 ° -0 ° для измерения изгиба

Осевая сила

В случае осевого усилия тензодатчики расположены таким образом, чтобы измерять продольное и поперечное расширение.В отличие от изгибаемой балки, измерительные сетки R2 и R4 дают только прибл. 30% сигнала измерительных сеток R1 и R3. То же количество для выходного сигнала: для изменения сопротивления на R2: ΔR2 / R2 = -ν ΔR1 / R1.

Температурная деформация и деформация из-за изгиба или кручения в этой цепи компенсируются. Обнаруживается только осевое усилие.

Механическое напряжение является результатом силы F и площади поперечного сечения A = b h:

σ = F / A

Для измерения осевой силы используются тензодатчики с двумя взаимно перпендикулярными сетками (Т-образная розетка):

Тензодатчик Т-образная сетка 0 ° -90 ° для измерения осевого усилия

Соединение между сетками R1 и R2 или R3 и R4 уже может быть выполнено на держателе тензодатчика, поэтому требуется только 3 поверхности пайки.

Небольшое расстояние между решетками R1-R2 или R3-R4 необходимо для компенсации изгиба вокруг вертикальной оси.

В случае небольших размеров рекомендуется установка одной решетки на каждую боковую поверхность или установку одной Т-образной розетки на каждую боковую поверхность с последовательным соединением двух решеток каждая.

Торсион

Максимальные деформации в торсионе менее 45 ° к оси вала. Посредством расположения двух измерительных сеток под +45 ° и -45 ° можно реализовать мостовую схему с двумя положительно и двумя отрицательно растянутыми сетками, аналогичными напряжению изгиба.

Сетка R1 параллельна сетке R3 и в нужный момент положительно растянута.

Сетка R2 параллельна сетке R4 и в нужный момент отрицательно растянута («сжата»).

Температурная деформация и деформация из-за изгиба или осевого усилия компенсируются для этого контура. Обнаруживается только кручение.

Механическое напряжение σ т является результатом крутящего момента M т и момента сопротивления кручению W т :

σ т = M т / W т

Для измерения кручения используются тензодатчики с сеткой + 45 / -45.

Соединение между сетками R1 и R2 или R3 и R4 уже может быть выполнено на держателе тензодатчика, поэтому требуется только 3 поверхности пайки.

Упрощенная установка, особенно для валов большого диаметра (например, судовых валов, приводных валов генератора), возможна при использовании полного моста тензодатчика 4x45 °.

В случае неоднородных колебаний напряжения, например, при установке тензодатчиков на небольшом расстоянии от шлицев, рекомендуется установка 4-х измерительных сеток по окружности или 4-х двойных сеток при последовательном соединении.

Тензорезисторы для измерения кручения

Ножницы

Максимальные деформации в полосе сдвига ниже 45 ° в области нейтрального волокна.

Благодаря расположению двух измерительных сеток ниже + 45 ° и -45 ° мостовая схема с двумя положительно и двумя отрицательно растянутыми сетками может быть реализована аналогично изгибу и кручению.

Сетка R1 и сетка R3 положительно растянуты.

Сетка R2 и сетка R4 растянуты («сжаты») отрицательно.

Температурная деформация и деформация из-за изгиба, осевого усилия или скручивания в этой цепи компенсируются. Обнаруживается только сдвиг.

Механическое напряжение σt определяется силой F и поперечным сечением A = b h:

σ ≈ F / A * 1,4

Для измерения сдвига используются тензодатчики с сеткой +45 / -45 (как на кручение).

Тензодатчик с мостом Уитстона

Цепи тензодатчика с мостом Уитстона широко используются внутри преобразователя для преобразования механической деформации в электрический выходной сигнал.

Базовая схема состоит из четырех резистивных элементов, соединенных вместе в ромбовидную конфигурацию. Обычно все 4 резистивных элемента являются активными тензодатчиками, чтобы максимизировать чувствительность преобразователя, но в некоторых случаях вместо них используются 2 фиксированных резистора с 2 тензодатчиками.

Схема тензодатчика на мосту Уитстона создается путем установки пары тензодатчиков на материал, который будет подвергаться напряжению, так что при приложении силы они растягиваются по своей ширине. Другая пара идентичных тензодатчиков устанавливается под углом 90 ° к другой паре, где приложенная сила растягивает их по длине.

Самый простой способ получить конфигурацию моста Уитстона - это установить все четыре тензодатчика на измерительную поверхность в радиальной конфигурации, разделенных на 90 градусов, со всеми тензодатчиками, указывающими в одном направлении.

Измерительные приборы на основе тензодатчиков

Запросите информацию о продуктах для измерения тензодатчиков для вашего приложения.

Два тензодатчика, которые указывают тангенциально, будут растянуты по своей ширине, что уменьшит сопротивление. Два других тензодатчика, которые направлены в радиальном направлении, будут растянуты по своей длине, что увеличит сопротивление.

Затем каждый тензодатчик подключается к следующему, образуя ромбовидную форму, и точки ромба становятся точками соединения, обеспечивающими питание цепи и измеряющим генерируемый сигнал.

Если затем подать напряжение на две противоположные точки подключения схемы моста Уитстона, а к оставшимся двум противоположным точкам подключения подключить вольтметр, будет обнаружено падение напряжения, которое будет варьироваться в зависимости от напряжения, приложенного к поверхности, которая схема моста Уитстона смонтирована.

Измерительные приборы на основе тензодатчиков

Запросите информацию о продуктах для измерения тензодатчиков для вашего приложения.

Справка

У меня есть красный, черный и белый провода от тензодатчиков (SG) на стороне сжатия консольной балки. Сопротивление между красно-белым и черно-красным проводом составляет 1 кОм. Сопротивление между черным и белым проводом составляет 2 кОм. Как выводы связаны с мостом Уитстона (WSB)? Есть ли 2 WSB? Как они связаны? Пожалуйста, покажите принципиальную схему, на которой все четыре лучевых SG подключены к мосту, а они - к выходной цепи.Укажите типичные дискретные компоненты с маркировкой для выхода 0–5 В.

Мост Уитстона обычно имеет 4 датчика деформации (см. Диаграмму выше), из которых 2 находятся под давлением (C), а 2 - под растяжением (T). Схема формируется путем соединения тензодатчиков вместе встык, чтобы создать петлю в этом порядке

C1 ↔ e ↔ T1 ↔ f ↔ C2 ↔ g ↔ T2 ↔ h ↔ C1.

Если точка «e» подключена к положительному источнику питания (supp +), а точка «g» подключена к отрицательному источнику питания (supp-), равный ток будет течь через обе стороны контура, если каждый из тензодатчиков имеет одинаковое сопротивление. без какого-либо напряжения.

Если к тензодатчикам приложить напряжение, сопротивление в C1 и C2 уменьшится, а T1 и T2 увеличатся. Это создает дисбаланс между точками «f» и «h», создавая разность потенциалов (V из ), которая пропорциональна приложенной деформации.

Выходной сигнал цепи тензодатчика моста Уитстона обычно представляет собой сигнал низкого напряжения, измеряемый в милливольтах. Следовательно, необходимо усилить выход милливольт с помощью блока преобразования сигнала тензодатчика для генерации выходного сигнала 0-5 В.

Измерительные приборы на основе тензодатчиков

Запросите информацию о продуктах для измерения тензодатчиков для вашего приложения.

Термины, связанные с сенсорной технологией

Дополнительные страницы, посвященные техническим условиям сенсорной техники.

Введение в измерение деформации и деформации

Резюме

    Тензодатчики широко используются в датчиках, которые обнаруживают и измеряют силу и связанные с ней параметры, такие как крутящий момент, ускорение, давление и вибрация.Тензодатчик - это строительный блок для тензодатчиков, в конструкции которых часто используются несколько тензодатчиков.
Тензодатчики широко используются в датчиках, которые обнаруживают и измеряют силу и связанные с ней параметры, такие как крутящий момент, ускорение, давление и вибрация. Тензодатчик - это строительный блок для тензодатчиков, в конструкции которых часто используются несколько тензодатчиков. Тензодатчик будет подвергаться небольшой механической деформации под действием приложенной силы, что приведет к небольшому изменению сопротивления датчика, пропорциональному приложенной силе.

Поскольку это изменение сопротивления при приложении силы настолько мало, тензодатчики обычно подключаются с помощью моста Уитстона. Результирующее выходное напряжение моста напрямую связано с любым дисбалансом между сопротивлениями в каждой ветви моста и напряжением возбуждения моста. Выходная мощность моста обычно указывается в милливольтах выходного напряжения на вольт приложенного возбуждения (мВ / В), и это обычно называется его номинальной выходной мощностью или чувствительностью .Фактический максимальный или полномасштабный выходной сигнал тензометрического моста при его полной номинальной нагрузке является произведением чувствительности моста (мВ / В) и приложенного напряжения возбуждения. Это называется диапазоном выходного сигнала при полной номинальной нагрузке.

Деформация - это мера деформации тела под действием приложенной силы. В частности, деформация (e) - это частичное изменение размера (длины, ширины или высоты) тела под действием силы, действующей вдоль этого измерения. То есть: e = ê L / L .Обратите внимание, что деформация может быть положительной (растяжение) или отрицательной (сжатие). Кроме того, величина измерения деформации обычно очень мала и часто выражается как целое число, кратное 10 -6 или микродеформации (me). В большинстве случаев измерения деформации редко превышают несколько миллистрейн (e * 10 -3 ) или около 3000me, за исключением приложений с большим удлинением.

Когда на тело материала действует сила в одном направлении, явление, называемое деформацией Пуассона , заставляет материал слегка сокращаться в поперечном или перпендикулярном измерении.Величина этого сжатия - свойство материала, обозначенное его коэффициентом Пуассона. Коэффициент Пуассона (g) - это отрицательное отношение совпадающей деформации сжатия, возникающей в поперечном направлении (перпендикулярном приложенной силе), к деформации в осевом направлении (параллельно приложенной силе). То есть: Коэффициент Пуассона (g) = -e T / e. Аналогично, деформация Пуассона ( e T ) = -ge.

Тензодатчики - это устройства, которые слегка изменяют сопротивление в ответ на приложенную деформацию.Эти устройства обычно состоят из очень тонкой сетки из фольги (или проволочной сетки), которая прикреплена к поверхности в направлении приложенной силы. Площадь поперечного сечения этого устройства сведена к минимуму, чтобы уменьшить отрицательный эффект сдвига или деформации Пуассона. Эти устройства обычно называют тензодатчиками с металлическими связями или тензодатчиками сопротивления. Сетка из фольги приклеивается к тонкому материалу основы или носителю, который непосредственно прикрепляется к исследуемому телу. В результате деформация, испытываемая испытуемым телом, передается непосредственно на сетку из фольги тензодатчика, который реагирует линейным изменением (или почти линейным изменением) электрического сопротивления.Как вы можете догадаться, правильная установка тензодатчика имеет решающее значение для его работы, так как приложенная деформация материала точно передается через клей и материал основы на саму фольгу.

Большинство тензодатчиков имеют номинальные значения сопротивления от 30 до 3000 Вт, из которых наиболее распространены 120, 350 и 1000 Вт.

Связь между результирующим частичным изменением сопротивления датчика и приложенной деформацией (частичное изменение длины) называется калибровочным фактором (GF) или чувствительностью к деформации .В частности, калибровочный коэффициент - это отношение частичного изменения сопротивления к деформации:

GF = (êR / R) / (êL / L) = (êR / R) / e

Коэффициент для металлических тензодатчиков обычно составляет около 2,0. Однако важно отметить, что это соотношение будет незначительно отличаться в большинстве приложений, и необходимо предоставить метод учета эффективного манометрического фактора системы измерения деформации (см. Инструментальный манометрический коэффициент).

В идеальном смысле сопротивление тензодатчика должно изменяться только в ответ на приложенную деформацию.К сожалению, материал тензодатчика, а также испытуемый материал, к которому он применяется, будет расширяться или сжиматься в ответ на изменения температуры. Производители тензодатчиков стараются минимизировать чувствительность датчиков к температуре за счет конструкции, выбирая конкретные материалы тензодатчиков для конкретных применений. Хотя эквивалентная погрешность деформации из-за температурного коэффициента материала минимизирована, она все же значительна, и обычно требуется дополнительная температурная компенсация.

ПИТРОВЫЙ МОСТ

Поскольку для измерения деформации обычно требуется обнаружение очень малых механических деформаций и небольших изменений сопротивления, результирующая величина большинства измерений деформации в приложениях анализа напряжений обычно составляет от 2000 до 10000me и редко превышает примерно 3000me. Таким образом, требуется точный метод измерения очень небольших изменений сопротивления. Точно так же этот метод должен также компенсировать внутреннюю чувствительность тензодатчика к температуре.Именно здесь в игру вступает мост Уитстона.

Мост Уитстона состоит из четырех резистивных плеч, расположенных в форме ромба, как показано слева. Напряжение возбуждения прикладывается к алмазу (или входу моста), и результирующее выходное напряжение может быть измерено на двух других вершинах алмаза, как показано.

Из закона напряжения Кирхгофа и закона Ома, примененного к схеме выше, мы можем показать, что Vo = VR1 - VR4 = [R1 / (R1 + R2) - R4 / (R3 + R4)] * Vex.



Обратите внимание, что когда R1 / R2 = R4 / R3, выходное напряжение будет нулевым, и мост считается сбалансированным. То есть не требуется, чтобы R1 = R4 и R2 = R3 для достижения баланса, просто чтобы отношение R1 к R2 и R4 к R3 было равным (это позволяет вам использовать резисторы завершения моста, которые могут иметь другое значение, чем ваше номинальное сопротивление тензодатчика). Для простоты иллюстрации, если все четыре сопротивления в каждой ветви моста равны, то выходное напряжение, измеренное на мосту, будет равно нулю, и мост называется сбалансированным.Аналогичным образом, любое изменение сопротивления в любой ветви моста приведет к разбалансировке моста и получению ненулевого выходного напряжения.

Обратите внимание, что один и тот же выходной сигнал может быть получен от двух разных наборов смежных сопротивлений, если их отношения эквивалентны (R1 / R2 = R4 / R3).

Напомним, если R1 / R2 = R4 / R3, то выход будет нулевым и мост сбалансирован. Отрицательное изменение выходного напряжения моста будет результатом уменьшения R1 или R3 (уменьшение R1 / R2, увеличение R4 / R3).Аналогичным образом, положительное изменение выходного напряжения моста приведет к уменьшению R4 или R2 (уменьшению R4 / R3, увеличению R1 / R2). При указанной выходной полярности моста уменьшение сопротивления R4 приведет к положительному изменению выходного напряжения моста. Эквивалентная деформация уменьшения сопротивления R4 будет отрицательной. Обычно считается, что положительная деформация - это растяжение, а отрицательная деформация - сжатие. Таким образом, положительное выходное напряжение моста будет результатом сжимающего напряжения, которое снижает сопротивление R4, что вызывает отрицательную деформацию.Это соглашение, используемое в данном руководстве.

Если вы замените R4 в мосту на активный тензодатчик (Rg), любое изменение сопротивления тензодатчика (êR) приведет к разбалансировке моста и получению ненулевого выходного напряжения, пропорционального изменению сопротивления. Обратите внимание, что изменение сопротивления из-за приложенной деформации составляет
êR = Rg * GF * e.

Если R1 = R2, & R3 = Rg, то замена Rg + êR вместо R4 в нашем предыдущем уравнении для Vo дает выражение: Vo / Vex = - GF * e / 4 * [1 / (1 + GF * e / 2 )] , что соответствует чувствительности этой четвертьмостовой схемы.Присутствие члена 1 / (1 + GF * e / 2) в этом выражении свидетельствует о небольшой нелинейности выхода четвертьмоста по отношению к деформации. Однако влияние этой нелинейности обычно невелико, и им можно пренебречь для уровней деформации четверти моста ниже примерно 5000 микродеформаций.

Обратите внимание, что активный тензодатчик (Rg) может занимать одну опору моста Уитстона (конфигурация четвертичного моста), две опоры моста (конфигурация полумоста) или четыре опоры моста (конфигурация полного моста). , при этом все оставшиеся ножки моста заняты постоянными резисторами или «фиктивными» датчиками.В любом случае количество активных датчиков в мосту является ключевым для определения того, является ли мост четверть-, половинчатым или полным мостом.

Напомним, что для вышеприведенной мостовой схемы и полярности, установленной, как показано, растягивающие (положительные) деформации будут давать положительное выходное напряжение, если оно находится в ячейках 1 и 3, и отрицательное выходное напряжение, если оно находится в ячейках 4 и 2. Сжимающее (отрицательное) Деформации будут давать отрицательный результат, если он находится в ячейках 1 и 3, и положительный результат, если он находится в ячейках 4 и 2.Изменения сопротивления в соседних плечах моста являются субтрактивными и имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, если они одного знака. Если изменения сопротивления соседних ячеек имеют противоположный знак, они складываются. Аналогичным образом, изменения сопротивления в противоположных ячейках являются аддитивными, если имеют один и тот же знак, и имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, если имеют противоположный знак.

Поскольку изменения сопротивления на соседних резисторах моста имеют одинаковый (численно аддитивный) эффект на выход моста, когда эти изменения имеют противоположный знак, и имеют противоположный эффект (численно вычитаемый), когда изменения в соседних плечах имеют одинаковый знак, тогда размещая одинаковые датчики и подводящие провода в соседних плечах и подвергая их воздействию одинаковой температуры, они действуют вместе, чтобы свести на нет их индивидуальные тепловые эффекты на выходе моста, эффективно устраняя ошибку деформации, вызванной температурой.

Чтобы проиллюстрировать это, если вы используете два тензодатчика в мосту, влияние температуры можно избежать. Заменив Rg + êR на R4 (наш активный датчик) и Rg на R3 (наш «фиктивный» датчик) и установив «фиктивный» датчик в поперечном направлении по отношению к активному датчику (перпендикулярно приложенной деформации), приложенная деформация мало влияет на «манекен» манометра, но температура окружающей среды влияет на оба манометра одинаково. То есть, поскольку их температурные эффекты равны, соотношение их сопротивлений не меняется, и соответствующее выходное напряжение Vo не изменяется (влияние температуры минимизировано).

Если вы решите сделать второй датчик активным, но в другом направлении (например, один активный датчик при растяжении, один активный датчик при сжатии), вы формируете конфигурацию полумоста, которая эффективно удваивает чувствительность моста к деформации. Таким образом, результирующее выходное напряжение является линейным и примерно вдвое превышает выходное напряжение четвертьмостовой схемы при том же возбуждении.

Рассмотрим приложение балансира, показанное ниже. Решение для чувствительности в этом приложении полумоста дает: Vo / Vex = - GF * e / 2 .На рисунке ниже обратите внимание, что направление стрелок (противоположных) показывает, что два активных датчика установлены таким образом, что один находится в состоянии сжатия, а другой - в растяжении, для одной и той же приложенной деформации.



Вы можете дополнительно повысить чувствительность этой мостовой схемы, сделав все четыре плеча моста активными тензодатчиками, при этом противоположные опоры объединены таким образом, что две опоры находятся в состоянии сжатия, а две - в напряжении. Это формирует полномостовую схему, которая имеет двойную чувствительность полумостовой схемы и в четыре раза чувствительность четвертьмостовой схемы.

Решение чувствительности полного моста, показанного слева, дает выражение: Vo / Vex = - GF * e . Фактически вдвое больше, чем у полумостовой схемы.



Уравнения, представленные до сих пор, были упрощены, поскольку они предполагают изначально сбалансированный мост, который генерирует нулевой выходной сигнал при отсутствии нагрузки. Это редко достигается на практике, когда допуски по сопротивлению и ошибки деформации, вызванные приложением, почти всегда приводят к начальному напряжению смещения (без деформации).Кроме того, эти уравнения также не учитывают сопротивления выводных проводов в соединениях с источником возбуждения и измерительными выводами.

В следующем разделе рассматриваются перестановки трех только что представленных базовых конфигураций мостов, которые учитывают эффекты несбалансированных мостов, сопротивления подводящих проводов и совпадающего напряжения Пуассона, где это применимо.

УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ДАТЧИКА

Термины и номенклатура, перечисленные в таблице ниже, используются в последующих уравнениях деформации для различных конфигураций моста.Vr - это новый термин, который используется для описания состояния несбалансированности большинства ненапряженных мостов.
Выходное напряжение моста

СРОК

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Vo : условное обозначение, используемое в этом документе, предполагает, что положительное напряжение моста соответствует индикации отрицательной деформации. Напряжен выходное напряжение моста под нагрузкой. Vo без напряжения - это ненагруженное выходное напряжение моста или начальное смещение моста.
Vex Напряжение возбуждения моста
г Коэффициент Пуассона
GF Измерительный коэффициент тензодатчика
e Деформация (умножить на 10 6 для микроштамма)
VR (Vo напряженный - Vo без напряжения) / Vex
Rg Номинальное сопротивление тензодатчика
Rl Сопротивление выводов
+ e Обозначает растяжение Деформация
-e Обозначает сжатие Деформация
-ge Деформация Пуассона (поперечная деформация)
Общий коэффициент, используемый для учета нескольких манометров в мосту (см. Калибровка шунта)

В примерах, представленных в данном руководстве для указанных полярностей, предполагается, что положительная деформация является растягивающей и сопровождается отрицательным выходным напряжением моста.Отрицательная деформация вызывает сжатие и сопровождается положительным выходным напряжением моста. Вы можете изменить это соглашение, удалив отрицательный знак в формулах и изменив полярность выходного напряжения моста. Точно так же внутренние резисторы завершения моста могут быть переведены либо в IN-, либо в IN +.

Четвертьмостовые уравнения

Четвертьмостовой мост, в котором используется один активный датчик для измерения деформации одноосного растяжения или сжатия, имеет следующие две общие конфигурации:

Четвертьмост типа I

Конфигурация первой четверти моста (тип I) чаще всего используется в экспериментальном анализе напряжений, когда температура окружающей среды относительно постоянна.Однако его не рекомендуется использовать в реальных условиях, поскольку он не компенсирует изменения температуры. Для конфигурации типа I соседний резистор в нижнем плече выбирается так, чтобы он имел такое же сопротивление, что и тензодатчик (R3 = Rg).

Четвертьмостовые уравнения

Два резистора на противоположных ножках должны быть равны друг другу (R1 = R2), но не должны быть равны измерительному резистору.

Четвертьмост типа II
(Деформация сжатия)


Вторая четвертьмостовая конфигурация (Тип II) обычно используется для измерения сжатия, и вы можете встретить этот тип мостовой конфигурации в приложениях для взвешивания.В этой конфигурации используется один активный датчик, а также пассивный или «фиктивный» датчик, установленный поперек приложенной деформации. Манекен не измеряет деформацию, он предназначен только для температурной компенсации. То есть приложенная деформация мало влияет на манометр, поскольку он установлен в поперечном (перпендикулярном) направлении (деформация Пуассона очень мала), но температура окружающей среды будет одинаково влиять на оба манометра. Поскольку оба датчика подвергаются воздействию одинаковой температуры, соотношение их сопротивлений одинаково, и Vo не изменяется в зависимости от температуры.

Обратите внимание, что четвертьмостовой мост с температурной компенсацией (тип II) иногда неправильно называют полумостовой конфигурацией из-за наличия второго датчика. Но поскольку второй датчик не измеряет деформацию (он не активен), это фактически схема четвертьмостового типа II, и применима формулировка четвертьмостовой схемы. Обратите внимание, что метод четвертьмоста не может использоваться в приложениях, где направление поля напряжений неизвестно или изменяется.

Если в направлении манометрического манометра приложена какая-либо сила, то измерение деформации в направлении активного манометра будет ошибочным.

В любом случае решение результирующей деформации конфигурации четвертьмостового типа I или типа II даст следующее выражение (обратите внимание на отсутствие коэффициента Пуассона):

e = -4Vr * (1 + Rl / Rg) / [GF * (1 + 2Vr)] (четвертьмостовой тип I или II)

Полумостовые уравнения

Полумост использует два активных датчика для измерения деформации и имеет следующие общие конфигурации:

Полумост типа I


(Одноосная деформация)


Решение для результирующей деформации конфигурации полумоста I типа слева дает следующее выражение (обратите внимание, что коэффициент Пуассона присутствует там, где учитывается поперечная деформация):

e = -4Vr * (1 + Rl / Rg) / [GF * (1+ g) - 2Vr * (g - 1)] (полумостовой тип I)

В полумостовой схеме типа I используются два активные датчики в поле одноосных напряжений с одним датчиком, выровненным в направлении приложенной деформации, а другим датчиком, выровненным в поперечном направлении и подверженным деформации Пуассона.Схема полумостового типа I аналогична схеме четвертьмостового типа II, за исключением того, что помимо температурной компенсации основного активного датчика (датчик, установленный в направлении приложенной силы), он также учитывает влияние поперечная деформация и коэффициент Пуассона включены. Эта конфигурация в основном используется для одноосной деформации при более высоких уровнях напряжения. То есть с более высоким уровнем напряжения возникают более высокие поперечные деформации. Таким образом, второй активный датчик устанавливается в поперечном направлении для измерения повышенного уровня деформации Пуассона, который возникает в результате деформации, индуцированной в первичном (осевом) направлении (другой активный датчик измеряет первичную деформацию).Наличие второго датчика также корректирует изменение сопротивления датчика из-за температуры, как и для схемы четвертьмостового типа II.

Полумост типа II
(Деформация при изгибе)


Решение для результирующей деформации конфигурации полумоста типа II слева дает выражение (обратите внимание на отсутствие коэффициента Пуассона):

е = -2Vr * (1 + Rl / Rg) / GF
(Полумост типа II)


В конфигурации полумоста типа II используются два активных датчика с равной и противоположной деформациями, что типично для применения с изгибающимися балками.В этих случаях второй активный тензодатчик устанавливается в положение, при котором он сжимается, в то время как другой тензодатчик испытывает растяжение (см. Пример сбалансированной балки, представленный ранее). В отличие от поперечной деформации сжатия полумостовой конфигурации типа I, второй датчик конфигурации типа II не измеряет поперечную деформацию. Однако, как и тип I, тип II предлагает температурную компенсацию.

Другая перестановка этой схемы будет иметь два активных датчика на противоположных сторонах моста, с одинаковыми деформациями, но одного и того же знака.Например, эти датчики могут быть установлены на противоположных сторонах колонны с низким температурным градиентом.

Уравнения полного моста

Выходной сигнал полумоста можно эффективно удвоить, заменив полный мост. В конфигурации с полным мостом используются четыре активных датчика для измерения деформации - два датчика измеряют сжатие, а два датчика измеряют натяжение. Если противоположные датчики натянуты одинаково, а соседние датчики - противоположно, выход полного моста в два раза больше, чем у полумоста (и в четыре раза больше, чем у четвертьмоста).Таким образом, конфигурация полного моста обеспечивает вдвое большую чувствительность, чем полумост, но более дорогая из-за наличия двух дополнительных датчиков. Как и полумост, полный мост сбалансирован, когда все датчики претерпевают одинаковое изменение сопротивления. Он также компенсирует изменения температуры. Схема Full-Bridge Type I имеет следующую конфигурацию:

Full-Bridge Type I
(Изгиб / кручение)


Решение для результирующей деформации конфигурации Full-Bridge типа I слева дает следующее выражение (обратите внимание на отсутствие деформации Пуассона):

e = - Vr / GF (полный мост, тип I) .

В конфигурации с полным мостом типа I используются четыре активных датчика с соседними парами датчиков, подверженными равным и противоположным деформациям. Эта конфигурация обычно применяется для изгиба балок или валов при кручении. Эти приложения устроены так, что одна пара датчиков на противоположных опорах монтируется для измерения деформации растяжения, а другая пара датчиков на противоположных опорах устанавливается в положение, которое вызывает ее сжатие для того же приложенного напряжения (см. Пример уравновешенной балки. этого типа крепления).В этой конфигурации датчики, измеряющие сжатие, не устанавливаются для измерения поперечной деформации.

Полный мост Тип II
(Деформация одноосного изгиба балки)



Решение для результирующей деформации конфигурации Full-Bridge типа II слева дает выражение:

e = -2Vr / [GF * ( г + 1)].
(полный мост, тип II)




В схеме с полным мостом типа II используются четыре активных датчика, подверженных одноосному напряжению, причем два датчика выровнены для измерения максимальной основной деформации, а два других выровнены для измерения поперечной деформации Пуассона, что является общей схемой для приложений с изгибающимися балками.Обратите внимание, что одна половина моста измеряет деформации растяжения и сжатия, а противоположная половина моста измеряет деформацию Пуассона при сжатии и растяжении.

Полный мост, тип III


(Деформация одноосной колонны)
Решение для результирующей деформации конфигурации полного моста типа III слева дает выражение:

e = -2Vr / [GF * ( g + 1) - Vr * ( g - 1)].
(полный мост тип III)

В схеме полного моста типа III используются четыре активных датчика, подверженных одноосному напряжению, причем два датчика выровнены для измерения основной деформации, а два других выровнены для измерения поперечной деформации Пуассона, что является общим для приложений с напряжением колонны.

Обратите внимание, что одна половина конфигурации Full-Bridge Type III используется для осевых деформаций, где используются четыре активных датчика с одной парой датчиков на противоположных ножках, установленной для измерения деформации растяжения, а другая пара датчиков на противоположных ножках установлена ​​в позиция для измерения деформации Пуассона сжатия для того же приложенного напряжения.

Измерительный коэффициент

Измерительный коэффициент тензодатчика - это характеристический коэффициент передачи, который связывает изменение сопротивления тензодатчика с фактической деформацией, вызвавшей его. В частности, калибровочный фактор - это отношение частичного изменения сопротивления к деформации ( GF = (êR / R) / (êL / L) = (êR / R) / e ). Коэффициент для металлических тензодатчиков обычно составляет около 2,0, но может варьироваться в зависимости от температуры, уровня деформации и монтажа датчика, и это изменение будет способствовать ошибке при измерении деформации.

Концепция прибора Калибровочный коэффициент предоставляется как дополнительное средство масштабирования системы измерения деформации прибора посредством процесса калибровки шунта. Другой способ масштабирования инструмента - это изменение его измерительного усиления (по умолчанию установлено значение 1). Необходимость изменения масштаба инструмента в значительной степени обусловлена ​​присущей ему недостаточной точностью параметров тензодатчика, а также вариациями в его применении. Например, номинальная выходная мощность (мВ / В) тензодатчика может отличаться на ± 10% от спецификации.Изменение масштаба инструмента путем изменения его коэффициента усиления или измерительного прибора позволяет нам учесть эти ошибки и более точно отразить деформацию.

Во время калибровки шунта измерение деформации изменяется путем изменения измерительного коэффициента прибора до тех пор, пока показание не будет соответствовать предварительно рассчитанной (смоделированной) деформации. Расчет смоделированной деформации определяется манометрическим коэффициентом самого тензодатчика и фиксированным коэффициентом усиления, равным 1. Показанная на инструменте деформация определяется измерительным коэффициентом прибора и измерительным усилением.Первоначально коэффициент измерительного прибора устанавливается эквивалентным показателю тензодатчика, но может отличаться после калибровки шунта. Таким образом, измерительный коэффициент прибора - это просто произвольный коэффициент передачи, который можно изменять «на лету», чтобы преобразовать входной сигнал в точную указанную деформацию в модуле. Любые изменения в измерительном коэффициенте должны также сопровождаться изменениями в измерительном коэффициенте.

ВАЖНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Измерительный коэффициент прибора Acromag Model 851T изначально установлен эквивалентным тензометрическому коэффициенту, который изначально установлен на 2.000 по умолчанию. Таким образом, указанное измерение деформации будет считаться эквивалентным измеренной деформации для коэффициента тензодатчика, равного 2. Однако, если коэффициент тензодатчика GF 2 и его значение изменится, коэффициент измерительного прибора также должен измениться, или указанная деформация будет в ошибке. Измерительный коэффициент прибора обычно устанавливается эквивалентным манометрическому коэффициенту, а затем настраивается с помощью шунтовой калибровки. Вы должны знать, что изменения манометрического фактора приводят только к расчету моделируемой деформации, а изменения измерительного манометрического фактора определяют указанную деформацию модуля.В качестве альтернативы, программное обеспечение для настройки IntelliPack включает программный коэффициент усиления, который можно использовать для прямого масштабирования указанной деформации до моделируемой деформации во время калибровки шунта. Программный коэффициент усиления изначально установлен на 1,0 по умолчанию, но может изменяться по мере необходимости для изменения масштаба измерений деформации после калибровки шунта.

Обратите внимание, что в отношении отображения напряжения для входов моста через этот модуль, представленные формулы используются внутри этого модуля, за исключением того, что измерительный коэффициент заменяется на измерительный коэффициент, а результат умножается на программный коэффициент усиления для масштабирования. (усиление по умолчанию - 1.000).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ДАТЧИКА

Модули Acromag 851T поддерживают два типа входов: входы тензометрического моста для расширенного измерения деформации или весоизмерительные ячейки для базовых измерений силы. Примеры входов для тензодатчиков включают датчики давления, преобразователи крутящего момента, акселерометры и датчики вибрации. Эти устройства могут работать при сжатии и / или растяжении и давать биполярные или униполярные милливольтные сигналы, пропорциональные приложенной силе. Сигналы весоизмерительных датчиков выражаются в процентах от единиц диапазона для этого модуля и не требуют от вас знания каких-либо дополнительных сведений о типе внутреннего моста, измерительном коэффициенте или коэффициенте Пуассона материалов, которые могут потребоваться для входов тензометрического моста.Для датчиков веса учитываются только номинальная мощность и номинальное возбуждение. С другой стороны, входы мостов будут использовать единицы микродеформации, а формулировка деформации более сложна и потребует знания этих параметров и их применения.

Мостовые входы

Программное обеспечение для конфигурирования IntelliPack поддерживает определение деформации для всех типов четвертичных, половинных и полных мостовидных протезов, описанных выше. Следующая информация включена, чтобы облегчить некоторую путаницу, возникающую при выборе правильной формулы деформации для приложений ввода мостовидных протезов.

Обратите внимание, что все входы модуля 851T подключены как полные мостовые схемы с включенными линиями удаленного считывания. Количество активных датчиков, их назначение, а также то, будет ли завершение моста уже выполнено или выполнено внутренне, будет определять применимую формулу деформации.

В любой конфигурации моста количество активных весоизмерительных ячеек в мосту определяет, является ли мост половинным, четверть или полным. Кроме того, конкретный тип моста определяется с учетом установки любых дополнительных датчиков веса в мост (т.е. их назначение), наличие «фиктивного» датчика, а также наличие или отсутствие резисторов завершения полумоста.

Таким образом, первый шаг для определения того, какой тип моста подходит для вашего приложения, - это узнать, сколько активных весоизмерительных ячеек присутствует. «Активная» ячейка устанавливается таким образом, что она будет измерять деформацию в том же направлении, что и приложенная сила (растягивающая или сжимающая). Один активный датчик нагрузки образует четверть-мост, два активных датчика нагрузки образуют полумост, а четыре активных датчика нагрузки образуют полный мост.

Если в вашем мосту один активный датчик и нет дополнительных манекенов или резистивных элементов, тогда вы выбираете формулу Quarter-Bridge Type I . Однако, если ваш датчик имеет , один активный датчик , плюс второй пассивный или «фиктивный» датчик, установленный поперек приложенного напряжения (для обеспечения температурной компенсации), тогда вы выбираете Quarter Bridge Type II . В любом случае, одна и та же формула для расчета деформации применима к обоим типам Quarter-Bridge, а различие типов просто служит для указания того, имеет ли датчик температурную компенсацию или нет, а также шаги, необходимые для завершения подключения к полному мостовому входу. модуля 851Т.

Например, для обоих типов потребуются резисторы завершения полумоста (внешние или внутренние), а для типа I потребуется, чтобы третий резистор был подключен в соседнем плече с активным датчиком и выбран в соответствии с сопротивлением активного датчика.

Если у вашего моста два активных датчика , причем второй активный датчик установлен перпендикулярно приложенной силе для измерения совпадающей поперечной (пуассоновской) деформации и для температурной компенсации первичного активного датчика (датчик, установленный для измерения деформации в том же месте). направление как приложенная сила), то вы должны выбрать формулу Half-Bridge Type I .Это обычно используется для измерения одноосных деформаций при более высоких уровнях напряжения, где влияние поперечной деформации больше и должно быть учтено. Обратите внимание, что схема полумостового типа I аналогична схеме четвертьмостового типа II, за исключением того, что установленный поперечно датчик также измеряет поперечную деформацию Пуассона, а также температурную компенсацию первичного активного датчика.

Если у вашего моста два активных датчика , причем оба датчика установлены таким образом, что они подвергаются равным и противоположным деформациям при одинаковой приложенной силе, тогда вы должны выбрать состав Half-Bridge Type II .Это обычно используется в приложениях с изгибающимися балками, когда один датчик устанавливается в положение, при котором он сжимается, в то время как другой датчик испытывает растяжение. Наличие второго активного датчика обеспечивает температурную компенсацию, но не измеряет поперечную деформацию. Кроме того, для этого типа потребуются полумостовые резисторы завершения, и они могут быть подключены снаружи или обеспечены внутри через модуль 851T.

Если у вашего моста четыре активных датчика , при этом соседние пары датчиков подвержены равным и противоположным деформациям для одного и того же приложенного напряжения, тогда вы должны выбрать формулу Full-Bridge Type I .Такое расположение по своей природе компенсировано температурой и не требует завершения мостовидного протеза.

Если у вашего моста четыре активных датчика , причем одна половина моста (смежная пара датчиков) установлена ​​для измерения деформации растяжения и сжатия, а противоположная половина установлена ​​для измерения совпадающих поперечных деформаций Пуассона, тогда вы должны выбрать Full -Мост Тип II состав. Этот тип обычно используется для измерения одноосного напряжения при изгибе балок.Такое расположение по своей природе компенсировано температурой и не требует завершения мостовидного протеза.

Если на вашем мосту четыре активных датчика , с одной диагональной парой датчиков, установленной для измерения основной деформации растяжения, и противоположной диагональной парой датчиков, установленной для измерения поперечной (сжимающей) деформации Пуассона, то вы должны выбрать тип Full-Bridge. Состав III . Этот тип обычно используется для измерения одноосного напряжения в колонне. Такое расположение по своей природе компенсировано температурой и не требует завершения мостовидного протеза.

В таблице на следующей странице представлена ​​каждая из обсуждаемых конфигураций мостов, а также их соответствующие формулировки деформации, области применения и проводка. Эти уравнения применимы для выходного напряжения моста с указанной полярностью. Если применимо, если резисторы завершения моста подключаются к IN + вместо IN-, вы эффективно меняете полярность выходного напряжения моста и можете удалить отрицательный знак перед каждым уравнением. Условные обозначения, проиллюстрированные в этом документе, предполагают, что положительная деформация является растягивающей, и будет соответствовать отрицательному выходному напряжению моста.

Входы для тензодатчиков

Более простой формой моста Уитстона является датчик веса. Тензодатчик - это устройство, в основном используемое в системах взвешивания, в котором используются внутренние тензодатчики. В отличие от тензодатчика, выходной сигнал тензодатчика выражается в эквивалентных единицах силы (не микродеформации). В результате для обработки сигнала датчика веса не требуется доскональное знание типа моста, измерительного коэффициента или коэффициента Пуассона. Скорее, важными аспектами весоизмерительного датчика являются его номинальная выходная мощность (мВ / В), его возбуждение и его номинальная емкость.
Обратите внимание, что даже несмотря на то, что сам датчик веса будет содержать перестановки четверть, половину или полные мосты, эта деталь не имеет значения и редко предоставляется производителем. Кроме того, большинство тензодатчиков имеют уже встроенную перемычку и температурную компенсацию.

Пример 1: Датчик нагрузки сжатия имеет шесть соединительных проводов (датчик ±, возбуждение ± и сигнал ±) и определяется следующим образом:

Номинальная грузоподъемность: 50000 фунтов / дюймов
Полномасштабный выход: 2.0 мВ / В
Номинальное возбуждение: 10 В постоянного тока, 15 В максимум
Безопасная перегрузка: 150% полной шкалы
Диапазон рабочих температур: от -65 ° F до 200 ° F


Из этих характеристик можно сделать следующие выводы:
  • Этот весоизмерительный датчик имеет температурную компенсацию (широкая окружающая среда).
  • Ячейка уже включает внутри себя полумостовые компенсационные резисторы (обратите внимание на схему проводки - наиболее распространенную для этого типа ячеек).
  • Выходной сигнал этого весоизмерительного датчика составляет +20 мВ при полной номинальной нагрузке 50000 фунтов на квадратный дюйм и напряжении возбуждения 10 В (2.0 мВ / В * 10 В).
  • Выход может быть повышен до + 30 мВ при нагрузке 75000 фунтов на квадратный дюйм и напряжении возбуждения 10 В (безопасный предел перегрузки).

Типы мостов, их формула деформации, применение и электромонтаж

Активные манометры

Мост

Тип (N)

e Состав штамма
(основное приложение)

ПРОВОДКА МОСТА
1 Четвертьмост типа I

N = 1

-4Vr * (1 + Rl / Rg) / [GF * (1 + 2Vr)]
Одноосное деформационное сжатие в условиях постоянной температуры
Одиночный датчик в паре с согласующим резистором и полумостовыми резисторами завершения.
1 Четвертьмост типа II

N = 1

-4Vr * (1 + Rl / Rg) / [GF * (1 + 2Vr)]
Деформация одноосного сжатия при изменении температуры окружающей среды, наиболее часто встречается в весовых датчиках
Одинарный манометр в паре с установленным поперечно "манекеном" манометром для температурной компенсации и полумостовыми резисторами завершения.
2 Полумост типа I

N = 1 + г
-4Vr * (1 + Rl / Rg) / [GF * (1+ g) - 2Vr * (г - 1)]
Одноосное деформирование при более высоких уровнях напряжения
Первичный датчик в паре с датчиком поперечного сечения для измерения деформации Пуассона и обеспечения температурной компенсации.Требуются полумостовые резисторы завершения.
2 Полумост Тип II

N = 2

-2Vr * (1 + Rl / Rg) / GF = -4Vr * (1 + Rl / Rg) / N * GF
Деформация при изгибе с двумя калибрами при одинаковых и противоположных деформациях
Один манометр измеряет сжатие и другие манометры измеряет натяжение при одинаковой приложенной силе. Требуются полумостовые резисторы завершения.
4 Полный мост Тип I

N = 4

-Vr / GF = -4Vr / (N * GF)
Деформация изгиба балки или валы при кручении с помощью калибровочных пар, измеряющих одинаковую и противоположную деформации
Одна пара противоположных ног измеряет сжатие, тогда как другая пара противоположных ног измеряет сжатие.
4 Полный мост типа II

N = 2 (1+ г)
-2Vr / [GF * (g + 1)] = -4Vr / (N * GF)
Одноосная деформация колонны с одной парой датчиков для измерения основных деформаций растяжения и сжатия и противоположной парой датчиков для измерения соответствующих поперечных деформаций Пуассона
Одна половина моста измеряет основную деформацию растяжения и сжатия, другая половина измеряет совпадающие деформации сжатия и растяжения Пуассона.
4 Полномостовой тип III

N = 2 (1+ г)
-2Vr / [GF * (г + 1) - Vr * (г - 1)]
Одноосная деформация колонны с одной парой датчиков для измерения основной деформации при растяжении и противоположной парой датчиков для измерения поперечной деформации Пуассона при сжатии
Одна противоположная калибровочная пара (диагональная) измеряет основную деформацию растяжения, а другая противоположная калибровочная пара измеряет поперечную деформацию Пуассона при сжатии.
Об авторе

Следующая статья предоставлена ​​Acromag, Inc, написана Брюсом Сайбуртом, инженером Acromag. В статье вводится понятие измерения деформации и деформации. Хотя в статье делается ссылка на модуль тензодатчика Acromag Series 851T. Acromag производит полную линейку модулей ввода-вывода, которые поддерживают широкий спектр типов ввода-вывода. Не стесняйтесь посещать их веб-сайт по адресу www.acromag.com, чтобы получить самую свежую информацию об этих и других продуктах Acromag.

Для получения дополнительной информации нажмите здесь

Вам понравилась эта замечательная статья?

Ознакомьтесь с нашими бесплатными электронными информационными бюллетенями, чтобы прочитать больше замечательных статей ..

Подписаться

Разъем для подключения

Разъем питания

Разъем питания (черный), вид со стороны проводов:

Штифт

Соединение

Цвет

Банкноты

+ 12В

Мощность

Красный

Коммутируемое питание +12 В.

DOut

Активационный выход

Желтый

При срабатывании опускается на землю

Aвых.

Аналоговый выход

Белый

Номинально 2,5 В. Напряжение уменьшается с поступательной силой; увеличивается с обратной силой.

Земля

Земля

Черный

Подключите к основной массе ЭБУ.Не заземляйте на шасси или корпус ECU.

Главное заземление ЭБУ - это точка заземления основного жгута проводов. На автомобиле Honda B-Series это находится на крышке термостата. На Honda S2000 он находится в задней части головки блока цилиндров. На автомобилях с двигателем Acura K-Series он находится на впускном коллекторе или клапанной крышке.

Тензодатчик

Тензодатчик (серый), вид со стороны провода:

Штифт

Соединение

Цвет

Банкноты

E +

Напряжение возбуждения

Красный

Обратный деформирующий элемент

S +

Сигнал

Желтый

Обратный деформирующий элемент

E-

Напряжение возбуждения отрицательное

Белый

Передний деформирующий элемент

S +

Сигнал

Черный

Передний деформирующий элемент

Деформационный элемент Электропроводка

Тензоусилитель предназначен для работы с полумостовым тензометрическим элементом.Каждый тензодатчик расположен напротив другого на рычаге переключения передач.

Полярность подключения к отдельным тензодатчикам не имеет значения.

Начало работы с тензодатчиками

Введение

Вы когда-нибудь хотели узнать вес чего-либо? Как насчет того, чтобы знать изменение веса с течением времени? Вы хотите, чтобы ваш проект ощущал присутствие чего-либо, измеряя деформацию или нагрузку на какой-либо поверхности? Если да, то вы попали в нужное место.Это руководство поможет вам начать работу с тензодатчиками и их вариантами.

Один из многих видов тензодатчиков.

Предлагаемые показания:

Прежде чем приступить к тензодатчикам и их удивительным возможностям, мы предлагаем вам ознакомиться с некоторыми базовыми концепциями, если вы еще этого не сделали:

Делители напряжения

Превратите большое напряжение в меньшее с помощью делителей напряжения.В этом руководстве рассказывается, как выглядит схема делителя напряжения и как она используется в реальном мире.

Резисторы

Учебник по резисторам. Что такое резистор, как они ведут себя параллельно / последовательно, расшифровка цветовых кодов резисторов и применения резисторов.

Как читать схему

Обзор обозначений схем компонентов, а также советы и рекомендации для лучшего чтения схем.Щелкните здесь и станьте схематически грамотным уже сегодня!

Основные сведения о тензодатчиках

Типы тензодатчиков

Тензодатчик - это физический элемент (или датчик, если вы хотите быть техническим), который может преобразовывать давление (силу) в электрический сигнал.

Так что это значит? Есть три основных способа, которыми датчик веса может преобразовать приложенную силу в измеряемые показания.

Гидравлические тензодатчики

В гидравлических весоизмерительных датчиках используется обычная конструкция поршня и цилиндра для передачи изменения давления за счет движения поршня, а также диафрагма, которая вызывает изменение давления на трубку Бурдона, соединенную с весоизмерительными датчиками.

Схема гидравлического тензодатчика от ракетной установки Nikka
Пневматические тензодатчики

Пневматические весоизмерительные ячейки используют давление воздуха, прикладываемое к одному концу диафрагмы, и оно выходит через сопло, расположенное в нижней части весоизмерительной ячейки, внутри которой находится манометр.

Схема пневматического датчика веса от Instrumentation Today
Тензодатчики

И, наконец (хотя есть много других менее распространенных установок тензодатчика), есть тензодатчик, который представляет собой механический элемент, сила которого измеряется деформацией одного (или нескольких) тензодатчиков (тензодатчиков). ) на элементе.

Схема тензодатчика от Scalenet.com

В весоизмерительных ячейках с тензометрическим датчиком ячейка расположена в форме «Z», так что к стержню прилагается крутящий момент, и четыре тензодатчика на ячейке будут измерять деформацию изгиба, два - сжатие и два - растяжение. Когда эти четыре тензодатчика установлены в образовании моста Уитстона, легко точно измерить небольшие изменения сопротивления с помощью тензодатчиков.

Более подробная диаграмма тензодатчиков на стержневых тензодатчиках при приложении силы

В этом уроке мы сосредоточимся на тензодатчиках, таких как те, что есть в SparkFun:

Большинство тензодатчиков работают очень похоже, но могут различаться по размеру, материалу и механической настройке, что может привести к тому, что каждая ячейка будет иметь разные максимальные нагрузки и чувствительность, с которыми они могут справиться.Для нескольких возможных механических настроек весоизмерительной ячейки ознакомьтесь с руководством по подключению с настройкой весоизмерительной ячейки.

Основы тензометрического датчика

Тензодатчик - это устройство, которое измеряет изменения электрического сопротивления в ответ на деформацию (или давление, или силу, или как вы ее называете), приложенную к устройству, и пропорциональную им. Самый распространенный тензодатчик состоит из очень тонкой проволоки или фольги, расположенной в виде сетки таким образом, что наблюдается линейное изменение электрического сопротивления, когда деформация применяется в одном конкретном направлении, что чаще всего встречается с основанием. сопротивление 120 Ом, 350 Ом и 1000 Ом.

Калибровочный коэффициент

Каждый тензодатчик имеет разную чувствительность к деформации, которая количественно выражается как коэффициент датчика (GF) . Калибровочный коэффициент определяется как отношение частичного изменения электрического сопротивления к частичному изменению длины (деформации). (Коэффициент для металлических тензодатчиков обычно составляет около 2.)

Небольшие изменения в штамме

Мы устанавливаем тензодатчик и измеряем это изменение сопротивления, и все в порядке, верно? Не так быстро.При измерении деформации редко используются величины, превышающие несколько миллистрендов (причудливые единицы для деформации, но все же очень маленькие).

Итак, давайте рассмотрим пример: предположим, вы установили деформацию 500µε. Тензодатчик с коэффициентом измерения 2 будет иметь изменение электрического сопротивления только на:

Для датчика 120 Ом это изменение составляет всего 0,12 Ом. 0,12 Ом - это очень небольшое изменение, и для большинства устройств оно не может быть обнаружено, не говоря уже о точном обнаружении. Поэтому нам понадобится другое устройство, которое может точно измерять сверхмалые изменения сопротивления (спойлер: они очень дороги) или устройство, которое может принять это очень небольшое изменение сопротивления и превратить его в то, что мы можем точно измерить.

Усилители и мост Уитстона

Здесь пригодится такой усилитель, как HX711 или NAU7802.

Хороший способ взять небольшие изменения сопротивления и превратить их в нечто более измеримое - это использовать мост Уитстона. Мост Уитстона представляет собой конфигурацию из четырех резисторов с известным напряжением, приложенным следующим образом:

, где Vin - известное постоянное напряжение, и измеряется результирующий Vout. Если , тогда Vout равен 0, но при изменении значения одного из резисторов Vout будет иметь результирующее изменение, которое можно измерить и которое регулируется следующим уравнением с использованием закона Ома:

Заменив один из резисторов в мосту Уитстона тензодатчиком, мы можем легко измерить изменение Vout и использовать его для оценки приложенной силы.

Пример моста Уитстона со стержневым датчиком веса From All About Circuits

Основы комбинатора

Но что произойдет, если у вас нет тензодатчика с четырьмя тензодатчиками? Или вы хотите измерить что-то действительно тяжелое в каком-нибудь масштабе? Вы можете объединить четыре тензодатчика (иногда называемых датчиками нагрузки), используя коммутационную плату комбинатора датчиков нагрузки!

Весы для ванной с использованием комбинатора датчиков нагрузки для объединения двенадцати проводов в один мост Уитстона

Используя тот же принцип моста Уитстона, вы можете использовать комбинатор для объединения одинарных тензодатчиков в конфигурацию моста Уитстона, где сила, приложенная ко всем четырем одиночным тензодатчикам, добавляется, чтобы дать вам более высокую максимальную нагрузку и лучше точность, чем просто один.Комбинатор можно подключить к тому же усилителю для облегчения измерения.

Весоизмерительные ячейки, подключенные к комбинатору и усилителю HX711

Это тот же макет, который вы найдете, скажем, в домашних весах. К комбинатору и усилителю будут подключены четыре датчика веса с одним тензодатчиком, чтобы вы могли получать показания вашего веса. Для получения дополнительной информации о настройке четырех одиночных тензодатчиков с комбинатором, ознакомьтесь с аппаратным подключением комбинатора для HX711.Эту настройку также можно использовать с NAU7802.

ресурсов и дальнейшее развитие

Для получения дополнительной информации о тензодатчиках посетите ресурсы ниже:

Для получения дополнительной информации о настройке тензодатчиков и о том, как интегрировать их в ваш следующий проект, ознакомьтесь с нашим руководством по подключению HX711:

Вам также может быть интересно узнать об OpenScale или подключении тензодатчика к облаку с помощью следующих руководств!

Приложения OpenScale и руководство по подключению

OpenScale позволяет вам иметь постоянный масштаб для промышленных и биологических приложений.Узнайте, как использовать доску OpenScale для чтения и настройки тензодатчиков.

Промышленные масштабы Интернета вещей

Сколько весит слоненок? Какая сила удара у прыжка? Ответьте на эти и другие вопросы, создав свой собственный промышленный масштаб Интернета вещей с помощью SparkFun OpenScale.

Весы для регистрации веса для Интернета вещей

Из этого туториала Вы узнаете, как создать весы, которые будут регистрировать ваш вес на настраиваемом веб-сайте в Интернете.Принципы можно экстраполировать на любой тип данных.

Для вдохновения посетите SparkFun IoT Beehive:

И будьте в курсе OpenScale, подписавшись на него на GitHub:

Нужно еще больше? Ознакомьтесь с этой замечательной статьей о мостах Уитстона и типах тензодатчиков. Не можете насытиться принципами работы тензодатчиков? Прочтите эту статью для получения более подробной информации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *