Тензометрические датчики: Тензометрические датчики силы | Kistler — Мир Антенн

Содержание

Тензометрические датчики силы | Kistler

Как работают тензометрические датчики силы?

Ниже описана работа датчика силы, основанного на тензометрическом принципе.

В датчике силы, работающем на тензометрическом принципе, для измерения приложенных статических и квазистатических сжимающих и растягивающих сил используются так называемые тензодатчики. С другой стороны, для измерения динамических сил, лучше подходит пьезоэлектрическая техника.

Электрическое сопротивление тензодатчика изменяется даже при самой малой деформации в продольном направлении. Используя измерительный контур с мостом Уитстона, это изменение можно измерять с очень высокой точностью и долговременной стабильностью измерений. В состав тензометрических датчиков силы входит металлический или пружинный измерительный элемент, на который наклеены четыре тензодатчика. Два из них, расположенные параллельно вектору действующей силы, используются для измерения изменения длины, а два другие, ориентированные в сторону от направления действия силы, используются для выявления утолщения или сужения измерительного элемента, происходящих под воздействием приложенной силы. Под действием приложенной силы два тензодатчика растягиваются, а два другие, прикрепленные под углом 90° — сжимаются. Выходные электрические сигналы измеряются путем усиления изменений, пропорциональных приложенной силе, и затем преобразуются в точное измеренное значение силы.

Использование датчиков силы, работающих на тензометрическом принципе, обеспечивает получение исключительно точных данных измерений и регистрацию даже самых малых сил без дрейфа нуля. Поэтому они особенно хорошо подходят для измерения статических и квазистатических сил при условии компенсации нежелательных воздействий окружающей среды, в частности, флуктуации температуры. Тензодатчик можно устанавливать несколькими способами в зависимости от требований варианта применения и диапазона силы.
Чем больше номинальное значение силы, тем большими должны быть размеры датчика силы. Это вытекает из соображений механики: для измерения малых сил используются менее жесткие пружинные элементы, имеющие меньший размер, чем те, которые используются для измерения бóльших сил.

Где применяются тензометрические датчики силы?

Тензометрические датчики силы используются во многих различных вариантах применения, в которых необходима долговечность и термостабильность. Как правило, датчики силы с тензометрическим принципом работы (измерительный контур с мостом Уитстона) можно использовать в широком диапазоне параметров окружающей среды; обычно при этом обеспечивается высокая точность и воспроизводимость характеристик.

К типичным областям применения датчиков этого типа относятся, в частности:

Тензометрические датчики — MirMarine

Тензометрический датчик (тензодатчик) – датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический).

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента. Применяются следующие виды датчиков: из фольги; пленочные и из проволоки.

Датчик из фольги применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах. Фольговые тензорезисторы обладают несомненными преимуществами по сравнению с проволочными и фактически вытеснили последние из обращения. Наличие широких перемычек делает фольговые тензорезисторы практически нечувствительными к поперечной деформации детали.

Преимущества:

более чувствительны, чем проволочные;
могут пропускать больший ток;
лучше передают деформацию;
нечувствительными к поперечной деформации;
имеют более прочные выводы.

Недостатки:

датчики легко повреждается.

Пленочные датчики изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Помимо полупроводниковых материалов применяются и искусственные составы («тензолиты»):

1. Графит + тонкий кварцевый песок и смола.
2. Графит + мел + шеллак (или канифоль).

3. Уголь (или сажа) + бакелитовый лак.

Датчики изготавливаются обычно или в виде полосок (длиной l = 40–60 мм, шириной b = 4–6 мм, толщиной h = 1–30 мм), или в виде нитей (d = 1–2 мм), или в виде слоя на изолирующей подкладке. Датчики из тензолитов обладают большей чувствительностью (до S = 300), но часто имеют нестабильные характеристики, малую механическую прочность и большой гистерезис.

Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Преимущества:

чувствительность приблизительно в 100 раз выше проволочных;
возможность использование датчиков без усилителей

Недостатки:

хрупкость;
большая зависимость от окружающей температуры;
значительный разброс параметров.

Проволочный тензодатчик может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки.

Проволочный датчик–тензометр представляет собой ряд петель (от 2 до 40) длиной 5–25 мм, реже до 100 мм, шириной 0,8–10 мм, из проволоки с d=0,002 – 0,05 мм, который наклеивается на бумажную подкладку, а сверху заклеивается защитной бумажной полоской. Проволочный датчик–тензометр наклеивается на тщательно защищенную часть конструкции при помощи клея (целлюлозного, бакелитового, карбинольного, резинового, воскового) или какого–либо цементирующего состава. Проволочные датчики обладают малой инерционностью и не имеют гистерезиса. Включение датчиков обычно производится по схеме моста или потенциометра.

Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения.

Для этого его делают в виде спирали (решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги. Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.

Достоинства:

простота конструкции;
линейная зависимость от деформации;
небольшие размеры;
малая цена.

Недостатки:

низкая чувствительность;
влияние температуры среды;
потребность в защите от влаги;
применение только в области упругих деформаций.

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:

Тактильные.
Резистивные.
Пьезорезонансные.
Пьезоэлектрические.
Магнитные.
Емкостные.

Тактильные тензодатчики

Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из–за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Пример тактильного датчика представлен на рисунке 2.50. Конструктивно состоит из двух пластин 1 и 2, между которыми находится прокладка 3 с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Датчик представлен на рисунке 2.51 и состоит из подложки 1, на которой крепится чувствительный элемент 2 в виде фольги, плёнки или проволоки. Через контакты 3 резистивный тензодатчик подключается в плечо мостовой схемы. Вся конструкция покрывается защитной пленкой. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке 2.52 изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал, при этом возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик, представленный на рисунке 2.53, состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала. Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. Магнитные тензодатчик состоит из катушки индуктивности, расположенной на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности. Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Температурные погрешности при этом доходят до 1 % на 1 ºС. Поэтому часто для компенсации температурных влияний два одинаковых датчика, находящихся в одинаковых температурных условиях, включают в смежные плечи мостовой схемы. Питание мостовых схем с подобными датчиками осуществляют от источника переменного тока повышенной частоты (f = 5 000 –50 000 Гц).

Величина относительного изменения магнитной проницаемости является функцией следующих параметров:

а значение чувствительности датчика по отношению к механическим напряжениям р

где Н – величина напряженности намагничивающего поля; – изменение температуры датчика.

Максимальная чувствительность датчика будет иметь место при которая соответствует

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от величины механических напряжений

В качестве материала для датчика можно рекомендовать также сплав 65% Nі и 35% Fе. Часто датчики-тензометры предварительно тренируют путем многократных деформаций.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Для ряда материалов существует зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений Эта зависимость может быть использована для построения емкостных датчиков, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления определяется как

Чувствительность датчика будет равна:

Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. Составляя столб из ряда (n) датчиков так, чтобы на них воздействовала одна и та же сила Р_х, соединяя обкладки параллельно, можно получить достаточно большое значение емкости датчика и увеличить значение проводимости датчика

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики — Авдеев Б. А. [2018]

Тензометрические измерительные преобразователи и индикаторы

Измерительный усилитель MV128

Измерительный усилитель MV128 со встроенным стрелочным индикатором и простым обслуживанием особенно подходит для построения независимой измерительной цепи, так как для работы усилителя с сенсором не нужны никакие внешние компоненты. Все составные элементы многокаскадного усилителя, включая регулятор напряжения для питания тензодатчиков, расположены на одной печатной плате. Начальная нагрузка (например, вес вальцов) компенсируется при помощи двух потенциометров нулевого значения. Требуемый коэффициент усиления устанавливается двумя дополнительными (грубой и точной подстройки) потенциометрами. В стандартном варианте (опция U) усилитель имеет два выхода по напряжению. В опциях C и N на любой из этих выходов может быть подключен токовый выход. Подключение питания выполнено с защитой от переполюсовки. Выходы гальванически развязаны от цепи питания.

Компактная форма, идеально для дооснащения или целей тестирования
1 измерительный канал с возможностью параллельного подключения 2 тензодатчиков
2 выхода по напряжению и 1 выход по току
Встроенное питание тензодатчиков и индикация значения силы (в % от номинального усилия)
Напряжение питания 24 В постоянного тока
Гальваническая развязка цепи питания от выходов

Технические характеристики

Питание тензодатчика
Напряжение постоянного тока [В]		10
Макс. потребляемый ток [мА]		60, 160
Напряжение компенсации дрейфа нуля [мВ]		-25…0…+25
Общее усиление
Диапазон регулирования [В/В]		400…3200
Стандартная заводская настройка [В/В]		667
Выходные сигналы по напряжению
Напряжение V₂, V₃ [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки для V₂[кОм]		5
Мин. сопротивление нагрузки для V₃ [кОм]
Время нарастания сигнала (10…90%) [мс]		V₂(прямое) — 5 мс; V₃ (отфильтрованное) — 2 с
Выходной сигнал по току
Ток [мА]		4…20 мА, 0…20 мА
Макс. сопротивление нагрузки [Ом]		700
Питание усилителя
Напряжение питания постоянного тока [В]		24 ± 10%
Потребляемый ток [мА]		90
Класс защиты		IP50
Температура окружающей среды [°C]		0…+60
Сечение жил кабеля для подключения		AWG 26-16

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Предварительный усилитель PAM2

Достаточно часто, в промышленных сооружениях расстояния между датчиком силы и шкафом управления бывают настолько велики, что превышают допустимую длину кабеля. Для таких случаев применения особенно подходит предварительный усилитель PAM, стократно повышающий незначительный уровень сигнала тензодатчика и, благодаря своему низкому выходному сопротивлению, значительно снижающий его помехочувствительность.

Комбинируется с измерительными усилителями AME, DCM, DCX и DMA
Стократное усиление сигналов тензодатчиков
1 или 2 канала
Встроенное питание тензодатчиков напряжением 5 или 10 В

Технические характеристики

Питание тензодатчика
Напряжение постоянного тока [В]		5, 10
Макс. потребляемый ток [мА]		160
Дифференциальные входы
Номинальное напряжение [мВ]		± 20; макс. ± 40
Коэффициент усиления		100
Выходные сигналы по напряжению
Применяется в комбинации с измерительными усилителями AME, DCM, DCX и DMA
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		10
Питание усилителя
Напряжение питания постоянного тока [В]		24 ± 10%
Потребляемый ток [мА]		50
Класс защиты		IP65
Температура окружающей среды [°C]		0…+60
Сечение жил кабеля для подключения		AWG 26-16

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Кабельный усилитель CA

Тензометрические силоизмерительные датчики с «усилителем в кабеле» без дополнительных внешних устройств формируют стандартизированные сигналы для дальнейшего использования в управлении производственными машинами и установками. Усилитель (особенно с токовым выходом), расположенный в непосредственной близости от датчика, обеспечивает помехозащитное усиление и передачу сигнала. В принципе, любой датчик из программы HAEHNE может поставляться в комплекте с кабельным усилителем, который выпускается в двух исполнениях: CA-AU с выходом ± 10 В и CA-AC с выходом 4…20 мА. Усилитель оснащен крепежным хомутом, а также закрепленными с двух сторон отрезками кабеля длиной 1 м для подключения к датчику и 4 м для подключения к потребителю усиленного сигнала.

Незначительный занимаемый объем
Очень хорошие показатели электромагнитной совместимости
Минимальные затраты на подключение
Корпус из нержавеющей стали

Технические характеристики

	CA-AU	CA-AC
Питание тензодатчика
Напряжение постоянного тока [В]	4,9…5,1 (норм. 5)
Мин. номинальное сопротивление мостовой схемы [Ом]	350
Макс. номинальное сопротивление мостовой схемы [Ом]	5000
Номинальное значение выходного сигнала датчика [мВ/В]	0,5…150
Выход сигнала
Напряжение [В]	± 10	—
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]	5	—
Ток [мА]	—	4…20
Макс. сопротивление нагрузки [кОм]	—	1
Ширина полосы пропускания [кГц]	до 1
Питание усилителя
Напряжение [В]	14…27 (норм. 24)
Потребляемый ток [мА]	8 + ток потребления датчика
Нелинейность [%]	< 0,02
Температурный дрейф
Нулевая точка	Макс. 25 (норм. 9)
Усиление [ppm/°C]	Макс. 64 (норм. 25)
Температурный диапазон [°C]	-40…+85
Класс защиты	IP67

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Щитовые измерительные преобразователи

Измерительный усилитель AME2

Измерительный усилитель AME2 предназначен для преобразования слабых сигналов тензодатчиков в нормированные сигналы тока или напряжения. Компактное исполнение усилителя AME2 позволяет его использование в тесном пространстве, в т.ч. в коммутационных шкафах. Для установки точки нуля и коэффициента усиления AME оснащен двумя (для грубой и точной подстройки) потенциометрами с 22 оборотами каждый. Наряду с выходом по напряжению с быстрым временем реакции имеется также «приглушенный» выход, который может использоваться, например, для подключения индикации. Характеристика фильтра (время нарастания сигнала) между 50 мс и 2 сек. может регулироваться потенциометром. Опции C и N предусматривают наличие токового выхода, характеристика фильтра которого соответствует «быстрому» выходу по напряжению. В вариантах опций CD и ND выход работает через фильтр с регулируемой скоростью (50 мс — 2 сек) нарастания сигнала. Подключение вспомогательной энергии имеет защиту от переполярности. Выходы усилителя гальванически развязаны от проводов питания. Конструкция зажимов делает возможным простое подсоединение проводов и упрощенный поиск неисправностей.

Выход с бесступенчатой регулировкой характеристики нарастания сигнала
Гальваническая развязка
Штекерная клеммная колодка
Удобство установки параметров усилителя с лицевой панели прибора

Технические характеристики

Питание тензодатчиков
Напряжение постоянного тока [В]		10
Макс. потребляемый ток [мА]		60, 160
Напряжение компенсации дрейфа нуля [мВ]		-25…0…+25
Общее усиление
Диапазон регулирования [В/В]		400…3200
Стандартная заводская настройка [В/В]		667
Выходные сигналы по напряжению
Напряжение V₂, V₃ [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		5
Время нарастания сигнала (10…90%) [мс]		V₂(прямое) — 2 мс; V₃ (отфильтрованное) -50 мс…2 с
Выходной сигнал по току
Ток [мА]		4…20 мА, 0…20 мА
Макс. сопротивление нагрузки [Ом]		600
Питание усилителя
Напряжение питания постоянного тока [В]		24 ± 15%
Потребляемый ток [мА]		75
Нелинейность [%]		≤ 1
Температурный дрейф [ppm/°C]		25
Температурный диапазон [°C]		0…60
Класс защиты		IP20
Сечение жил кабеля для подключения		AWG 26-16

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Измерительный усилитель DMA3

Устройство DMA2 было снято с производства, но его можно полностью заменить улучшенной версией DMA3. Устройства одинаковой конструкции. По сравнению с усилителем DMA2, новый DMA3 обладает большим диапазоном для общего усиления и более быстрым временем нарастания сигнала

Цифровой усилитель DMA3 предназначен для работы с датчиками усилий и, в первую очередь, с датчиками натяжения ленты, использующими для измерения полную тензометрическую мостовую схему. Усилитель рассчитан на размещение в шкафу управления или на DIN-рейке, либо непосредственно на монтажной панели и сочетает в себе преимущества как аналоговой, так и цифровой техники: быстродействующее и плавное, без скачков, преобразование сопровождается микроконтроллерным управлением автоматической корректировкой нуля и вычислением калибровочных значений. Усилитель позволяет производителям различного рода оборудования значительно упростить его внедрение и обслуживание за счет возможности предварительного ввода установок, использования блоков подключения с зажимными клеммами, а также индикации текущих измеренных усилий как в абсолютном выражении, так и в процентах от номинального значения.

Индикация текущих значений и параметров установки
Простое обслуживание при помощи кнопочной панели управления
Калибровка сигнала и установка нуля в соответствующих опциях меню
Два выходных сигнала по напряжению(фильтрованный и нефильтрованный) и один по току
Индикация текущих измеренных усилий как в абсолютном выражении, так и в процентах от номинального значения
Хранение пиковых значений
Гальваническая развязка выходных сигналов от источника питания

Комплект поставки

В комплект поставки входит электронный блок в стандартном корпусе с опционально формируемым набором выходных сигналов и напряжения питания. В случае применения усилителя во взрывоопасной зоне дополнительно поставляются специальные кожухи — так называемые барьеры безопасности.

Технические характеристики

Питание мостовой измерительной схемы
Стандартное напряжение V₄ [В]	10
Опциональное (J) напряжение [В]	5
Стандартный ток [мА]	60
Опциональный (F) ток [мА]	160
Напряжение компенсации дрейфа нуля
Относительно напряжения питания [мВ]	— 25 … 0 … + 25
Полное усиление
Диапазон [В/В]	250 … 4000
Заводская установка
при 1,5 мВ [В/В]	667
при 1 мВ [В/В]	1000
при 0,75 мВ [В/В]	1333
Выходные сигналы
Прямой выход по напряжению V₂ [В]	-10 … 0 … + 10
Фильтрованный выход по напряжению V3 [В]	-10 … 0 … + 10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]	5
Время нарастания сигнала от 10 до 90%
V₂ прямое	1 мс
V₃ фильтрованное	2 с
Ток I₁ [мА]:
Опция C	4 … 20
Опция N	0 … 20
Макс. сопротивление нагрузки [Ом]	600
Параметры питания усилителя*
Напряжение постоянного тока V₅ [В]	24 V DC, 9-36 V
Потребление тока[мА]	90
Класс защиты	IP20
Температура окружающей среды [°C]	0 … 60
Сечение подключаемых проводов	AWG 22-12(4 мм²)
* — Цепь питания напряжением V₅ должна быть заземлена. Максимальный ток в цепи не должен превышать 10 А.

Конструкция

— Габариты [мм]: 75x55x110
— Панель управления: Четыре кнопки: МЕНЮ; ВВЕРХ; ВНИЗ; УСТАНОВКА
— Внешнее подключение**: Четыре съемных блока с пятью зажимными клеммами на каждом
— Корпус cо встроенным жидкокристаллическим дисплеем для размещения на несущих шинах по нормам DIN
** — Съемные штепсельные блоки позволяют заранее подготовить соединительные жгуты.

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Модульный цифровой усилитель DCX

Многофункциональный цифровой усилитель DCX принадлежит к новому поколению измерительных усилителей фирмы Haehne и соответствует наивысшим требованиям. Благодаря модульному исполнению, усилитель может быть гибко сконфигурирован под специфичные, обусловленные условиями применения требования потребителя путем комбинирования наборов отдельных модулей с различного рода дополнительными элементами. Такая агрегатная конструкция обеспечивает получение потребителем только необходимых ему компонентов, гарантируя, тем самым, оптимальное соотношение между стоимостью и предоставляемыми возможностями. Простая конфигурационная схема облегчает выбор опций для формирования специфицированного заказа. Усилитель оснащен дисплеем с сенсорной панелью, предоставляющей возможность комфортабельного контроля и обслуживания. Альтернативным вариантом параметризации является взаимодействие с усилителем по интерфейсу USB. Эти широкие возможности позволяют применять усилитель DCX практически для всех, даже наиболее сложных, приложений техники измерения усилий.

индивидуально конфигурируемый усилительный/регулирующий блок
свободно формируемый набор измерительных каналов, выходных сигналов и интерфейсов сопряжения
аналого-цифровое преобразование с разрешением 24 бит
цикл опроса 0,52 мс
цифро-аналоговое преобразование с разрешением 16 бит
удобное обслуживание при помощи сенсорной дисплейной клавиатуры
возможность конфигурации выполняемых функций по интерфейсу USB

Дополнительно конфигурируемые функции

выбор количества каналов из ряда 0 … 8
усиление с внешней корректировкой нуля в контурах контроля предельных усилий, контроля усилий прижима, коррекции угла натяжения ленты, обработки сигналов двухкоординатных датчиков
регулирование в соответствии с различными законами регулирования
суммирование сигналов различного уровня

Комплект поставки

В комплект поставки входит электронный блок в соответствии с индивидуальной спецификацией по таблице формирования заказа и клеммный блок.

Цифровой индикатор PM

Универсальный цифровой индикатор PM для измерения напряжения в пределах ± 10 В. Установка номинальной величины (например, значения силы) производится с помощью предусмотренного на платине регулятора. При входящем сигнале 10 В значение может быть разбито в области от 0 до 1999. Выбор точности (количество нулей после запятой) осуществляется с помощью перемычек позади переднего стекла-фильтра. Подходит для встраивания в переднюю панель управления. Возможность работы устройства в широком диапазоне напряжения питания обеспечивает прибору высокую универсальность.

Жидкокристаллическая индикация
Автоматическая установка нуля
Гальваническое разделение между напряжением питания и входящим измеряемым сигналом
Свободно выставляемые показания с помощью регулятора
Устанавливаемая запятая
Высокая степень защиты — IP65

Технические характеристики

Аналоговый вход
Номинальное входное напряжение постоянного тока [В]		± 10
Диапазоны измерения входного напряжения		-199,9…0…199,9 мВ;
		-1,999…0…1,999 В;
		-19,99…0…19,99 В;
		-199,9…0…199,9 В;
Максимальное входное напряжение постоянного тока при диапазоне 199,9 мВ [В]		75
Максимальное входное напряжение постоянного тока при остальных диапазонах [В]		300
Входное сопротивление [МОм]		1
Точность
Разрешение		3 1/2 разряда; число ± 1999
Погрешность измерения		± 0,1 %; ± 1 знак
Индикация
Высота знака ЖКИ индикатора [мм]		15
Десятичная запятая		3 позиции
Питание постоянным током
Напряжение [В]		9…28
Макс. потребляемый ток [мА]		4
Температура окружающей среды
При напряжении питания 9…26 В		0…+60
При напряжении питания 26…28 В		0…+50
Класс защиты		IP65
Электромагнитная совместимость
Излучение помех		EN 500081-2
Помехоустойчивость		EN 500082-2
Вес [г]		100

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Юстировочное устройство J-Box

Юстировочное устройство J-Box предназначено для подключения сенсоров не имеющих собственных установочных сопротивлений и рассчитано для работы в комплекте с измерительными усилителями. Устройство служит для юстировки датчиков как в повышенном температурном диапазоне, так и во взрывоопасных областях. J-Box содержит необходимые сопротивления для регулировки точки нуля и чувствительности. Устройство рассчитано для установки в распределительные шкафы и крепится непосредственно на несущую шину DIN.

Для работы с датчиками силы из программы HAEHNE, не имеющими подстроечных сопротивлений, например, для работы в условиях взрывоопасных сред
Встраивается в распредшкафы для коммутации сигналов искробезопасных электрических цепей

Технические характреристики

V₁		Выходной сигнал по напряжению от тензометрических полномостовых измерительных схем датчиков
V₄		Питание тензометрических полномостовых измерительных схем датчиков
Стандартный класс защиты		IP20
Температура окружающей среды [°C]		0…+60
Взрывозащита по ATEX		Группа II (2) G

Обзорный проспект на русском языке >>

Tензометрические многофункциональные преобразователи

Цифровой контроллер DCM

Модуль DCM представляет собой цифровой многофункциональный усилитель для двух тензометрических датчиков с последующей дальнейшей обработкой их сигналов и предназначен для решения широкого круга задач в измерении и регулировании сил сжатия и растяжения (например, в качестве регулятора натяжения или угла намотки ленты). Произвольно конфигурируемые входные и выходные каналы обеспечивают ввод значений параметров технологического процесса и вывод управляющих воздействий. Модуль подлежит установке в шкафу управления с креплением на DIN-рейке или монтажной плате. Опционально существует исполнение для установки в вырезе панели щита управления. Прибор может использоваться как: двухканальный усилитель; усилитель с возможностью внешней коррекции нулевой точки, контроля предельных усилий, контроля усилий нажима, угловой коррекции, обработки сигналов двухкоординатных (XY) датчиков силы; регулятор с различными режимами регулирования; сумматор нескольких сигналов.

Два независимых измерительных усилителя
6 аналоговых входов (± 10 В)
4 аналоговых выхода с разрешением 16 бит
2 релейных выхода с коротким временем срабатывания (макс. 1 мс)
Низкая длительность цикла для скоростных приложений (520 мкс)
Гибкая конфигурация входов и выходов
8-разрядная цифровая индикация
Гальваническая развязка выходных сигналов от цепи питания

Технические характеристики усилителя

Питание тензодатчиков
Напряжение постоянного тока [В]		5, 10
Макс. потребляемый ток [мА]		160
Компенсация дрейфа нуля		Во всем диапазоне входных напряжений
Общее усиление
Диапазон регулирования [В/В]		100…30000
Стандартная заводская настройка [В/В]		667
Выходные сигналы
Напряжение [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		5
Время нарастания сигнала (10…90%) [мс]		1,5…9999
Технические характеристики преобразователя напряжение / ток
Входное напряжение [В]		0…+10
Выходной ток [мА]		4…20
Макс. сопротивление нагрузки [Ом]		600
Технические характеристики регулятора
Входы сигналов
6 входов по напряжению [В]		-10…0…+10
4 цифровых входа через оптопары [В]		24 DC
Выходы сигналов
4 выхода по напряжению [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		5
Опорное напряжение [В]		10 ± 0,02%
2 цифровых выхода		Герконовые реле с одним нормально открытым контактом
Температура окружающей среды [°C]		0…60
Сечение жил кабеля для подключения		AWG 22-12
Стандартный класс защиты		IP20
Напряжение питания постоянного тока [В]		24 ± 10%
Потребляемый ток [мА]		200

Усилитель — регулятор MAC

MAC встраивается там, где необходимо с минимальными приборозатратами реализовать регулируемый контур с тензодатчиками (например, прибор измерения натяжения ленты). MAC оптимально подходит для работы в распределительных шкафах и может устанавливаться на DIN-шину или монтироваться непосредственно на монтажную плату. Электроника прибора состоит из усилителя и регулятора. Усилитель запитывает тензодатчики и обрабатывает поступающие от них сигналы. На выходе усилителя в распоряжении пользователя имеются два аналоговых (по напряжению) выхода с программируемыми фильтрами. Независимо работающая схема для токового выхода может выборочно подключаться на сильно или слабо «приглушенный» выход по напряжению. Внешнее подключение возможно также как конвертер сигнала — 10 В / 20 мА. В регулирующей части ПИД-компоненты могут устанавливаться каждый в отдельности и частично могут быть отключены. Подключенные сумматоры и умножители позволяют обрабатывать также и другие величины. Управляющими сигналами напряжением 24 В может быть активирована, например, блокировка регулятора и пр..

Измерительный усилитель с 2 входами по напряжению
Свободно подключаемый выход по току
PID-регулятор с простой установкой при помощи стрелочного потенциометра
Компактный стандартный корпус
Гальваническая развязка выходных сигналов от цепи питания

Технические характеристики усилителя

Питание тензодатчиков
Напряжение постоянного тока [В]		10
Макс. потребляемый ток [мА]		60, 160
Компенсация дрейфа нуля		-25…0…+25 мВ (только для входов по напряжению)
Общее усиление
Диапазон регулирования [В/В]		400…3200
Стандартная заводская настройка [В/В]		667
Выходные сигналы
Напряжение [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		5
Время нарастания сигнала (10…90%) [мс]		Фильтр 1: 7…145; фильтр 2: 130мс…4,8 c
Технические характеристики преобразователя напряжение / ток
Входное напряжение [В]		0…+10
Выходной ток [мА]		4…20; 0…20
Макс. сопротивление нагрузки [Ом]		600
Технические характеристики регулятора
Входы сигналов
6 входов по напряжению [В]
4 дискретных управляющих входа [В]		24 DC с общей клеммой COM
Выходы сигналов
1 выход по напряжению [В]		-10…0…+10
Мин. сопротивление нагрузки [кОм]		5
Опорное напряжение [В]		10 ± 0,5%
Температура окружающей среды [°C]		0…+60
Сечение жил кабеля для подключения		AWG 22-12
Стандартный класс защиты		IP20
Напряжение питания постоянного тока [В]		24 ± 10%
Потребляемый ток [мА]		150

Модульная усилительная система MVX

Каждый из многочисленных случаев применения силоизмерительной техники устанавливает свои критерии в части усиления и преобразования сигналов тензодатчиков. Появлением своей модульной усилительной системы MVX предлагает HAEHNE индивидуальный ответ на непрерывно возрастающие запросы в области обработки сигналов. Система разработана с учетом многолетнего опыта и результатов анализа требований из многих, сильно отличающихся друг от друга, отраслей. Каждому потребителю предоставляется возможность по 10 различным характеристикам скомпоновать свой, индивидуальный измерительный усилитель.

Индивидуально конфигурируемые варианты усилителя
Решения как для общераспространенных, так и сложных задач усиления и преобразования сигналов
Многопрофильное использование

Документация на сайте производителя:

на английском языке >> на немецком языке >>

Обзорный проспект на русском языке >>

Тензометрические измерительные преобразователи с полевыми шинами

Для чего нужны тензометрические датчики?. Расходомеры. Водомеры.

Для измерения величины деформации на автомобилях используются специальные датчики, которые называются тензометрическими. Принцип работы их достаточно прост и заключается в преобразовании усилий, получаемых во время измерения, в электрические сигналы. Возможность измерять даже очень маленькую массу позволяет использовать тензометрические датчики в самом разнообразном измерительном оборудовании. Они устанавливаются в весах для взвешивания автомобилей, вагонов и другой транспортной техники, такой как крановые весы, дозаторы и многое другое.

Практически все измерительное оборудование, используемое на производствах, включает в себя этот элемент. Он позволяет производить измерительные приборы значительно лучшего качества и более высокой точности, чем было до появления датчиков. Профессиональные автомобильные весы получили широкое распространение благодаря простоте в эксплуатации.

Во время измерения резистивный датчик принимает на себя нагрузку благодаря упругости, на нем монтируется тензодатчик для фиксации полученных результатов измерения, которые происходят в результате деформации упругого элемента и появления сопротивления в тензорезисторе. Такая технология позволяет получать точный вес груза.

Тензометрические датчики используются в самом разнообразном измерительном оборудовании, поэтому производятся они в самой различной форме, подходящей под определенный тип оборудования. Тензодатчик — это главный элемент современной весоизмерительной техники. Любые электронные весы, от настольных до платформенных и крановых, оснащены весовыми датчиками. В зависимости от области применения тензодатчики бывают различных типов. В строительной, пищевой и химической промышленности преимущественно используются консольные датчики, в большинстве случаев они устанавливаются на конвейерных весах, системах наполнения и дозирования. Чтобы сделать устройство надежным и долговечным, они изготавливаются преимущественно из нержавеющей стали, что также позволяет получить защиту от воздействия агрессивных химических сред.

Еще одним типом являются датчики в форме буквы S, они используются преимущественно для измерения таких величин, как растяжение и сжатие. Поэтому такой тип устанавливается в бункерных весах и разрывных машинах. Бывают и другие типы датчиков в виде бабочек и шайб, но они применяются значительно реже, чем перечисленные выше типы. Чтобы выбрать подходящую модель для определенного типа оборудования, необходимо проконсультироваться со специалистами.

Как работают датчики деформации?

Тем не менее что же такое напряжение?

«Вы чувствуете напряжение? Напряги все силы! Не напрягайся!» В быту мы применяем эти понятия, закладывая в них иной смысл, нежели их принято применять в науке. Более того, это понятие оказалось настолько универсальным, что несколько разделов науки с удовольствием оперирует термином «напряжение». Оно может быть электрическим и измеряется в вольтах, а может быть механическим. Именно механическому напряжению посвящена данная статья.

Напряжение – это измерение того, какое внутреннее давление создается в материале, когда на него действует внешняя сила. Чем больше сила или меньше площадь, на которую она действует, тем больше вероятность того, что материал будет деформироваться (менять форму). Подобно давлению, мы измеряем напряжение путем деления силы, действующей на определенную область, на площадь этой определенной области, поэтому напряжение = сила / площадь.
Деформация — это то, что происходит в результате напряжения. Если материал подвергается воздействию силы, он часто меняет форму и становится немного длиннее (при растяжении) или короче (при сжатии). Деформация определяется как изменение длины (размера), вследствие воздействия силы, деленное на исходную длину (размер) материала. Поэтому, если вы потянете кусок резины длиной 10 см, и он растянется еще на 1 см и станет длиной 11 см, деформация составит 0,1.

Фото: этот лабораторный стенд предназначен для проверки прочности материала путем его разрыва. Тензометрические датчики, прикрепленные к материалу (в данном случае это алюминиевый цилиндрический образец), позволяют ученым изучать напряжения в материале и изменения при его деформации.

Напряжение материалов

Различные материалы ведут себя очень по-разному при одинаковом напряжении. Если вы натяните резиновый жгут, он соответственно растянется, перестанете тянут – жгут вернется к своей исходной длине. Когда материалы возвращаются к своей первоначальной форме и размеру после снятия усилия, мы говорим, что они претерпели упругую деформацию. Так ведут себя многие материалы, включая резину, некоторые пластмассы и многие металлы (которые, как вы, возможно, удивитесь, совершенно упруги при воздействии малых усилий). В конце концов, упругие материалы достигают точки, когда они не могут справиться с дополнительным напряжением и растягиваются постоянно. Такое изменение называется пластичной деформацией. Обратите внимание, что правильное значение пластика — это то, что сравнительно легко меняет форму. Вот почему пластмассы называют пластмассами: при изготовлении они легко формуются в разные формы.

Если вы инженер, то напряжения и деформации невероятно важны. При разработке чего-либо от автомобильного двигателя до моста, от ветряной мельницы до крыла самолета, вы знаете, что оно будет подвержено воздействию некоторых, порой довольно больших, сил. Могут ли материалы, которые вы планируете использовать, противостоять этим силам? Будут ли они незначительно упруго деформироваться и безопасно возвращаться к своей первоначальной форме и размеру? Будут ли они разрушаться после повторяющихся деформаций в следствие такого процесса, как, например, усталость металла (когда повторяющаяся деформация приводит к ослаблению металла и его внезапному разрыву). Вам нужно использовать что-то более упругое, чтобы обеспечить безопасность? А как это узнать? Вы можете сделать свои расчеты в лаборатории и попытаться выяснить это заранее. Вы даже можете создать сложные компьютерные/математические модели этого процесса. Тем не менее, только натурные испытания позволят вам проверить свои вычисления на предмет наличия ошибок, учесть ранее неучтенные факторы, применить не гипотетические образцы, а реальные вышедшие из реального производства. Надежный способ получить ответ о том, как материалы справляются с реальным напряжением — это использовать тензорезисторы, которые позволяют измерить даже самые незначительные изменения (за счет своей «аналоговости» они имеют практически бесконечную чувствительность).

Тензорезистором можно назвать датчик, который преобразует собственную деформацию в изменение собственных электрических характеристик, а поскольку его собственная деформация практически равна поверхностной деформации испытуемого материала, то можно сказать так: тензорезистор – это датчик, преобразующий поверхностную деформацию испытуемого материала в изменение собственных электрических характеристик.

Фото: Тензометрическая колесная пара для проведения натурных испытаний. Фото предоставлено одним из ведущих предприятий разработки и испытаний ж/д техники – ТИЦ ЖТ.

Однако путь к тензорезисторам был долог и сложен. Было предпринято множество способов измерения деформации, одни из которых применяются до сих пор. Рассмотрим это ниже.

Типы датчиков деформации

Существует пять основных типов датчиков деформации: механические, гидравлические, электрические, оптические и пьезоэлектрические. Давайте рассмотрим и сравним, как они работают.

Механические

Предположим, образовалась трещина в стене дома из-за проседания грунта и необходимо проверить, развивается ли эта трещина. Позвоним специалистам, и они, вероятно, приклеят кусок твердой плексигласовой пластмассы с линиями и шкалой прямо над трещиной, иногда называемый как трещинный монитор или пластинчатый маяк. При внимательном его рассмотрении вы обнаружите, что он фактически состоит из двух отдельных пластиковых слоев: один слой имеет линейчатую шкалу, а другой слой имеет стрелку или указатель. Вы приклеиваете один слой к одной стороне трещины и один слой к другой, чтобы, когда трещина открывалась, слои очень медленно скользили друг за другом, и вы могли видеть указатель, перемещающийся по шкале. В зависимости от того, как быстро развивается трещина, вы понимаете насколько быстро это проблему нужно решить!

Фото: Пластинчатый маяк (изображение взято из интернет по следующему адресу: https://zishop.toist.ru/nabor/nabor-monitoring-treshin-lajt/)

Некоторые подобные механические датчики еще более грубые, чем этот. Просто прикрепляется кусок пластика или стекла через трещину и ожидаем, когда он разрушится при развитии трещины.

Существует огромное количество механических датчиков (экстензометров, прогибомеров, клинометров, сдвигомеров, тензометров и т.п.) Наиболее совершенным и распространённым механическим датчиком деформации является рычажный тензометр Гугенбергера. Подробно останавливаться на них не будем.

Схема: рычажный тензометр Гугенбергера

Гидравлические

Одной из проблем с датчиками деформации является обнаружение очень малых деформаций. Например, вы можете представить себе ситуацию, когда здание медленно движется, но это движение настолько мало, что оно не проявляется, возможно, пока не появятся видимые признаки – трещины, провалы земли, видимые наклоны. Для простого датчика трещин, такого как описанные выше, требуется 1 мм движения здания, чтобы произвести 1 мм движения на поверхности датчика трещин. При этом достаточно тяжело определить точку, к которой нужно прикрепить такой тензометр. Но что, если мы хотим обнаружить наименьшие движения, которые не проявляются в масштабе? В этом случае нам действительно нужен датчик с рычагом, который усиливает деформацию, поэтому даже незначительное движение элемента вызывает очень большое и легко измеряемое движение указателя по шкале (как это было реализовано в рычажном тензометре Гугенбергера).

Эту проблему попытались решить с помощью гидравлических датчиков деформации.

Гидравлические датчики деформации по сути работают так же, как простые шприцы. Шприцы — это, по сути, гидравлические поршни, в которых небольшое движение жидкости в большом поршне (та часть, на которую вы нажимаете пальцем) вызывает гораздо большее движение жидкости в небольшом поршне, прикрепленном к нему (игла, из которой выходит жидкость). Легко предположить, как это можно использовать в датчике деформации: вы просто подключаете свой большой поршень к тому, что он производит, и используете меньший поршень в трубке меньшего размера, помеченной шкалой, чтобы узнать, сколько произошло движения. Относительный размер поршней определяет, насколько увеличено движение, которое вы пытаетесь обнаружить. Как правило, гидравлические датчики, подобные этому, умножают движение примерно в 10 раз и обычно используются в геологии.

Простой пример гидравлического датчика деформации. Напряжение, которое вы хотите измерить, давит на зеленую кнопку (вверху слева). Это приводит в движение большой широкий поршень (желтый, 55) в гидравлический цилиндр (красный, 56), выталкивая захваченную жидкость (синего цвета, 57) через узкую трубу. Это гидравлический принцип в действии: малые движения зеленой кнопки и желтого поршня увеличиваются в гораздо большие движения за счет узости трубки. Жидкость течет в свернутую трубку Бурдона (оранжевая, 83), которая раскручивается в зависимости от давления внутри нее, натягивая рычажный механизм (темно-синий, 84, 85), изменяя перекрытие между двумя индукционными катушками так, что они отправляют электрический ток в цепь. Таким образом, сила нажатия на зеленую кнопку преобразуется в измеримый электрический сигнал (из патента США 2,600,453: способ и устройство для управления теплом в процессах горячей обработки. Автор RichardWeingart. 17 июня 1952 года).

Тензорезисторы (за счет изменения электрического сопротивления)

Если вы проектируете что-то вроде крыла самолета, как правило, вам нужно проводить гораздо более сложные измерения, чем позволяет простой механический датчик деформации, тем более что усилие имеет разное направление и огромную частоту. Возможно, вы захотите измерить напряжение во время взлета, например, когда двигатели производят максимальную тягу. Вы не можете прикрепить маленькие пластиковые тензодатчики к крылу и выходить, чтобы измерить их во время полета, но вы можете использовать тензорезисторы, чтобы сделать то же самое с помощью регистратора в салоне самолета.

Наиболее распространенные электрические датчики деформации — тензорезисторы — это тонкие прямоугольные полоски фольги с лабиринтными схемами разводки, которые ведут к паре электрических кабелей. Вы прикрепляете фольгу к материалу, который хотите измерить, и подключаете кабели к контрольной цепи. Когда материал, который вы испытываете, напряжен, фольга гнется, и проволока либо растягивается (так что становится немного тоньше), либо сжимается (поэтому становится чуть толще). Изменение толщины(площади сечения) металлической фольги/провода изменяет его электрическое сопротивление, потому что электронам труднее переносить электрический ток по более узким проводам. Таким образом, все, что вам нужно сделать, это измерить сопротивление (обычно используя мост Уитстона), и, с небольшим количеством соответствующего преобразования, вы можете рассчитать деформацию. Если задействованные силы невелики, деформация будет упругой, и тензодатчик в конечном итоге вернется к своей первоначальной форме, так что вы сможете продолжать проводить измерения в течение определенного периода времени, например, во время испытательного полета самолета-прототипа.

Подобные тензометрические датчики были изобретены в 1938 году профессором Массачусетского технологического института Артуром Руге (1905–2000 гг.) для помощи в обнаружении землетрясений.

Фото: крупный план двух электрических датчиков деформации — тензорезисторов. На подложке из фольги хорошо видны узоры, похожие на лабиринты. Они изменяют форму, вызывая изменение сопротивления проводов, когда фольга изгибается под действием напряжения.

Рисунок: справа: иллюстрация оригинального тензорезистора Артура Руге из патента США, который он подал в сентябре 1939 года. Он состоит из проводящей металлической нити (желтого цвета), натянутой между парой гребнеобразных опор (синего цвета) и подключен к контактам (красный), которые могут быть подключены к цепи. По мере того как напряжение изменяется, нить деформируется, а ее сопротивление увеличивается или падает. Измерение сопротивления — это способ косвенного измерения напряжения. Датчик содержит вторую аналогичную нить (оранжевую), которую можно использовать для компенсации любых изменений сопротивления, вызванных исключительно изменениями температуры. Идея состоит в том, чтобы выбрать разные материалы для двух нитей, чтобы их температурные изменения не влияли друг на друга. Руге изготавливал свои нити из чувствительных к деформации сплавов, таких как Advance (медь-никель) и нихром (никель-хром). (Из патента США 2,350,972: тензорезистор, автор Arthur C. Ruge, 6 июня 1944 г.)

Тензорезисторы в настоящее время являются основой науки изучения деформаций. Большинство датчиков силы, веса, крутящего момента, давления, перемещения и ускорения (акселерометры) созданы на их основе.

Оптические датчики деформации

Некоторые материалы меняют свои оптические свойства (светопропускание или отражение), когда они напряжены и деформированы, например, стекло и пластик. Хотя стекло является удивительно полезным и универсальным материалом, оно хрупкое и потенциально очень опасно: если оно слишком сильно деформировано, оно может внезапно расколоться или разбиться. Это может быть реальной проблемой при использовании его в чём-то вроде лобового стекла автомобиля или иллюминаторов самолета. Один из способов обнаружения деформации в стекле — направить на него под углом поляризованный свет. Часть света будет отражена, а часть будет пропущена. Относительное количество проходящего и отраженного света будет меняться в зависимости от того, насколько сильно деформировано стекло. Измеряя количество отраженного света, мы можем точно измерить нагрузку на стекло.

Рисунок: Оптический тензодатчик, видимый сбоку (сверху) и сверху (снизу), работает аналогично устройству, называемому полярископом (или поляриметром). Он сделан из двух полых трубок (серый 1,2), расположенных под углом к стеклу (зеленый). Мощный источник (синий, 6) направляет сфокусированный луч (желтый) на стекло через поляризационный фильтр (красный, 8). В зависимости от того, является ли стекло деформированным, и насколько деформированным, свет отражается от поверхности стекла через второй фильтр (оранжевый, 9) и попадает на фотоэлемент (фиолетовый, 14). Он, в свою очередь, преобразует свет в электрический сигнал, заставляя стрелку в амперметре подниматься или опускаться (темно-синий, 15). Чем выше напряжение в стекле, тем больше света отражается и тем выше показания амперметра. (Из патента США 2119577: тензометрический датчик и метод измерения деформации в стекле, СэмюэльМакК. Грей, 7 июня 1938 года)

Вместе с тем, указанное выше решение не нашло широкого применения. Ему на смену пришел иной принцип использования света при изучении степени деформации.

Волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД), ставшие развитием оптического типа датчиков деформации, обычно принадлежат к двум основным типам: ВОДД на решётках Брэгга и ВОДД на интерферометре Фабри-Перро. Вторые не получили широкого признания, но вот созданные на основе волоконной брэгговской решетка (ВБР), являются современным примером поиска замены ставшим классическими тензорезисторам сопротивления. Но стоимость такого решения всё ещё в разы дороже применения тензорезисторов, оно ограничено по частоте опроса/сбора данных и имеет ряд других особенностей.

Вопросу применения ВОДД на решётках Брэгга посвятим отдельный текст.

Пьезоэлектрические датчики деформации

Некоторые типы материалов, в том числе кристаллы кварца и различные типы керамики, являются эффективными «естественными» тензометрами. Если вы прикладываете к ним усилие, они создают крошечные электрические напряжения между их противоположными сторонами. Это явление называется пьезоэлектричеством и, вероятно, наиболее известно как способ генерирования сигнала хронометража в кварцевых часах. Измерьте напряжение с пьезоэлектрического датчика, и вы можете просто рассчитать деформацию. Пьезоэлектрические тензометрические датчики являются одними из наиболее чувствительных (примерно в 1000 раз больше, чем у более простых типов) и надежными и могут выдерживать годы многократного использования (вы иногда будете встречать их как«пьезоэлектрические преобразователи», потому что они преобразуют механическую энергию в электрическую).

Изображение: Как работает пьезоэлектрический тензодатчик. Прикрепите его к тестируемому объекту, который может быть простым стальным бруском (серый, 1). Датчик представляет собой плоский кристалл (синий, 3), с двумя параллельными поверхностями, на которых закреплены электроды (красного и оранжевого цвета, 4 и 5), прикрепленные к контактам (желтый, 6 и 7), которые замыкаются на внешнюю цепь – систему сбора данных. Нижняя поверхность кристалла (красного цвета) очень прочно связана цементом (8) с тестируемым образцом. По мере того как образец деформируется, кристалл также деформируется, генерируя небольшое напряжение между его верхней и нижней гранями при изменении его формы. Чем больше напряжение, тем больше деформация, поэтому измерение электрического напряжения является очень точным способом измерения механического напряжения (из патента США 2,558,563: пьезоэлектрический тензодатчик, автор WilliamJanssen, GeneralElectric, 26 июня 1951 г.).

Существует большое количество других типов датчиков деформации: акустических, тепловых, электромагнитных, рентгеновских и т.д. Но они не нашли широкого применения и не оставили в заметный след в истории вопроса.

Тензорезисторы в настоящее время представляют собой наиболее распространённый тип датчиков деформации.

На нашем сайте вы можете купить (заказать) тензорезисторы от японской компании TML, одного из лидеров в производстве тензорезисторов в мире.

Материалы для данной статьи взяты из источника по адресу: https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html[Woodford, Chris. (2009/2015) Strain gauges. Retrieved from https://www.explainthatstuff.com/straingauge.html. Last updated: February 27, 2019. Доступ 19.04.2019)]

Как они работают, приложения и типы

Тензодатчики — это устройства, которые обычно используются инженерами для измерения воздействия внешних сил на объект. Они измеряют деформацию напрямую, что может использоваться для косвенного определения напряжения, крутящего момента, давления, прогиба и многих других измерений.

В этом посте я расскажу, что такое тензодатчики и как они работают. Затем я немного углублюсь в различные типы тензодатчиков, приведу несколько примеров приложений, а затем рассмотрю подробный пример одного приложения, в котором я работаю.Если вы заинтересованы в покупке тензодатчика для использования в вашем проекте, я также предоставлю несколько мест для их покупки.

Что такое тензодатчики и как они работают?

Деформация — это безразмерное измерение, представляющее собой отношение изменения длины к исходной длине объекта. Следовательно, положительная деформация является результатом растяжения материала, а отрицательная деформация — результатом сжатия. Напряжение — это измерение приложенной силы, деленной на начальную площадь поперечного сечения объекта, или внутреннюю сопротивляемость объекта.

Рисунок 1. Слева: Состав тензодатчика (источник) Справа: Пример тензодатчика (источник)

Каждый тензодатчик состоит из металлической фольги, изолированной гибкой подложкой, как показано на рисунке выше. Два провода пропускают ток через датчик, и когда поверхность измеряемого объекта растягивается или сжимается, измеряется изменение сопротивления. Это изменение сопротивления пропорционально изменению длины на поверхности тестируемого объекта, как показано в уравнении ниже.Тензодатчики работают, измеряя изменение электрического сопротивления на тонкой проводящей фольге. Коэффициент измерения (или «коэффициент измерения») — это чувствительность тензодатчика (обычно 2). Он преобразует изменение сопротивления в изменение длины.

Уравнение 1: Уравнение калибровочного фактора (источник).

Рис. 2. Сжатие и растяжение, испытанные на тензометрическом датчике (источник).

Когда тензодатчик испытывает изгиб, растяжение или скручивание, изменение сопротивления металлической фольги измеряется мостом Уитстона.Измеряемое изменение сопротивления пропорционально деформации, испытываемой объектом. Пользователь может определить напряжение, испытываемое объектом, с помощью закона Гука (уравнение, показанное ниже), зная модуль упругости материала.

Уравнение 2: Уравнение закона Гука.

Типы тензодатчиков

Несмотря на то, что существует множество типов тензодатчиков — для различных применений и степени свободы, которую необходимо измерить, все они используют мост Уитстона для расчета изменения сопротивления.

Тензорезистор для четверть моста

Если вы измеряете одну ось, используется четвертьмостовой тензодатчик, как показано на рисунке ниже. Четвертьмост относится к тому факту, что только один из четырех резисторов является переменным (Rx), а остальные три резистора являются фиксированными. Схема определяет номинал переменного резистора таким образом, чтобы цепь была сбалансированной и ток не проходил между точками B и C.

Рис. 3. Диаграмма четверти моста Уитстона (источник изображения: авторское право DEWESoft из серии PRO Training Series).

Розетки тензометрических датчиков

В некоторых тензодатчиках, называемых розетками тензодатчиков, используются дополнительные датчики для измерения деформации в нескольких направлениях. Розетки используются для определения полного деформированного состояния объекта на поверхности. Состояние полной деформации состоит из нормальной деформации, деформации сдвига и основной деформации. В двухосной розетке используются два датчика, а тензодатчики установлены перпендикулярно друг другу. Для трехосной розетки необходимы три градуса измерения.Эти датчики устанавливаются под углом 0 ° -45 ° -90 ° или 0 ° -60 ° -120 ° относительно друг друга, в зависимости от требуемых измерений. Ниже приведены некоторые распространенные конфигурации розеток тензодатчиков (вы можете увидеть оригинал

Рис. 4. Примеры розетки тензодатчика (источник изображения: авторское право DEWESoft из их серии PRO Training).

Пьезорезистор

При измерении деформации в малых масштабах пьезорезистор часто является лучшим измерительным инструментом. Эти измерения часто настолько малы, что выражаются в микродеформации (µε или ε x 10-6).Когда используются эти датчики, чувствительность меняется, поэтому коэффициент измерения часто выше, чем у типичного тензодатчика из фольги. Хотя эти датчики регистрируют меньшие изменения длины, они также более чувствительны к изменениям температуры и с большей вероятностью сломаются, чем датчики из фольги.

Где купить тензодатчики

Если вы хотите использовать тензодатчики для вашего приложения, их можно найти в разных местах, вот лишь некоторые из них, которые мы обычно используем:

Теперь с тензодатчиками вам также понадобятся очень специфические приборы для питания и обработки выходного сигнала тензодатчика.Вот несколько вариантов от HBM и другие от Omega. Мы знаем, что многие клиенты enDAQ также заинтересованы в добавлении к нашим устройствам возможностей измерения тензодатчиков вместе с акселерометрами и другими датчиками, и мы планируем разработать такое решение в течение следующих нескольких лет (подробнее см. В нашей дорожной карте)!

Приложения для тензодатчиков

В области гражданского строительства и геотехнического мониторинга регулярно используются тензодатчики для обнаружения повреждений в таких конструкциях, как мосты, здания и многое другое.Эти конструкции требуют постоянного наблюдения, поскольку любая значительная деформация может привести к травмам или смерти. Эти манометры обычно используются, поскольку они обладают высокой точностью, хорошо работают на больших расстояниях от объекта испытаний и требуют минимальных усилий для настройки и обслуживания в течение длительных периодов времени.

Полевые испытания часто сильно отличаются от лабораторных испытаний в идеальных условиях. Одна из причин, по которой тензодатчики высоко ценятся, заключается в том, что их можно использовать в суровых условиях, обеспечивая воспроизводимые результаты с высокой точностью.Когда инженер тестирует объекты неправильной формы в суровых условиях с труднодоступными конфигурациями, часто требуется специализированное устройство, такое как тензодатчик. Например, в аэрокосмических приложениях используются миллионы тензодатчиков для проверки результатов моделирования в САПР (автоматизированное проектирование) и FEA (анализ методом конечных элементов). Эти испытания часто проводятся в динамических условиях, чтобы показать точное представление о том, как различные силы влияют на самолет.

Рисунок 5. Слева: мост на стальных фермах Миннеаполиса в 2006 году. Справа: нижняя сторона моста. (Источник)

Тензодатчики также часто используются для статических испытаний. Некоторые мосты настроены на использование беспроводной телеметрии, которая передает результаты тестирования через Ethernet. Но другие мосты в первую очередь проходят визуальный осмотр или дефектоскопию для выявления дефектов поверхности. Несмотря на то, что эти методы экономичны, они не требуют постоянного контроля, что может привести к катастрофическим отказам, как, например, в случае стального ферменного моста I-35 Миннеаполис.Начиная с 1990 года, мост был отмечен федеральным правительством как «структурно несовершенный», что означало, что он должен был проходить ежегодные проверки. Однако из-за отсутствия постоянного наблюдения с помощью тензодатчиков, значительного ремонта или замены в 2007 году мост неизбежно рухнул, в результате чего погибли 13 человек. Этот мост — лишь один из примерно 80 000 мостов через Соединенные Штаты, которые в 2007 году были признаны «структурно несовершенными».

Пример использования тензодатчика

Здесь, в Midé ( Примечание: enDAQ является подразделением Midé ), мы регулярно используем тензодатчики для проектных работ.Недавно мы с коллегой добавили к нашей испытательной установке тензодатчик для косвенного измерения крутящего момента. Проект, над которым мы работали, был сфокусирован на дизайне костюма для глубоководного дайвинга. Для этого эксперимента мы проверили величину крутящего момента, необходимого для вращения упорного подшипника в руке костюма, путем надавливания на упорный подшипник, чтобы смоделировать его использование на глубине до 530 футов.

Рисунок 6. Испытательная установка с тензодатчиком, установленным между двигателем и упорным подшипником.

Для этого испытания тензодатчик был установлен на пьедестале между двигателем и герметичным упорным подшипником, как показано на рисунке выше. Этот узел был помещен внутрь резервуара высокого давления, погружен в воду и находится под давлением. Двигатель питался от переменного тока, что обеспечивало постоянный выходной крутящий момент. В ходе проведенных испытаний было измерено сопротивление упорного подшипника осевому вращению как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

Рис. 7. Полностью собранный рычаг гидрокостюма с упорным подшипником.

Во время этого испытания мы медленно увеличивали давление, чтобы определить сопротивление упорного подшипника на разной глубине. Начиная с атмосферного давления в качестве основы, давление увеличивали до 30, 50, 75, 100, 150, 200 и 250 фунтов на квадратный дюйм (или фунтов на квадратный дюйм). Каждый раз, когда мы увеличивали давление, мотор вращался в обоих направлениях на 7-8 секунд. При наивысшем давлении максимальный крутящий момент был измерен тензодатчиком при 35 фут-фунтах в направлении против часовой стрелки (положительный крутящий момент), как показано на графике ниже.

Рисунок 8. Измерения крутящего момента в зависимости от времени с использованием тензодатчика.

Заключение

Тензодатчики

— это универсальные геотехнические инструменты с очень широким спектром применения, которые помогают обеспечить безопасность и производительность. Их особенно ценят за точность, простоту установки, низкую стоимость, длительный срок службы и необходимость в очень ограниченном техническом обслуживании. Интересно рассмотреть множество будущих применений тензодатчиков в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, кабельные мосты, мониторинг рельсов (для железнодорожных систем) и измерение крутящего момента и мощности в широком диапазоне вращающегося оборудования, такого как вентиляторы, генераторы, колеса и пропеллеры. .

Я надеюсь, что этот пост помог вам лучше понять различные типы тензодатчиков, принцип их работы и их применение. Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь оставлять комментарии или связываться с нами. И если вам понравился этот пост, не забудьте подписаться на наш блог enDAQ, чтобы узнать больше о сборе данных, датчиках и анализе.

Похожие сообщения:

Для получения дополнительной информации по этой теме посетите нашу специальную страницу ресурсов «Датчики окружающей среды». Там вы найдете больше сообщений в блогах, тематических исследований, веб-семинаров, программного обеспечения и продуктов, ориентированных на ваши потребности в экологическом тестировании и анализе.

Измерение деформации тензодатчиками

Деформацию можно измерить несколькими методами, но наиболее распространенным является тензодатчик. Электрическое сопротивление тензодатчика изменяется пропорционально величине напряжения в устройстве. Самым распространенным тензодатчиком является металлический тензодатчик. Металлический тензодатчик состоит из очень тонкой проволоки или, чаще, металлической фольги, расположенной в виде сетки. Сетчатый рисунок максимизирует количество металлической проволоки или фольги, подверженной деформации в параллельном направлении.Сетка приклеивается к тонкой основе, называемой держателем, которая прикрепляется непосредственно к образцу для испытаний. Таким образом, напряжение, испытываемое испытуемым образцом, передается непосредственно на тензодатчик, который реагирует линейным изменением электрического сопротивления.

Рис. 3. Электрическое сопротивление металлической сетки изменяется пропорционально степени деформации, испытываемой испытуемым образцом.

Основным параметром тензорезистора является его чувствительность к деформации, количественно выражаемая как коэффициент измерения (GF).GF — это отношение частичного изменения электрического сопротивления к частичному изменению длины или деформации:

GF для металлических тензодатчиков обычно составляет около 2. Фактический GF конкретного тензодатчика можно получить у поставщика датчика или в документации по датчику.

На практике измерения деформации редко включают величины, превышающие несколько миллиштренов (например, 10 ^-3). Следовательно, чтобы измерить деформацию, вы должны точно измерить очень небольшие изменения сопротивления.Например, предположим, что испытуемый образец подвергается деформации в 500 мэ. Тензорезистор с GF, равным 2, показывает изменение электрического сопротивления всего на 2 (500 x 10 ^-6) = 0,1%. Для манометра на 120 Ом это изменение составляет всего 0,12 Ом.

Для измерения таких небольших изменений сопротивления конфигурации тензодатчиков основаны на концепции моста Уитстона. Общий мост Уитстона, показанный на рисунке 4, представляет собой сеть из четырех резистивных плеч с напряжением возбуждения V _EX, которое прикладывается к мосту.

Рис. 4. Тензодатчики сконфигурированы в схемах моста Уитстона для обнаружения небольших изменений сопротивления.

Мост Уитстона является электрическим эквивалентом двух параллельных цепей делителя напряжения. R ₁ и R ₂ составляют одну схему делителя напряжения, а R ₄ и R ₃ составляют вторую схему делителя напряжения. Выходной сигнал моста Уитстона, Vo , измеряется между средними узлами двух делителей напряжения.

Из этого уравнения видно, что когда R ₁ / R ₂ = R ₄ / R ₃ , выходное напряжение В _O равно нулю. В этих условиях считается, что мост уравновешен. Любое изменение сопротивления в любом плече моста приводит к ненулевому выходному напряжению. Следовательно, если вы замените R ₄ на Рисунке 4 активным тензодатчиком, любые изменения сопротивления тензодатчика приведут к дисбалансу моста и получению ненулевого выходного напряжения, которое является функцией деформации.

Что такое тензодатчик?

Что такое тензодатчик? Тензодатчик — это разновидность электрического датчика. Его основное использование — измерение силы или деформации.

Сопротивление тензодатчика изменяется при приложении силы, и это изменение дает другой электрический выход. Тензодатчики используют этот метод для измерения давления, силы, веса и натяжения.

При приложении внешних сил к неподвижному объекту присутствуют две силы; стресс и напряжение.Напряжение — это сила сопротивления объекта (например, отталкивание) деформация — это смещение и деформация объекта, и это сила, которую можно измерить с помощью тензодатчика. Поскольку они маленькие и высокочувствительные, тензодатчики могут измерять сжатие или расширение объекта, даже если это небольшая величина, когда они правильно прикреплены к объекту или устройству.

Тензодатчики

очень тонкие и бывают самых разных форм и размеров, что делает их пригодными для различных применений.

Функция тензодатчика

Тензодатчик используется в качестве меры предосторожности во многих испытательных приложениях. Обычно, когда тензодатчик выдает определенное значение, срабатывает предупреждение, чтобы проинформировать пользователя о том, что емкость была достигнута, это означает, что проблема может быть решена до того, как она станет опасной.

Тензодатчики Технология тензодатчиков

имеет огромное количество применений — практически неограниченное.Тензодатчики являются основным чувствительным элементом и используются во многих различных типах датчиков. Они хорошо используются в таких отраслях, как; железнодорожный, аэрокосмический, машиностроительный и научно-исследовательский. Некоторые из приложений, для которых они использовались, включают;

Напряжение на железнодорожных путях
Напряжения при прогибе крыла самолета
Испытания компонентов самолета
Вращательная нагрузка на турбины, колеса, вентиляторы, гребные винты и двигатели
Испытание корпусов судов
Испытание конструктивных элементов мостов и зданий
Автомобильные испытания

Тензодатчики от Variohm

Наши тензодатчики поставляются нашим поставщиком Zemic.Они используют резистивную фольгу, закрепленную на материале основы. Смотрите наши тензодатчики здесь.

Для получения дополнительной информации о тензодатчиках или любом из продуктов, которые мы можем предложить, свяжитесь с нами

Что такое тензодатчик | КИОВА

Взаимосвязь между выходными сигналами тензодатчика и тензодатчика
Подключите тензодатчики к электрической цепи, которая называется мостом Уитстона. это подходит для обнаружения небольшого изменения сопротивления.
Предположим, что исходное сопротивление тензодатчика равно R (Ом), а измененное сопротивление из-за удлинения или усадка R (Ω).
Рассчитайте деформацию ε по следующей формуле.

Буква «K» в приведенной выше формуле называется калибровочным коэффициентом, коэффициент, выражающий чувствительность тензодатчика.
Коэффициент масштабирования фольгового тензодатчика общего назначения KFGS составляет ок.2.
Предположим, что напряжение возбуждения моста равно E, сопротивление тензодатчика равно R (Ом), а измененное значение сопротивление из-за удлинения или усадки R (Ом).
Рассчитайте выходное напряжение e (В) по следующей формуле.

Взаимосвязь между деформацией и напряжением
Непосредственно узнать напряжение объекта или материала сложно.
Таким образом, мы рассчитываем напряжение, измеряя «деформацию», основанную на напряжении.»
Согласно закону Гука, напряжение пропорционально деформации в упругой области, напряжение равно определяется путем измерения деформации тензодатчиками.
Поэтому мы часто используем измерение деформации и измерение напряжения как синонимы.

По этой причине, когда величина приложенной силы и площадь поперечного сечения будут Как известно, напряжение можно вычислить.Однако, когда объект измерения состоит из сложных конструкций, сложных приложенных нагрузок или В сложных условиях может быть сложно рассчитать данные с высокой точностью.
Таким образом, экспериментальные измерения напряжений с помощью тензодатчиков широко используются как наиболее надежные и практический метод проверки конструкции конструкции безопасности.
* «Деформация» — это коэффициент удлинения (или усадки) без единиц измерения.
Поскольку деформация указывает на довольно маленькое значение, пишется «× 10 ^-6 деформация» и называется «микроштамм».

Тензодатчик

| Как это работает и как выбрать

Что такое тензодатчик , какие существуют типы тензодатчиков и как они работают при измерении силы?

Узнайте о функциях и возможностях различных тензодатчиков, также известных как датчики силы, в этом подробном руководстве.

Датчик нагрузки , произведенный в США компанией FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), ведущим производителем, производящим огромный выбор датчиков силы , использующих одну из самых передовых технологий в сенсорной индустрии: технологию тензодатчика из металлической фольги . Датчик силы определяется как преобразователь, который преобразует входную механическую нагрузку, вес, растяжение, сжатие или давление в электрический выходной сигнал (определение тензодатчика).Датчики силы также широко известны как датчик силы . Существует несколько типов датчиков веса в зависимости от размера, геометрии и грузоподъемности.

Что такое тензодатчик?

По определению, датчик веса (или датчик веса) является типом преобразователя, в частности преобразователем силы . Он преобразует входную механическую силу , такую как нагрузка , вес , растяжение , сжатие или давление , в другую физическую переменную, в данном случае в электрический выходной сигнал, который можно измерить, преобразовать и стандартизировать.По мере увеличения силы, приложенной к датчику силы, электрический сигнал изменяется пропорционально.

Преобразователи силы

стали важным элементом во многих отраслях промышленности, включая автомобилестроение, высокоточное производство, аэрокосмическую и оборонную промышленность, промышленную автоматизацию, медицину и фармацевтику, а также робототехнику, где надежность и точность измерения силы имеют первостепенное значение. Совсем недавно, с развитием коллаборативных роботов (коботов) и хирургической робототехники, появилось много новых приложений для измерения силы .

Как работает тензодатчик?

Во-первых, нам необходимо понять физику и материалы, лежащие в основе принципа работы тензодатчика , тензодатчика , тензодатчика (иногда его называют тензодатчик ). Тензодатчик из металлической фольги — это датчик, электрическое сопротивление которого зависит от приложенной силы. Другими словами, он преобразует (или преобразует) силу, давление, растяжение, сжатие, крутящий момент, вес и т. Д. В изменение электрического сопротивления, которое затем можно измерить.

Тензодатчики — это электрические проводники, плотно прикрепленные к пленке зигзагообразно. Когда эту пленку натягивают, она вместе с проводниками растягивается и удлиняется. Когда его толкают, он сокращается и становится короче. Это изменение формы вызывает изменение сопротивления в электрических проводниках. На основании этого принципа можно определить прилагаемую к весоизмерительной ячейке деформацию, поскольку сопротивление тензодатчика увеличивается с приложенной деформацией и уменьшается с уменьшением.

Рис. 1. Тензорезистор из металлической фольги.Источник: ScienceDirect

Конструктивно датчик силы (или преобразователь ) состоит из металлического корпуса (также называемого изгибом), к которому прикреплены тензодатчики из фольги . Корпус датчика обычно изготавливается из алюминия или нержавеющей стали, что придает датчику две важные характеристики: (1) обеспечивает прочность, чтобы выдерживать высокие нагрузки, и (2) обладает эластичностью, позволяющей минимально деформироваться и возвращаться к своей исходной форме при воздействии силы. удаленный.

При приложении силы (растяжение , или сжатие , ) металлический корпус действует как «пружина» и слегка деформируется, и, если он не подвергается перегрузке, возвращается к своей первоначальной форме.По мере деформации изгиба тензодатчик также изменяет свою форму и, следовательно, свое электрическое сопротивление, что создает изменение дифференциального напряжения через цепь моста Уитстона . Таким образом, изменение напряжения пропорционально физической силе, приложенной к изгибу, которую можно рассчитать с помощью выходного напряжения цепи датчика веса.

Рис. 2: Деформация тензодатчика как при растяжении, так и при сжатии.

Эти тензодатчики расположены в так называемой цепи моста Уитстона (см. Анимированную схему).Это означает, что четыре тензодатчика соединены между собой в виде замкнутой цепи (цепи тензодатчика), и измерительная сетка измеряемой силы выравнивается соответствующим образом.

Тензометрические мостовые усилители , (или формирователи сигналов тензодатчиков) подают регулируемое напряжение возбуждения на схему весоизмерительной ячейки и преобразуют выходной сигнал мВ / В в другую форму сигнала, более полезную для пользователя. Сигнал, генерируемый тензодатчиком, является сигналом низкой мощности и может не работать с другими компонентами системы, такими как ПЛК, модули сбора данных (DAQ), компьютеры или микропроцессоры.Таким образом, функции формирования сигнала датчика силы включают в себя напряжение возбуждения, фильтрацию или ослабление шума, усиление сигнала и преобразование выходного сигнала.

Кроме того, изменение выходного напряжения усилителя откалибровано так, чтобы оно было линейно пропорциональным ньютоновской силе, приложенной к изгибу, которая может быть рассчитана с помощью уравнения для напряжения цепи весоизмерительного датчика .

Рис. 3: Цепь тензодатчика — полная мостовая схема Уитстона.

Важное понятие, касающееся датчиков силы, — это чувствительность датчика веса и точность .Точность датчика силы может быть определена как наименьшее количество силы, которое может быть приложено к корпусу датчика, необходимое для того, чтобы вызвать линейное и повторяемое изменение выходного напряжения. Чем выше точность датчика веса, тем лучше, поскольку он может постоянно фиксировать очень заметные изменения силы. В таких приложениях, как высокоточная автоматизация производства, хирургическая робототехника, аэрокосмическая промышленность, линейность тензодатчиков имеет первостепенное значение для обеспечения точной подачи данных в систему управления PLC или DAQ при точном измерении силы.Некоторые из наших универсальных весоизмерительных ячеек типа «блины» демонстрируют нелинейность ± 0,1% (от номинальной мощности) и неповторяемость ± 0,05% RO.

Каковы преимущества тензодатчиков?

Тензодатчик из металлической фольги Датчики силы являются наиболее распространенной технологией, учитывая их высокую точность, долгосрочную надежность, разнообразие форм и геометрии датчиков, а также экономическую эффективность по сравнению с другими технологиями измерения силы. Кроме того, тензодатчики меньше подвержены колебаниям температуры.

Самая высокая точность, которая может соответствовать многим стандартам от хирургической робототехники до авиакосмической промышленности;
Прочная конструкция из высокопрочной нержавеющей стали или алюминия;
Сохраняйте высокую производительность при максимально долгом сроке службы даже в самых суровых условиях. Некоторые конструкции тензодатчиков могут работать до миллиардов полностью обращенных циклов (срок службы).
Множество геометрий и индивидуальных форм, а также варианты монтажа ЛЮБОЙ шкалы В ЛЮБОМ месте.
Полная гамма блюд с вместимостью от 10 граммов до 100 000 фунтов.

Какие типы датчиков веса?

Несмотря на то, что существует несколько технологий измерения силы, мы остановимся на наиболее распространенном типе датчиков веса: тензодатчиках из металлической фольги. В пределах типов датчиков силы существует множество форм и геометрий тела, каждый из которых предназначен для различных применений. Познакомьтесь с ними, если хотите купить датчик веса:

Линейный датчик нагрузки — Чаще всего называется линейным датчиком силы или датчиком силы канистрового типа (или колонной) с наружной резьбой.Этот тип датчика силы может использоваться как при растяжении, так и при сжатии. Проточные датчики обеспечивают высокую точность и высокую жесткость при минимальном необходимом монтажном зазоре. Они отлично подходят для выносливости и пресса.
Кнопка нагрузки — Эти датчики силы имеют единственную плоскую выступающую поверхность (также известную как кнопка), на которую прикладывается сжимающая сила. Что впечатляет в кнопках загрузки, так это их низкий профиль. Какими бы небольшими они ни были, они известны своей надежностью и используются в приложениях, связанных с усталостью.
Тензодатчик S-Beam — Датчик силы S-Beam с другими названиями, включая датчики нагрузки Z-Beam или S-типа, представляет собой датчик силы растяжения и сжатия с внутренней резьбой для установки. Этот тип датчика силы, обладающий высокой точностью, тонким динамометрическим датчиком и компактным профилем, отлично подходит для поточной обработки и приложений с автоматической обратной связью.
Тензодатчик со сквозным отверстием — Известный также как тензодатчик с кольцевым отверстием или тензодатчик с шайбой, датчики силы со сквозным отверстием традиционно имеют гладкий внутренний диаметр без резьбы, используемый для измерения сжимающих нагрузок, которые требуют, чтобы стержень проходил через его центр.Одно из основных применений этого типа датчика — измерение нагрузки на болты.
Блинные весоизмерительные ячейки — Блинные, канистровые или универсальные весоизмерительные ячейки имеют центральное резьбовое отверстие для измерения нагрузок при растяжении или сжатии. Эти преобразователи силы используются в приложениях, требующих высокой выносливости, высокой усталостной долговечности или высокопроизводительных линейных измерений. Они также обладают высокой устойчивостью к внеосевым нагрузкам.
Тензодатчик со стержневым концом — Датчик нагрузки этого типа имеет одну наружную и одну внутреннюю резьбу для установки.Комбинация наружной и внутренней резьбы хорошо подходит для приложений, в которых необходимо приспособить датчик силы к существующему приспособлению.

Как выбрать датчик веса для вашего приложения?

Мы понимаем, что выбор подходящего датчика нагрузки — непростая задача, так как не существует реального отраслевого стандарта в отношении того, как его выбирать. Вы также можете столкнуться с некоторыми проблемами, в том числе с поиском совместимого усилителя или формирователя сигнала или потребностью в индивидуальном продукте, который увеличил бы время доставки продукта.

Чтобы помочь вам выбрать датчик силы, компания FUTEK разработала простое руководство из 5 шагов. Вот краткая информация, которая поможет вам сузить круг выбора. Ознакомьтесь с нашим полным руководством «Важные соображения при выборе тензодатчика» для получения дополнительной информации.

Шаг 1: Изучите свое приложение и то, что вы измеряете . Датчики нагрузки отличаются от датчиков давления или датчиков крутящего момента и предназначены для измерения нагрузок на растяжение и сжатие.
Шаг 2 : Определите монтажные характеристики датчика и его сборку. У вас статическая нагрузка или она динамическая? Определите тип крепления. Как вы будете устанавливать этот датчик силы?
Шаг 3 : Определите минимальные и максимальные требования к емкости. Обязательно выберите грузоподъемность сверх максимальной рабочей нагрузки и определите все посторонние нагрузки (боковые нагрузки или нецентральные нагрузки) и моменты до выбора грузоподъемности.
Шаг 4: Определите свой размер и геометрию требования (ширина, вес, высота, длина и т. Д.) И требования к механическим характеристикам (выход, нелинейность, гистерезис, ползучесть, сопротивление моста, разрешение, частотная характеристика и т. Д.) Другие характеристики, которые следует учитывать, включают погружные (водонепроницаемые), криогенные, высокотемпературные, множественные или дублирующие мосты и TEDS IEEE1451.4.
Шаг 5: Определите тип вывода, который требуется вашему приложению. Цепи датчика силы выдают напряжение в мВ / В. Итак, если вашему ПЛК или DAQ требуется аналоговый выход, цифровой выход или последовательная связь, вам, безусловно, понадобится усилитель тензодатчика или формирователь сигнала. Убедитесь, что вы выбрали правильный усилитель, а также откалибруйте всю систему измерения (датчик нагрузки + формирователь сигнала). Это готовое решение обеспечивает большую совместимость и точность всей системы измерения силы.

Для получения более подробной информации о нашем 5-шаговом руководстве, пожалуйста, посетите наш «Как выбрать тензодатчик» для получения полных рекомендаций.

Тензодатчик

— обзор

Типы манометров

Различные типы датчиков доступны от каждого подрядчика. Как правило, они делятся на две категории в зависимости от типа датчика: кварцевые и тензодатчики. Тензодатчик более старой конструкции основан на регистрации изменения электрического сопротивления, вызванного изменениями приложенного давления в цепи резистора. Кварцевые датчики регистрируют изменения частоты вибрирующего кристаллического элемента, вызванные приложенным давлением.Рабочие характеристики, точность и разрешение кварцевого датчика обычно выше, чем у датчика деформации. По этой причине предпочтительны датчики из кварцевого кристалла. Для датчиков одного и того же типа характеристики, такие как точность, разрешение, чувствительность, диапазон рабочего давления / температуры, срок службы батареи и объем памяти, могут варьироваться от датчика одного подрядчика к другому. Иногда в конкретных задачах испытаний скважин делается акцент на одной из этих характеристик. Например,

•: Температурный диапазон манометра имеет решающее значение для высокотемпературного колодца.
•: Разрешение манометра наиболее важно для анализа переходных процессов
•: Срок службы батареи и размер памяти важны для расширенных испытаний скважин

Манометры прикрепляются к испытательной колонне с помощью держателя манометра . По сути, держатель манометра представляет собой трубку, которая позволяет нескольким манометрам крепиться снаружи и в то же время подключаться к системе уплотнений, так что сенсор для каждого манометра улавливает давление изнутри держателя манометра.Держатель также снабжен резьбовыми соединениями на обоих концах, чтобы его можно было прикрепить к испытательной трубке.

Рисунок 2.13. Держатель для манометров

Особенности типичного держателя для манометров:

•: Возможность удерживать несколько манометров, обычно установленных снаружи вокруг держателя.
•: Полнопроходной через держатель, чтобы не ограничивать поток скважины.
•: Конструктивные характеристики, прочность на растяжение и сжатие совместимы с трубками для испытания скважин.
•: Сменные концевые адаптеры, позволяющие использовать держатель датчика с различными типами трубок.
•: Регулируемые порты давления для обеспечения опций, обеспечивающих связь между отдельными манометрами и внутренним отверстием держателя манометра или снаружи с кольцевым пространством.

Держатели манометров располагаются как можно ближе к резервуару для оптимизации качества записываемых данных. При расположении выше в испытательной колонне факторы турбулентности и трения могут ухудшить достоверность измеренных данных во время периодов притока, а влияние гидростатического давления в стволе скважины может повлиять на данные о накоплении во время периодов остановки.Однако по практическим причинам может оказаться невозможным полностью устранить эти эффекты, поскольку другое оборудование обязательно размещается под держателем датчика, тем самым создавая некоторое разделение между точками измерения датчика и пластом.

Учитывая ценность данных и стоимость их получения, а также учитывая, что в большинстве случаев данные не могут быть проверены до тех пор, пока после теста не будет восстановлена тестовая строка, рекомендуется запускать несколько датчиков в держателе датчика. для резервирования в случае отказа датчика.

Во время добычи данные о давлении и температуре, регистрируемые манометрами, часто зашумлены из-за поведения флюидов в стволе скважины. Задержка жидкости, прорыв газа и турбулентность способствуют этому шуму. Интерпретация данных датчиков чаще всего основана на данных о накоплении, то есть реакции давления в пласте после остановки добычи. Это имеет большое значение, где происходит это закрытие. На поверхности может потребоваться некоторое время, чтобы условия в испытательной колонне достигли равновесия, так что данные, записанные на датчиках, будут зашумленными из-за этой активности в стволе скважины, пластовые жидкости продолжают поступать в ствол скважины до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное давление.Движение текучей среды в испытательной колонне происходит из-за перехода газа в раствор при повышении давления или в виде разделения фаз из-за охлаждения ствола скважины. Чтобы устранить эти так называемые эффекты накопления в стволе скважины, скважинное запорное устройство или контрольный клапан, расположенные прямо над манометрами, способствует значительному повышению качества данных. Клапан тестера изолирует большую часть ствола скважины от датчиков, так что реакции давления и температуры, наблюдаемые на датчиках, можно отнести непосредственно к пласту, а не к активности в испытательной колонне.

Для кварцевых манометров с высоким разрешением иногда полезно установить два набора манометров, разделенных соединением или стойкой трубок. Данные, полученные от двух наборов датчиков, могут предоставить полезные данные о градиенте и помочь идентифицировать флюиды. Это может оказаться особенно полезным, если по какой-либо причине углеводороды из коллектора не выходят на поверхность. Некоторые сведения о производстве могут быть получены из изменяющегося гидростатического давления между двумя носителями.

Чтобы помочь инженеру-разработчику отделить данные, связанные с пластом, от воздействия ствола скважины, может быть полезен датчик, регистрирующий данные о кольцевом пространстве над пакером.Эти данные не используются для интерпретации напрямую, но могут быть очень полезны при идентификации событий, которые могут повлиять на наращивание пласта. Давление в затрубном пространстве изменяется на протяжении всего испытания, и давление поддерживается, чтобы клапан тестера оставался открытым. Однако это давление меняется, когда бурильщик увеличивает давление для компенсации охлаждения или снижает давление для компенсации нагрева. На морском дне также могут быть размещены датчики для регистрации воздействия приливов и температуры океана, которые также могут влиять на данные.

Программирование настройки датчика в основном включает выбор времени задержки и частоты дискретизации. Ответственность за выбор установки манометра лежит на инженере-разработчике. Частота дискретизации должна иметь достаточно высокую частоту, чтобы гарантировать регистрацию быстрых изменений в условиях коллектора. Это особенно важно на ранней стадии наращивания после остановки скважины. Однако, если частота дискретизации установлена на очень высокую частоту, существует опасность того, что память датчика может достичь своей емкости до того, как испытание будет завершено.Это приведет к невозможности сбора всех тестовых данных. Выбор времени задержки, при котором датчик начинает запись только непосредственно перед началом теста, может сэкономить значительный объем памяти. Установка испытательной колонны в скважину и выполнение всех необходимых шагов по вводу в эксплуатацию до начала испытания может занять до 24 часов.

Перед тем, как мобилизовать датчики на месторождение, инженер по испытанию скважин должен убедиться, что датчики правильно откалиброваны и обслуживаются.Свидетельство о калибровке в лаборатории прибора должно быть доступно для каждого манометра. На объекте может быть проведена дополнительная проверка калибровки при испытании держателя манометра под давлением на палубе.

Важно, чтобы подробные записи о настройке, используемой для каждого манометра, регистрировались и включались в отчет об испытаниях. Соображения для каждой записи датчика:

•: Серийный номер датчика
•: Время задержки
•: Частота дискретизации
•: •; Глубина точки измерения датчика
•: Время начала, указанное на часах манометра / ПК

Любая путаница в приведенных выше деталях может привести к ошибочной интерпретации данных.По этой причине, в качестве проверки хорошего качества, инженер по испытанию скважин должен наблюдать за состоянием каждого манометра и настройкой программирования манометров, а также наблюдать за установкой манометров в держатель манометра до его установки в испытательную колонну. Хорошей практикой является взять рулетку и физически измерить расстояние от точек измерения датчика манометра до известного ориентира в испытательной колонне, например, нижней части держателя манометра.

Если есть какие-либо вопросы относительно достоверности данных, записанных на датчиках, или если есть противоречивые данные с разных датчиков, то рекомендуется выполнить проверку калибровки датчиков в полевых условиях для выявления возможных неисправностей.Более подробную калибровку после испытаний можно выполнить в лаборатории. Возможно, удастся «спасти» неверные данные, перепрограммировав датчик с новым набором калибровочных цифр и повторно применив эту информацию к записанным необработанным данным.

тензодатчик | инструмент | Britannica

тензодатчик , устройство для измерения изменений расстояний между точками твердых тел, возникающих при деформации тела. Тензодатчики используются либо для получения информации, на основе которой могут быть рассчитаны напряжения (внутренние силы) в телах, либо в качестве показывающих элементов на устройствах для измерения таких величин, как сила, давление и ускорение.

До 1930-х годов в большинстве тензодатчиков использовались составные механические рычажные системы или зеркала и оптические рычаги. Обычными были увеличения от 1200 до 1, и были измерены деформации всего около 1 микрона (0,00005 дюйма). Калибр этих инструментов составлял от ¹/₂ до 1 дюйма (1 ¹/₄ до 2 ¹/₂ см), а их сравнительно большой размер и вес сделали их непригодными для использования. точного реагирования на колебания деформации в результате динамической нагрузки.

Тензорезистор — ценный инструмент в области экспериментального анализа напряжений. Он работает по принципу, обнаруженному британским физиком Уильямом Томпсоном (позже лордом Кельвином) в 1856 году, что электрическое сопротивление медной или железной проволоки изменяется, когда проволока либо растягивается, либо сжимается.

Калибр, показанный на рисунке, состоит из отрезка очень тонкой проволоки, скрученной в виде сетки и скрепленной между двумя листами очень тонкой бумаги. Он прочно приклеен (приклеен) к поверхности, на которой должна быть измерена деформация, и запитывается электрическим током.Когда деталь деформируется, калибр следует за любым растяжением или сжатием поверхности, и его сопротивление соответственно изменяется. Это изменение сопротивления усиливается и преобразуется в деформацию после надлежащей калибровки.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Проволочные сетки были первой коммерческой формой измерителя сопротивления; теперь они производятся в виде плоской фольги с помощью печатных технологий в виде сетки на пластиковой основе.

Измерители сопротивления изготавливаются различных форм, размеров и типов, в основном размером с почтовую марку; возможна измерительная длина от 0,015 дюйма (0,038 см), и могут быть обнаружены деформации до 0,000001 дюйма на дюйм. Эти датчики можно использовать на поверхности практически любого твердого материала или врезать внутрь бетона; будучи легкими, они особенно подходят для измерения быстро меняющихся деформаций и деформаций вращающихся валов.

Измерители сопротивления можно разделить на датчики, i.

Тензометрические датчики силы | Kistler

Как работают тензометрические датчики силы?

Где применяются тензометрические датчики силы?

Тензометрические датчики — MirMarine

Литература

Похожие статьи

Тензометрические измерительные преобразователи и индикаторы

Измерительный усилитель MV128

Технические характеристики

Предварительный усилитель PAM2

Технические характеристики

Кабельный усилитель CA

Технические характеристики

Щитовые измерительные преобразователи

Измерительный усилитель AME2

Технические характеристики

Измерительный усилитель DMA3

Комплект поставки

Технические характеристики

Конструкция

Модульный цифровой усилитель DCX

Дополнительно конфигурируемые функции

Комплект поставки

Цифровой индикатор PM

Технические характеристики

Юстировочное устройство J-Box

Технические характреристики

Tензометрические многофункциональные преобразователи

Тензометрические измерительные преобразователи с полевыми шинами

Для чего нужны тензометрические датчики?. Расходомеры. Водомеры.

Как работают датчики деформации?

Тем не менее что же такое напряжение?

Напряжение материалов

Типы датчиков деформации

Механические

Гидравлические

Тензорезисторы (за счет изменения электрического сопротивления)

Оптические датчики деформации

Пьезоэлектрические датчики деформации

Как они работают, приложения и типы

Что такое тензодатчики и как они работают?

Типы тензодатчиков

Тензорезистор для четверть моста

Розетки тензометрических датчиков

Пьезорезистор

Где купить тензодатчики

Приложения для тензодатчиков

Заключение

Измерение деформации тензодатчиками

Что такое тензодатчик?

Что такое тензодатчик | КИОВА

| Как это работает и как выбрать

Что такое тензодатчик?

Как работает тензодатчик?

Каковы преимущества тензодатчиков?

Какие типы датчиков веса?

Как выбрать датчик веса для вашего приложения?

— обзор

Типы манометров

тензодатчик | инструмент | Britannica

Читайте также

Что делать, если грудничок не спит днем: советы по налаживанию режима сна

Антигистаминные препараты для новорожденных: лечение и профилактика аллергии у грудничков

Методика «Цветоник» М. Лазарева для музыкального развития детей

Добавить комментарий Отменить ответ