Тензорезистор это: Тензорезисторы определение и принципы работы

Тензорезисторы определение и принципы работы

Что такое деформация?

Внешнее усилие, прикладываемое к упругому материалу, создает механическое напряжение, которое, в свою очередь, вызывает деформацию материала. В случае, если приложено усилие растяжения, длина материала L увеличивается и становится равной L + ΔL. Отношение ΔL к L, т.е. ΔL/L, называется деформацией. С другой стороны, если приложено усилие сжатия, длина L уменьшается до значения L-ΔL. В этом случае деформация равна (-ΔL/L).

Что такое тензорезистор?

Электрическое сопротивление металла изменяется пропорционально механической деформации, вызванной приложенным к металлу внешним усилием. При креплении тонкого слоя металла к объекту измерения поверх тонкого слоя диэлектрика, металл деформируется в зависимости от деформации объекта измерения и изменения его электрического сопротивления. Таким образом, тензорезистор — это чувствительный элемент, преобразующий собственную деформацию в изменение электрического сопротивления.

Конструкция тензорезистора

Тензорезистор состоит из решетки, выполненной из тонкой проволоки или металлической фольги, уложенной на изоляционную подложку, и подсоединенных выводов тензорезистора.

Принцип работы тензорезистора

При деформации объекта измерения эта деформация передается резистивной проволоке или резистивной фольге тензорезистора через его основание (подложку). В результате сопротивление проволоки или фольги изменяется. Это изменение точно пропорционально деформации,что отражает следующее уравнение:

Если R=R1=R2=R3=R4, сопротивление тензорезистора, из-за деформации, меняется и становится равным R+ΔR. Таким образом, изменение выходного напряжения Δe из-за деформации задается следующим выражением:

При измерении деформации с помощью тензорезистора, он подключается к измерительному прибору, называемому тензометром. Тензометр содержит мост Уитстона и подает напряжение возбуждения. Измеренное значение деформации отображается на цифровом дисплее и/или выводится в виде аналоговых сигналов.

На нашем сайте Вы можете купить (заказать) качественные японские тензорезисторы от производителя, аксессуары и химию (клеи и защитные покрытия) для тензорезисторов с отличным соотношением цена-качество. Для этого отставьте заявку на обратный звонок и наши специалисты свяжутся с вами в ближайшее время или напишите нам сообщение. В комментарии можно указать, какие модели тензорезисторов вы бы хотели заказать.

Принцип работы тензорезисторов и тензодатчиков

Опубликовано 30.06.2016

Принцип работы

Тензорезисторы

Тензорезисторы – это резисторы, сопротивление которых зависит от их деформации.

Широко используются решётчатые чувствительные элементы из тонкой металлической резистивной фольги.

Пьезорезисторы

Пьезорезисторы – это полупроводниковые датчики, сопротивление которых зависит от деформации.

Тензодатчики

Тензорезисторы являются основой тензодатчиков (Strain Gauge), служащих для косвенного измерения силы (веса, давления, момента, ускорения, перемещения) по деформации калиброванного элемента (пружины, стержня), вызванного действием этой силы.

Весоизмерительные ячейки

Весоизмерительные ячейки (Load Cell) – это тензодатчики, конструкция которых позволяет использовать их для измерения веса в различных промышленных приложениях (платформенные весы, резервуарные весы, конвейерные весы и т.п.).

Специальные монтажные компоненты компенсируют нежелательные (горизонтальные) нагрузки на весоизмерительную ячейку:

• Самоцентрирующаяся качающаяся опора
• Ограничитель качания
• Стопор подъёма
• Эластичная опора
• Изгибная опора и др.

Мост Уитстона (Weatstone Bridge)

Мост Уитстона используется для регистрации изменения сопротивления.

В тензодатчиках с помощью моста Уинстона измеряют деформацию.

На упругий стержень наклеиваются четыре тензорезистора: 1,2,3 и 4 (см. рисунок) с одинаковыми характеристиками. Тензорезисторы включаются в плечи моста так, как показано на рисунке справа. На диагональ a-b моста подаётся постоянное напряжение E, диагональ c-d является измерительной. В ненагруженном состоянии мост сбалансирован и выходное напряжение моста U равно нулю.

Под воздействием силы F стержень деформируется, тензорезисторы 1 и 4 сжимаются, а тензорезисторы 2 и 3 растягиваются. Выходное напряжение моста U пропорционально силе F.

Как выбрать

Датчики силы, весоизмерительные ячейки

• Приложение силы
• Сжатие
• Растяжение
• Сжатие и растяжение
• Конструкция
• Балочного типа:
• изгибный стержень
• срезной стержень
• Изгибная кольцевая пружина
• S — образная (тензодатчики сжатия-растяжения)
• Прямоугольная (Single Point)
• Датчики сжатия мембранного типа
• Датчики сжатия типа колонна
• Специальное применение
• Платформенные весы
• Путевые весы
• Резервуарные весы
• Подвесные весы
• Конвейерные весы
• Ленточные весы
• Рольганговые весы
• Бункерные весы
• Диапазон измерений (Н, кгс)
• Точность измерений
• Нелинейность
• Гистерезис
• Максимальная безопасная перегрузка
• Защита от перегрузки
• Ресурс (число циклов измерений)
• Выходной сигнал.

Акселерометры (датчики ускорения)

• Диапазон измерений (м/с²)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Безопасная перегрузка
• Частотный диапазон
• Выходной сигнал.

Датчики перемещения

• Диапазон измерений (мм)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Усилие при измерении (Н)
• Индикаторная шкала
• Выходной сигнал.

Датчики крутящего момента

• Диапазон измерений (Нм)
• Нелинейность
• Гистерезис
• Безопасная перегрузка
• Ограничитель перегрузки
• Максимальная частота вращения
• Выходной сигнал.

Общее для всех тензодатчиков

• Выходной сигнал
• Степень защиты корпуса
• Материал
• Класс взрывозащиты
• Напряжение питания.

---

Анализаторы газа и жидкости

Системы идентификации

10.1.    Тензорезисторы | Электротехника

Полупроводниковым тензорезистором называют преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления, прин­цип действия которого основан на тензорезистивном эффекте, а чувствительный элемент его выполнен из полупроводника.

Тензорезистор (10.1, а, б) представляет собой полупроводниковую тонкую пластинку или пленку, нанесенную на изоляционную подложку, которая имеет два вывода.

Вид ВАХ полупро­водникового тензорезистора (рис. 10.1, в) зависит от температурной характеристики его сопротивления, каждая точка характеристики соответствует определенной рассеиваемой мощности, а следователь­но, и определенной температуре. ВАХ тензорезистора можно разде­лить на два участка: АБ – восходящая ветвь, от начала координат до точки максимума; БВ – участок с отрицательным наклоном, от точки максимума до точки, соответствующей максимально допусти­мой температуре.

Основными параметрами тензорезистора являются: начальное сопротивление (R) – сопротивление между выводами тензорезистора при нормальной температуре и начальное значение деформации.

Тен­зорезистор представляет собой однородное по удельному сопротив­лению тело постоянного сечения, по­этому

,                                                     (10.

1)

где  – удельное сопротивление по­лупроводника; а, b, l – ширина, вы­сота и длина кристалла.

Так как ВАХ тензорезистора нелинейна, начальное сопротивление зависит от значения установившегося тока:. Дифференциальное сопротивление равно: . Его значение на участке АБ характеристи­ки (рис. 10.1, в) положительно, в точке Б равно нулю, а на участке БВ отрица­тельно.

Чувствительность тензорезистора (S) – это отношение прираще­ния выходного сигнала тензорезистора к вызвавшей его деформации, направленной вдоль его главной оси:

,                                                         (10.2)

где  – относительное изменение длины чувствительного эле­мента (деформация).

Чувствительность зависит от типа электропроводности, удель­ного сопротивления материала, уровня деформации. На рис. 10.2 показана зависимость относительного изменения сопротивления кремниевого тензорезистора от относительной деформации для ма­териалов с электропроводностью

п- и p-типов.

Температурный коэффициент сопротивления () – это относи­тельное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 К (в процентах):

.                           (10.3)

В зависимости от значения удельного сопротивления () может быть как положительным, так и отрицательным.

К предельным режимам тензорезистора относятся:

· максимально допустимая мощность () максимальная мощность рассеяния на тензорезисторе, при которой сохраняется заданная надежность;

· предельная деформация (),  деформация, пре­вышение которой вызывает выход из строя тензорезистора. Значе­ние предельной деформации в основном определяется материалом, площадью поперечного сечения и качеством обработки поверхности.

Для изготовления тензорезисторов применяют германий, крем­ний, арсенид и антимонид галлия. Чаще всего используют кремний вследствие лучшей теплоустойчивости. Одним из основных требо­ваний к материалу является возможно более высокая тензочувствительность. Тензорезисторы изготавливают как из монокристалли­ческого, так и из поликристаллического материалов. Монокристаллы получают методами выращивания и эпитаксии.

Тензорезисторы изготавливают в виде бруска, проволоки, плен­ки. Они могут быть закреплены на подложке и выполнены без под­ложки. Тензорезисторы применяют в датчиках давления, усилий, на­пряжений, в датчиках малых перемещений, датчиках крутящего момента. Включаются тензорезисторы обычно по мостовой или потен­циометрической схеме. Работают они как на постоянном, так и на переменном токе.

резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторо

                                     

3. Электрическая схема подключения тензорезистора

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока диагональ моста A — D. С помощью переменного резистора R 2 {\displaystyle R_{2}} производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B — C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R 1 R 2 = R x R 3 {\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}} напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R x {\displaystyle R_{x}} например, увеличивается при растяжении, это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R x {\displaystyle R_{x}} и R 3 {\displaystyle R_{3}} точки B и изменение напряжения диагонали B — C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R 3 {\displaystyle R_{3}} включают такой же тензорезистор, как и R x {\displaystyle R_{x}}, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Проблемы применения тензорезисторов и методы их решения

Дрейф нуля

Как известно, в процессе применения тензорезисторов самой сложной и часто встречаемой проблемой является дрейф нуля. Данное явление обусловлено рядом причин, подробное описание которых представлено ниже.

Эффект сопротивления изоляции. Сопротивление изоляции — важная характеристика тензорезисторв. Дрейф нуля напрямую зависит от её величины. Под сопротивлением изоляции понимается сопротивление, получаемое между чувствительной решеткой тензодатчика и элементами объекта измерения. Если изоляция будет нарушена, то появится ток утечки между решеткой тензодатчика и элементами объекта измерения. По этой причине будет нарушена стабильность нуля преобразователя, это явление и называют дрейфом нуля. Необходимо ответить на два вопроса: почему это происходит и как решить данную проблему — ниже предложено подробное объяснение причин и варианты решения возникших проблем.

1. Если датчики после подпайки проводов не были вымыты или вымыты, но не тщательно, то это приведет к нарушению сопротивления изоляции. Проблема состоит в том, что мы используем паяльный флюс, а флюс — активный кислотный материал. Это ионосодержащее вещество и если от его остатков полностью не очистить поверхность, то движение положительных ионов приведет к нарушению сопротивления изоляции.
2. Если во время подпайки выводов наконечник паяльника острый или же температура слишком высока, или время пайки длится дольше положенного времени, это может вызвать повреждение подложки тензорезисторов, что тоже ведёт к нарушению изоляции. Следовательно, чтобы избежать подобной ситуации и связанных с ней проблем, мы должны предварительно осмотреть и проверить состояние носика паяльника, и для того чтобы не повредилась подложка датчика, необходимо контролировать температуру паяльника — не выше, чем 2500C; паять короткими временными промежутками.
3. Попадание влаги на тензорезистор также может стать причиной нарушения изоляции. Основные причины — недостаточная влагозащита или слишком высокая влажность при наклейке тензорезистора. Следует учитывать, что при использовании тензорезистора уровень влажности по возможности не должен превышать 60% во избежание негативного воздействия влаги, попавшей из воздуха, на стабильность работы тензорезистора.
4. Повреждение тензорезисторов. Подобная ситуация происходит, главным образом, во время наклейки тензорезистора. Например, если мы используются слишком твердые амортизирующие прокладки для зажима тензорезистора или поверхность объекта измерения или упругого элемента может быть слишком шероховатой или содержать шип, зарубку или подобный дефект.

Дефекты, возникающие при наклеивании тензорезисторов.

1. После наклейки под подложкой тензорезистора могут оставаться пустоты и полости, что вызывает дрейф нуля. В данной ситуации можно на свет увидеть на датчике пятно. Или если прижать датчик каким-либо мягким предметом, то сопротивление тензорезистора изменится, и когда уберем мягкий предмет, то сопротивление вернется к прежнему значению. Из-за того, что под подложкой тензорезистора присутствуют пустоты и полости, то после наклейки тензорезисторов , только часть их будет нагреваться (охлаждаться) от контакта с упругим элементом, что может привести к температурному дрейфу нуля.
2. На месте наклейки тензорезистора нанесен очень толстый слой клея, имеется клеевой нарост или небольшой выдающийся откос — все это может вызвать дрейф нуля. Главная причина состоит в том, что объекты измерения или упругие элементы не были очищены должным образом и имеются шероховатости, или клей не нанесён равномерно либо в избыточном количестве.

Дефект влагозащиты

1. Промокание тензорезисторов. Этот дефект можно наблюдать в микроскоп и увидеть, что на поверхности имеется заостренная точка или извилистая сетка. Главная причина — слишком высокая влажность, избыток воды в пропитке, в результате в тензорезисторы попадает влага.
2. Влагозащитная плёнка отслоилась. Может отслоиться как вся пленка, так и какая-то ее часть. Главная причина — недостаточно прочная адгезия пленки и чувствительной решетки из-за неравномерного распределения температур при наклеивании.

Изменения сопротивления после наклейки.

Обычно сопротивления не значительно изменяется после наклейки. Однако, в некоторых случаях, наши клиенты отмечают, что величина сопротивления заметно изменяется после наклейки. Причины могут быть следующими:

1. Давление при наклейке было слишком велико. Обратите внимание, что рекомендуемая величина давления при наклеивании составляет -0.15MPa~0.3MPa.
2. Давление при наклейке не было равномерным, что вызывало деформацию решеток и привело к изменениям величины сопротивления. Основной причиной является неправильная фиксация при процессе придавливания или неправильность проведения процесса придавливания, что приводит к неравномерности распределения усилий при наклеивании тензорезисторов.
3. Радиус кривизны крепления не соответствует радиусу кривизны упругого элемента, что может вызвать деформацию тензорезисторов, появлению выступающих откосов.
4. Изменения сопротивления в процессе использования по истечении некоторого времени. Причина — появление пузырьков воздуха под подложкой, наличие незаполненных областей, полостей, некачественное спаивание и т.д.

Поверхностный дефект после приклеивания.

Подытоживая, можно сказать, что основными дефектами в процессе наклейки тензорезисторов являются незаполненные области или полости, откосы, нанесение клея неравномерным слоем или в избыточном количестве, клеевые наросты, впадины и т.д. При этом следует отметить, что если откос или небольшая впадина не находятся в области чувствительной решетки, то тензорезистор остается пригодными к использованию. Следует тщательно проверить место крепления резисторов после наклейки на наличие этих дефектов. Кроме того, необходимо обязательно своевременно проверять сопротивление тензорезисторов и их сопротивление изоляции, чтобы избежать погрешностей измерения и ненужных манипуляций в ходе эксплуатации оборудования.

Как работает тензорезисторный датчик? Способы диагностики тензорезисторных датчиков.

Здравствуйте, друзья! Немного расскажу о тензорезисторных датчиках и о том как проверить тензодатчик на исправность. Часто случается ситуация, когда приходится менять неисправные тензодатчики в весах, и когда мы отдаем неисправный тензодатчик клиенту, клиент искренне не понимает, что с датчиком не так, спрашивает: “Что в нем сгорело?” Мы отвечаем, что ничего, датчик деформирован. Клиент смотрит на деталь, но никакой деформации не видит, думает: может обмануть хотят? Но мы не обманываем, датчик действительно неисправен. Просто на глаз неисправность тензодатчика не определить. И вот почему. 

 

 

Начнем с того, что тензорезисторный датчик представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует механическое воздействие в электрический сигнал. 

 

Механическая часть состоит из тела, которое подвергается нагрузке. 

 

Измерительная часть — это тензорезисторный мост. 

 

Чаще всего тензорезисторные датчики изготавливают из стали или алюминия. 

 

Формы тензорезисторных датчиков могут быть различными, одна из самых популярных — консольная балка. 

 

При изготовлении балочного тензодатчика металлическая балка обрабатывается таким образом, что в теле балки создаются технологические прослабления — полости.  

 

В местах, где создается меньшая толщина материала балка более чувствительна к механической деформации.  

 

В этих участках создается наибольшее механическое напряжение при прикладывании силы к балке. Механическое напряжение — это мера деформации упругого тела. Если сильно упростить скажем так — там где тонко, там гнется сильнее. 

 

Для примера возьмем консольные балочные датчики, которые используются в торговых весах.  

 

Вот алюминиевая балка с полостью. Где больше всего выбрано материала, там и создаются наиболее чувствительные к деформации участки. На этих участки и наклеиваются тензорезисторы. 

 

Тензорезистор — это тонкопленочный резистор, который растягивается или сжимается вместе с материалом на который этот резистор приклеен. Когда тензорезистор растягивается, то сечение его проводника уменьшается, а длина увеличивается, представьте резинку, если ее растянуть — она становится тоньше, но длинее. Так и в тензорезисторе при растяжении или сжатии меняется сечение проводника и длина, в следствии чего меняется и электрическое сопротивление тензорезистора.

  

 

Как мы знаем, чем тоньше и длиннее проводник, тем току будет сложнее по нему пройти, чем толще и короче проводник, тем току проще пройти. Это как с водой в трубе, чем труба длиннее и тоньше, тем воде сложнее пройти, чем труба короче и толще, тем воде проще через нее пройти.  

 

Подытожим:  

 

Тензорезистор наклеивается на материал  

 

Материал получает упругую деформацию  

 

Тензорезистор вместе с материалом растягивается или сжимается 

 

Тензорезистор изменяет сопротивление  

 

В свою очередь изменяется и ток, который протекает по тензорезистору 

 

Так мы переходим ко второй части тензодатчика — измерительной. Как я уже сказал измерительная часть состоит из резисторов, которые соединены в мостовую схему. 

 

Изображу схему резисторного моста. Наиболее простая схема состоит из четырех резисторов. 

 

Такое соединение имеет диагональ питания. И сигнальную диагональ. На диагональ питания подается напряжение, и ток потечет от одного полюса к другому, через ветви моста, назовем их левая и правая ветви для наглядности. Тензорезисторы подобраны таким образом, что левая и правая ветвь имеет одинаковое электрическое сопротивление.  

 

Давайте упростим схему. Сложим сопротивление резисторов R1+R2 и сопротивление резисторов R3+R4 по правилу последовательного соединения. Теперь мы получили два резистора, которые соединены параллельно. Когда эти два параллельных сопротивления одинаковы, то ток будет протекать по ним одинаковый — это так называемый делитель тока.  Поскольку ток при равных сопротивлениях ветвей моста будет протекать одинаковый, то в точках измерительной диагонали разности потенциалов возникать не будет. В таком случае мост называют сбалансированным. 

 

Как только к тензодатчику прилагается усилие, сопротивление ветвей меняется, мост получает разбаланс, по ветвям начинает протекать разный ток, в следствии перекоса тока, в точках измерительной диагонали появится разность потенциалов, которую можно измерить мультиметром.  

 

Перейдем к нашим образцам. Это два консольных балочных датчика. Они имеют одинаковые формы, размеры и электрические параметры, но при этом один из них исправен, а другой — нет, он был подвержен необратимой деформации. Но по внешнему виду невозможно понять, где же исправный датчик, а где деформированный. 

 

Почему так происходит? Дело в том, что тензорезисторный датчик при допустимой механической нагрузке испытывает обратимые (упругие) деформации — это значит, что когда с датчика нагрузку убирают, то он возвращается к первоначальной форме. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей). 

 

Если же к датчику приложить разрушающую нагрузку, то он выйдет за предел упругости, это значит, что когда нагрузку уберут, то датчик уже не вернется в первоначальное состояние. В основе необратимых деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение). 

 

Т.е. деформация в тензодатчике проходит на атомно-молекулярном уровне и поэтому невозможно увидеть деформацию невооруженным взглядом. Но иногда, конечно бывает, что датчик разрушается физически, для этого датчику необходимо получить нагрузку в сотни или тысячи раз больше, чем та, на которую он рассчитан. 

 

Но по каким критериям можно определить работоспособность тензорезисторного датчика? Работоспособность тензоресисторного датчика выявляют по показаниям тензорезисторного моста. Для этого используют два критерия: 

 

Замер сопротивлений тензомоста 

 

Замер выходного сигнала тензомоста (замер начального разбаланса) 

 

Замер сопротивлений тензомоста в большинстве случаев не дает стопроцентного результата в определении исправности датчика, а помогает выявить наличие/отсутствие обрыва в цепи тензомоста. Ну, если датчик очень сильно деформирован, тогда да, по сопротивлению будет понятно исправен датчик или нет. Но зачастую так бывает, что сопротивления тензомоста в норме и близки к паспортным значениям, а весы с таким датчиком не работают. Тогда на помощь приходит вторая методика — замер начального разбаланса. 

 

Как я уже рассказывал выше, тензорезисторный мост сбалансирован, когда по его ветвям протекает одинаковый ток, в таком случае в точках сигнальной диагонали напряжение будет нулевым. Как только датчик подвергается нагрузке, мост получает разбаланс, сопротивление ветвей начинает отличаться, ток по ветвям потечет разный, и в точках измерительной диагонали появляется напряжение. 

 

Это напряжение тем больше, чем больше нагрузку получает датчик. Если вообще все очень сильно упростить, то весы это вольтметр, который замеряет напряжение на сигнальной диагонали тензомоста и пересчитывает милливольты в единицы массы. 

 

Какая допустимая величина начального разбаланса тензомоста? Как определить порог, после которого величина выходного сигнала тензодатчика считается завышенной, а датчик неисправным.  

 

Нулевой выходной сигнал — это идеальный уровень сигнала ненагруженного исправного тензодатчика (0 милливольт).  

 

Уровень выходного сигнала ненагруженного тензодатчика, замерив который можно смело отбраковать датчик рассчитывается так: 

 

Берется напряжение питание тензодатчика, к примеру 5 вольт 

 

Перемножается на коэффициент чувствительности тензодатчика (РКП), для настольных весов это чаще всего 1.2 милливольта/вольт. 

 

Получаем 6 милливольт — это тот сигнал, который будет выдавать тензодатчик при полной нагрузке (полный сигнал). 

 

Начальный разбаланс моста тензодатчика не должен превышать 10% от полного сигнала. Т.е. в нашем случае 0.6 милливольта. 

 

По результатам измерений параметров дву датчиков выявляем неисправный.

 

Неисправный тнзодатчик хоть и имеет завышенный почти в четыре раза начальный сигнал, но тем не менее продолжает реагировать на нагрузку. Несмотря на это, в весах его использовать уже нельзя. Но почему так делается, ведь датчик реагирует на нагрузку и при большей деформации? Почему весы уже не могут работать с таким тензодатчиком, ведь мультиметр замеряет сигнал и мы можем его видеть?  

 

Дело в том, что производитель должен гарантировать линейность показаний тензодатчика, стабильность показаний тензодатчика, и верность показаний. Если в промышленности допускать применение тензодатчиков, с начальной деформацией более 10%, то цена ошибки может быть высокой. А предсказать, как себя поведет такой деформированный датчик и что он наизмеряет никто не сможет. 

 

Платформенные весы — характеристики тензодатчиков

На рынке промышленной весоизмерительной техники представлено множество типов весов. Самые популярные из них, это весы для животных (весы для крс), складские весы, и много типов платформенных весов.

Существует несколько компонентов от качества которых зависит качество промышленных весов. В этой статье я буду говорить о тензодатчиках и тензорезисторах, мы рассмотрим принцип их работы и то, насколько важно их качество.

Тензодатчик — один из самых важных компонентов в промышленных весах. То, как он работает в паре с весовым индикатором напрямую влияет на работу всей весоизмерительной системы. Многие весы из низкой ценовой категории используют дешевые тензодатчики, не понимая, что качество весов при этом значительно ниже.

Главный компонент тензодатчика — это тензорезистор. Тензорезистор — это резистор (сопротивление), который при изменении нагрузки, изменяет свое сопротивление. Тензорезистор наклеивается на металлическую балку, что в совокупности дает весоизмерительный датчик. Тензодатчик, как правило, имеет крепежные отверстия для установки в грузопримную конструкцию. Существуют также модели тензодатчиков, которые устанавливаются на весах при помощи другого компонента, называемого узлом встройки.

Тензорезисторы чувствительны к внешним факторам, таким как влажность и температура. Дешевые тензодатчики намного более хуже защищены от воздействия этих факторов. В конечном счете это влияет на погрешность весов.

Тензодатчики определяют следующие характеристики весов:

Линейность

Тензодатчики может иметь график измерения, изображаемую в виде гистерезиса. Такие тензодатчики более склоны к возникновению случайных погрешностей. Наиболее оптимальный график это прямая линия направленная под углом 45 C. В таком случае изменение нагрузки (увеличение и уменьшение) будет восприниматься тензодатчиком линейно.

Точность

Это именно тот параметр, который показывает, насколько значение нагрузки на тензодатчик отличается от значения веса отображаемого на весовом индикаторе. Весы с высокой точностью могут отображать корректно вес до 100т с точностью не более 10кг.

Повторяемость

Этот параметр показывает, насколько могут отличаться значения сигналов с тензодатчика при многократных нагружениях одним и тем же весом.

Эксцентричность

Этот параметр имеют одноточечные тензодатчики параллелограмного типа. Этот параметр показывает насколько зависит погрешность тензодатчика от неравномерности его нагружения. Поэтому платформенные весы с одним датчиком, изготавливаются с платформой не более 1х1м. Это максимально возможный размер платформы, при котором погрешность весов будет удовлетворять требованиям ГОСТа по точности. Для того, чтобы полноценно окунуться в мир азартных развлечений  Пин Ап казино, вам необходимо создать новую учётную запись. Это можно сделать одним из трех способов:  Воспользоваться адресом электронной почты;  Воспользоваться номером мобильного телефона;  Воспользоваться социальными сетями.  Проще всего создать аккаунт с помощью социальных сетей. Для этого достаточно авторизоваться и привязать аккаунт к cordbloodsymposium.org Pin Up Casino. Только после этого вы сможете пополнять депозит и играть в любимые слоты. 

Что такое тензодатчик и как он работает? • Michigan Scientific

Что измеряют тензодатчики?

Первое, что нужно понять при обсуждении тензодатчиков, — это то, что они измеряют. Тензодатчик — это датчик, измеренное электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от деформации. Деформация — это деформация или смещение материала в результате приложенного напряжения. Напряжение — это сила, приложенная к материалу, деленная на площадь поперечного сечения материала. Тензодатчики предназначены для фокусировки напряжения через элементы балки, на которых расположены тензодатчики.Тензодатчики преобразуют приложенную силу, давление, крутящий момент и т. Д. В электрический сигнал, который можно измерить. Сила вызывает деформацию, которая затем измеряется тензодатчиком путем изменения электрического сопротивления. Затем измерения напряжения собираются с помощью сбора данных.

Как измеряется деформация?

Теперь, когда процесс измерения деформации установлен, следующим шагом при использовании тензодатчиков является получение полезных данных.Тензодатчик должен быть подключен к электрической цепи, способной точно реагировать на мельчайшие изменения сопротивления, связанные с деформацией. В схеме с разделенным мостом можно использовать несколько тензодатчиков для измерения небольших изменений электрического сопротивления. Это называется мостом Уитстона. В конфигурации моста Уитстона напряжение возбуждения прикладывается к цепи, а выходное напряжение измеряется в двух точках в середине моста. Когда на тензодатчик не действует нагрузка, мост Уитстона сбалансирован и выходное напряжение равно нулю.Любое небольшое изменение материала под тензодатчиком приводит к изменению сопротивления тензодатчика, поскольку он деформируется вместе с материалом. Это приводит к нарушению баланса моста, что приводит к изменению выходного напряжения. Как указывалось ранее, изменение сопротивления незначительное, а это означает, что для правильного определения изменений часто требуется усиление сигнала. Процесс усиления усиливает изменения сигнала деформации; однако это также приводит к обнаружению большего количества нежелательного шума в сигнале.Обработка сигнала отфильтровывает избыточный шум, обеспечивая точные и понятные данные.

Michigan Scientific предоставляет ресурсы, необходимые для получения наилучших результатов измерения силы и крутящего момента. Мы производим одноканальные тензометрические усилители и многоканальные тензометрические усилители для наших сборок контактных колец. Эти усилители отличаются высокоточным возбуждением моста, регулируемыми извне шунтирующим сопротивлением и усилением, а также возможностью дистанционного включения / выключения возбуждения моста.Наши усилители создают сильные сигналы с минимальным шумом. Наряду с нашими продуктами, наш штат высококвалифицированных технических специалистов способен измерить различные детали и области применения. Чтобы узнать больше о наших продуктах и ​​услугах или сделать запрос, свяжитесь с Michigan Scientific сегодня.

Представленное изображение любезно предоставлено Кристианом В. / CC BY.

Что такое тензодатчик | КИОВА

Взаимосвязь между выходными сигналами тензорезистора и тензодатчика
Подключите тензодатчики к электрической цепи, которая называется мостом Уитстона.Целесообразно 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 универсального фольгового тензодатчика KFGS составляет ок. 2.
Предположим, что напряжение возбуждения моста равно E, сопротивление тензорезистора равно R (Ом), а измененное значение сопротивление из-за удлинения или усадки R (Ом).
Рассчитайте выходное напряжение e (В) по следующей формуле.

Связь между деформацией и напряжением
Непосредственно узнать напряжение объекта или материала сложно.
Таким образом, мы рассчитываем напряжение, измеряя основанную на напряжении «деформацию».
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».

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 подложке, 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 величине деформации, испытываемой испытываемым 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 на датчик.

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 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.

Рисунок 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 цепь делителя напряжения, а R ₄ и R ₃ составляют вторую цепь 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 рис. 4 на активный тензодатчик, любые изменения сопротивления тензодатчика приведут к дисбалансу моста и получению ненулевого выходного напряжения, которое является функцией деформации.

Тензодатчик

Аэродинамики используют аэродинамические трубы тестировать модели предлагаемых деталей самолетов и двигателей.Во время теста модель помещается в тестовая секция туннеля, и воздух проходит мимо модели. Различные типы тестов можно проводить в аэродинамической трубе. Некоторые тесты проводятся для непосредственного измерения аэродинамических характеристик. силы и моменты на модели. Самым основным типом инструментов, используемых в этом типе тестирования, является баланс сил. Чтобы измерить силу, мы используем какой-то тип механический или электрическая система , выход которой изменяется при приложении силы к системе. В современных аэродинамических трубах обычно используются электрические тензодатчики до определить силы на модели. Несколько датчики можно использовать для определения всех трех сил и трех моментов. На этой странице мы рассмотрим работу тензодатчика .

Как показано на рисунке, тензодатчик состоит из длинного тонкого электрического провода, который петли назад и вперед и надежно прикреплены к куску материала, называемого подложкой .Когда к подложке прилагается сила F , подложка и прикрепленный провод растянуты. На рисунке растяжение сильно преувеличено; относительный размер Тензодатчик показан на картинке посередине рисунка. По мере натяжения проволоки длина l увеличена, а площадь поперечного сечения A уменьшена. В электрическое сопротивление R в проводе определяется по формуле:

R = (rho * l) / А

где rho — удельное сопротивление материала проволоки.Сопротивление обратно пропорционально проводимость материала. Растягивание проволоки приводит к увеличению сопротивления. Во время работы на датчик подается постоянное известное напряжение В, . ток и через манометр измеряется циферблатом в пункт управления. Из Закон Ома для электрической цепи ток зависит от напряжения и сопротивления

я = V / R

Растяжение провода изменяет сопротивление провода, что изменяет выходной ток цепи.После калибровки с использованием известной силы выходной ток обратно пропорционален. приложенной силе F .

я ~ 1 / F

Теперь у нас есть инструмент, который можно использовать для измерения силы в любом внешний или внутренний баланс. Однако есть некоторые условия, которые необходимо тщательно контролировать, чтобы точное измерение силы. Сделано предположение, что растяжение проволоки такое же, как и растяжение подложки.Это верно только до тех пор, пока провод жестко прикреплен к подложке. Необходимо соблюдать осторожность при строительстве, эксплуатации и обращении. датчика, чтобы гарантировать, что провод остается прикрепленным к подложке. Подложку и проволоку также можно «растянуть» путем нагрева элемента. Изменение по длине провода за счет нагрева регистрируется как приложенная сила, когда никакая сила не прилагается. Для устранения температурного воздействия на манометре к модели обычно прикрепляют несколько манометров. Схема моста Уитстона.Работа Схема моста Уитстона приведена на другой странице.

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Измерение деформации

ГЛАВА 7: Измерение деформации
Обратите внимание: в онлайн-отрывках цифры были опущены.

ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ДЕЙСТВИЯ

Тензодатчики — это чувствительные устройства, используемые в различных физических испытаниях и измерениях.Они изменяют сопротивление на своих выходных клеммах при растяжении или сжатии. Из-за этой характеристики датчики обычно прикрепляются к поверхности твердого материала и измеряют его мельчайшие изменения размеров при сжатии или растяжении. Тензодатчики и тензодатчики часто используются в устройствах для измерения ускорения, давления, натяжения и силы. Деформация — это безразмерная единица измерения, определяемая как изменение длины на единицу длины. Например, если штанга длиной 1 м тянется до 1.000002 м, деформация определяется как 2 микродеформации. Тензорезисторы имеют характеристический коэффициент измерения, определяемый как относительное изменение сопротивления, деленное на деформацию. Например, 2 микродеформация, приложенная к датчику с коэффициентом измерения 2, дает частичное изменение сопротивления (2×2) 10 ^-6 = 4×10 ^-6 , или 4 мкВт. Общие значения сопротивления датчика обычно находятся в диапазоне от 120 до 350 Вт, но некоторые устройства могут иметь мощность от 30 Вт до 3 кВт.

КОНФИГУРАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ
Мост Уитстона
Для точного измерения деформации необходимо измерять чрезвычайно малые изменения сопротивления. Мостовая схема Уитстона широко используется для преобразования микродеформации датчика в изменение напряжения, которое может подаваться на вход АЦП (см. Рисунок 7.01). Когда все четыре резистора в мосту абсолютно равны, мост идеально сбалансирован и V _{на выходе} = 0. Но когда один или несколько резисторов изменяют значение только на небольшую величину, мост создает значительное измеримое напряжение. При использовании с прибором тензодатчик заменяет один или несколько резисторов в мосту, и когда тензорезистор претерпевает изменения размеров (потому что он прикреплен к испытательному образцу), он разбалансирует мост и выдает выходное напряжение, пропорциональное напряжение.

Полномостовые схемы
Хотя полумостовые и четвертьмостовые схемы часто используются, полная мостовая схема является оптимальной конфигурацией для тензодатчиков. Он обеспечивает наивысшую чувствительность и наименьшее количество компонентов ошибок, а поскольку полный мост обеспечивает наибольшую мощность, шум является менее значимым фактором при измерении. По этим причинам рекомендуется по возможности использовать полный мост.

Полный мост содержит четыре тензодатчика, установленных на испытательном элементе (см. Рисунок 7.01). Два датчика устанавливаются на поверхности под натяжением, а два других устанавливаются на противоположной поверхности под действием сжатия. По мере отклонения элемента сопротивление двух датчиков при растяжении увеличивается, в то время как два других уменьшаются, нарушая балансировку моста и создавая выходной сигнал, пропорциональный смещению. Выходное напряжение моста определяется выражением:

.

EQN: 7.01. Выходное напряжение полного моста

В _o = (В _ex ) (X)
Где:
В _o = выходное напряжение моста, В
В _ex = напряжение возбуждения, приложенное к мосту, В
X = относительное изменение сопротивления , DR / R

Мост обнуляет потенциальные факторы ошибки, такие как изменения температуры, поскольку все четыре тензодатчика имеют одинаковый температурный коэффициент и расположены в непосредственной близости от образца. Сопротивление подводящего провода не влияет на точность измерения, пока входной усилитель имеет высокое входное сопротивление. Например, усилитель с входным сопротивлением 100 МВт создает незначительный ток через измерительные провода, сводя к минимуму падение напряжения из-за сопротивления проводов.

Цепи полумоста
Если физические условия не позволяют установить полномостовой измерительный прибор, может подойти полумост. Обычно на испытательном элементе устанавливаются два тензодатчика, а мост завершают два дискретных резистора.Выходное напряжение:

EQN. 7.02. Выходное напряжение полумоста

В _o = В _ex (X / 2)
Где:
В _o = выходное напряжение моста, В
В _ex = напряжение возбуждения, приложенное к мосту, В
X = относительное изменение сопротивления , DR / R

Для больших DR полумостовые и четвертьмостовые схемы могут вносить дополнительную ошибку нелинейности (см. Рисунок 7.02). Кроме того, показания не точны, если температурные коэффициенты между резисторами завершения моста и тензодатчиками различны, а сопротивления не изменяются пропорционально температуре.Кроме того, резисторы завершения моста обычно не располагаются рядом с тензодатчиками, поэтому разница температур вносит дополнительные ошибки. В системах с длинными подводящими проводами резисторы завершения моста должны быть прикреплены близко к датчикам; однако это не всегда может быть практичным из-за ограничений испытательного оборудования или других физических условий.

Четвертьмостовые схемы
Четвертьмостовая схема использует один тензодатчик и три резистора завершения моста. Выходное напряжение:

EQN.7.03. Выходное напряжение четвертьмостового моста

В _o = В _ex (X / 4)
Где:
В _o = выходное напряжение моста, В
В _ex = напряжение возбуждения, приложенное к мосту, В
X = относительное изменение сопротивления , DR / R

Эта конструкция имеет наименьшую мощность, поэтому потенциальная проблема — шум. Более того, все источники ошибок и ограничения в полумостовой схеме относятся к четвертьмостовой схеме (см. Рисунок 7.03).

Источник возбуждения
Точные измерения зависят от стабильного, регулируемого и малошумящего источника возбуждения. Регулируемый источник необходим, потому что выходное напряжение тензодатчика также пропорционально напряжению возбуждения. Следовательно, колебания напряжения возбуждения приводят к неточным выходным напряжениям.

Идеальная система сбора данных обеспечивает источник возбуждения для каждого канала, независимо регулируемый от 0,5 до 10,5 В с ограничением тока 100 мА.Напряжение возбуждения V, используемое с тензодатчиком сопротивления R, требует тока I = V / R. Сопротивление моста Уитстона, измеренное между любыми двумя симметричными выводами, равно значению одного из плеч сопротивления. Например, четыре плеча мощностью 350 Вт составляют мост мощностью 350 Вт. Ток нагрузки равен напряжению возбуждения, деленному на сопротивление моста; в данном случае 10 В / 350 = 0,029 А = 29 мА.

Нагрев
Резистивный нагрев в тензодатчиках также следует учитывать, поскольку они реагируют как на температуру, так и на напряжение.В большинстве стандартных схем тепло, рассеиваемое каждым датчиком, составляет менее 100 мВт, поэтому обычно это не проблема. Это особенно верно, когда тензодатчик прикреплен к материалу, который быстро проводит тепло, например к металлу. Однако, поскольку такие материалы, как дерево, пластик или стекло, не отводят тепло так быстро, используйте минимально возможное напряжение возбуждения, не создавая проблем с шумом. Кроме того, нагревание может стать проблемой, когда тензодатчики необычно малы или их множество занимают ограниченное пространство.

Рассмотрим схему Кельвина для подачи напряжения возбуждения. Поскольку по проводам возбуждения протекает небольшой ток, на них падает соответственно небольшое напряжение; V = I / R _L , что снижает напряжение, достигающее клемм моста. Как показано на рисунке 7.04, соединения Кельвина устраняют это падение с помощью пары выводов, добавленных к клеммам возбуждения для измерения и регулирования напряжения моста. Например, когда i _e = 50 мА, R _L = 5 Вт, а суммарное падение напряжения в двух выводах составляет 500 мВ, в измерительных проводах не происходит падения напряжения.

Коммерческое устройство использует соединение Кельвина для измерения и регулирования напряжения на мосту. Он подает напряжение на тензодатчик с одной парой проводов и измеряет его с помощью другой пары, как показано на рисунке 7.05. Шесть проводов используются попарно для Sense, Excite и Measure. Датчик Sense — это контур обратной связи, обеспечивающий постоянное поддержание напряжения Excite в пределах технических характеристик.

Преобразование сигнала тензодатчика
Большинству тензодатчиков и тензодатчиков назначены единицы измерения веса, силы, натяжения, давления, крутящего момента и отклонения, при этом значение полной шкалы измеряется в мВ / В возбуждения.Например, датчик веса с источником возбуждения 10 В и коэффициентом усиления 2 мВ / В генерирует выходной сигнал 20 мВ при полной нагрузке, независимо от того, рассчитан ли датчик нагрузки на 10, 100 или 1000 фунтов. Разница в разрешении системы. То есть небольшой датчик нагрузки на 10 фунтов производит 0,5 фунта / мВ, а большой датчик нагрузки на 1000 фунтов производит 50 фунтов / мВ.

Проводники, несущие такие сигналы низкого уровня, чувствительны к шумовым помехам и должны быть экранированы. Фильтры нижних частот, измерения дифференциального напряжения и усреднение сигналов также являются эффективными методами подавления шумовых помех.Кроме того, инструментальные усилители обычно обрабатывают сигналы тензодатчиков с крайне низким уровнем деформации перед подачей их на АЦП. Например, вход полного диапазона 10 В обеспечивает разрешение 156 мкВ для 16-разрядного АЦП. Коэффициент усиления инструментального усилителя должен быть отрегулирован для обеспечения выходного сигнала тензодатчика или весоизмерительного датчика на полномасштабном уровне во всем диапазоне АЦП.

Датчики

силы и давления обычно генерируют выходной сигнал смещения, когда не применяется внешняя сила. Инструментальные усилители обычно содержат элемент управления, позволяющий отрегулировать это смещение до нуля и позволить весоизмерительной ячейке покрывать весь диапазон АЦП.Большинство инструментов также обеспечивают регулируемое возбуждение и усиление.

Коэффициент подавления синфазного сигнала
Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) необходим для тензодатчиков (см. Главу 5). Сигнал тензодатчика в мосте Уитстона накладывается на синфазное напряжение, равное половине напряжения возбуждения. CMRR — это показатель того, насколько хорошо усилитель отклоняет синфазные напряжения. Например, рассмотрим источник возбуждения 10 В (В _макс. = 5 В) для тензодатчика с 2 мВ / В (В _с = 20 мВ) на полной шкале и усилителя с CMRR 90 дБ ( См. Рисунок 7.06). Усилитель может вносить ошибку 0,158 мВ, что соответствует примерно 0,80% полной шкалы, что может быть неприемлемо:

EQN: 7.04. Коэффициент подавления синфазного сигнала

дБ = 20 log ₁₀ (V _s / V _e )
V _max / V _e = log ₁₀ ^-1 (дБ / 20)
= log ₁₀ ^-1 (90/20)
= 31,622
В _e = В _макс. / лог. ₁₀ ^-1 (дБ / 20)
= 5.00/31622
= 0,158 мВ
% погрешность = (В _e / В _с ) 100
= (0,158 / 20) 100
= 0,79%
Где:
В _e = ошибка напряжения, 0,158 мВ
В _с = напряжение сигнала, 20 мВ
Vmax = максимальное напряжение, 5 В
CMRR = 90 дБ

Для сравнения, CMRR в 115 дБ вводит только 9 мкВ ошибки, что соответствует всего 0,04% от полной шкалы.

Модули формирования сигналов тензодатчиков

обычно обеспечивают регулируемый источник возбуждения с дополнительным возбуждением по Кельвину.Бортовые мостовые резисторы могут быть подключены к четверть- и полумостовым тензодатчикам. Инструментальные усилители обеспечивают регулировку входного и масштабного усиления, а регулировка смещения обнуляет большие покоящиеся нагрузки. Это позволяет входным сигналам использовать весь диапазон системы сбора данных, а измерения охватывают полное разрешение АЦП.

Некоторые формирователи сигналов тензодатчиков обеспечивают фиксированные настройки усиления, смещения и возбуждения, но фиксированные настройки не используют преимущества максимального динамического диапазона АЦП.Это снижает фактическое доступное разрешение измерения. Например, многие стандартные модули преобразования сигналов тензодатчиков могут быть настроены на фиксированное значение 3 мВ / В. При напряжении 10 В возбуждение, смещение и подстройка усиления являются фиксированными, и регулировка невозможна.

Регулировка возбуждения позволяет пользователям устанавливать напряжение возбуждения на максимум, разрешенный производителем, что максимизирует выходную мощность моста. Кроме того, регулировка смещения позволяет пользователям обнулить выходное смещение, вызванное либо небольшим дисбалансом моста, либо неподвижной деформацией механического элемента.А регулировка усиления позволяет пользователям устанавливать усиление, обеспечивающее полномасштабный выходной сигнал при максимальной нагрузке, что оптимизирует динамический диапазон АЦП.

Калибровка
Модуль формирования сигнала также обычно обеспечивает функцию калибровки шунта (см. Рисунок 7.07). Это позволяет пользователям переключать свои собственные шунтирующие резисторы в одну из двух нижних ветвей моста под управлением программного обеспечения. Например, можно рассчитать шунтирующий резистор для имитации полной нагрузки. Применение шунтирующего резистора — удобный способ смоделировать дисбаланс без применения физической нагрузки.Для любого симметричного моста специальный резистор можно подключить параллельно с одним из четырех элементов моста, чтобы получить предсказуемый дисбаланс и выходное напряжение. Например, тензодатчик мощностью 350 Вт, 2 мВ / В обеспечивает полную выходную мощность, когда одна ветвь падает на 0,8% до 347,2 Вт. Резистор мощностью 43,75 кВт, шунтированный через один или другой нижний элемент моста, переключает выход на полностью положительный или полный отрицательный.

Уравнение для расчета номинала резистора калибровки шунта:

EQN.7.05. Шунтирующий калибровочный резистор для преобразователей

R _s = R _ba [V _ex /4 (V _o )]
R _s = 350 [10/4 (0,020)] = 43,75 k
Где:
R _s = шунтирующий резистор, Вт
R _ba = резистор плеча моста, Вт
R _s >> R _ba
В _ex = напряжение возбуждения, В
В _o = выходное напряжение моста, В

Многие продукты включают программное обеспечение для калибровки с программой для Windows, которая предоставляет несколько методов калибровки, интерактивные инструкции и диагностический экран для тестирования откалиброванной системы.

Преобразователи и датчики веса
Тензодатчики коммерчески доступны в виде сборных модулей, таких как датчики веса, которые измеряют силу, растяжение, сжатие и крутящий момент. Весоизмерительные ячейки обычно используют конфигурацию полного моста и содержат четыре вывода для возбуждения моста и измерения. Производители предоставляют информацию о калибровке и точности.

Тензорезисторы с тензодатчиками
Манометры с тензодатчиками состоят из двух или четырех тензодатчиков, установленных на тонкой диафрагме.Манометры подключаются по мостовой схеме Уитстона, включая резисторы завершения моста, когда это необходимо, поэтому манометр электрически эквивалентен тензодатчику. Выходное напряжение указывается в мВ / В возбуждения для полного перепада давления на диафрагме.

Когда одна сторона мембраны (называемая стороной эталонного давления) открыта для окружающей атмосферы, манометр сравнивает давление на входе с давлением окружающей среды, которое составляет около 14,7 фунтов на кв. Дюйм на уровне моря.Когда манометр измеряет давление окружающей среды, эталонная камера должна быть закрыта либо эталонным вакуумом (около нуля фунтов на кв. Дюйм), либо эталонным уровнем моря.

Изменения температуры могут повлиять на точность манометров с тензодатчиками. Манометр с запечатанным ненулевым эталонным давлением демонстрирует колебания температуры в соответствии с законом идеального газа. Например, изменение температуры окружающей среды на 5 ° C вблизи нормальной комнатной температуры (25 ° C) приводит к ошибке в 1,7% при измерении давления.Температурные колебания также могут повлиять на работу самих тензодатчиков. Преобразователи должны содержать схемы компенсации температуры для обеспечения точных измерений давления в средах с сильно изменяющимися температурами.

Для всех манометров с натянутой диафрагмой требуется регулируемый источник возбуждения. Некоторые манометры содержат внутренние регуляторы, поэтому пользователи могут подключать нерегулируемое напряжение от источника питания. В некоторых манометрах с натянутой диафрагмой также используется внутренняя обработка сигнала, которая усиливает выходной сигнал мВ моста Уитстона до полномасштабного напряжения от 5 до 10 В.Измерители этого типа имеют выходы с низким сопротивлением. Напротив, другие манометры не имеют внутренней обработки сигнала, поэтому их выходной импеданс равен сопротивлению моста Уитстона (несколько кВт для полупроводниковых типов), а их полномасштабный выходной сигнал выражается в мВ.

Загрузите бесплатную копию в формате PDF.

Тензодатчик

: теоретические основы

Тензодатчик — один из наиболее широко используемых датчиков деформации. Это резистивный упругий элемент, изменение сопротивления которого зависит от приложенной деформации.

, где R, — сопротивление, e — деформация, а S — коэффициент чувствительности к деформации материала датчика (коэффициент измерения в некоторых книгах).

Среди тензодатчиков тензорезисторы с электрическим сопротивлением имеют преимущества, заключающиеся в более низкой стоимости и в качестве признанного продукта. Таким образом, это наиболее часто используемый тип устройства. Другие типы тензодатчиков: акустические, емкостные, индуктивные, механические, оптические, пьезорезистивные и полупроводниковые.

Проволочный тензодатчик состоит из резистора, обычно в виде металлической фольги, прикрепленного к эластичной основе. Его принцип основан на том факте, что сопротивление проволоки увеличивается с увеличением деформации и уменьшается с уменьшением деформации, как впервые сообщил лорд Кельвин в 1856 году.

Рассмотрим тензодатчик для проволоки, как показано выше. Проволока состоит из однородного проводника с удельным электрическим сопротивлением r длиной l и площадью поперечного сечения A .Его сопротивление R является функцией геометрии, заданной формулой

Скорость изменения сопротивления — это комбинированный эффект изменения длины, площади поперечного сечения и удельного сопротивления.

Когда тензодатчик прикреплен и хорошо приклеен к поверхности объекта, считается, что оба деформируются вместе. Деформация тензодатчика в продольном направлении такая же, как и деформация на поверхности в том же направлении.

Однако его площадь поперечного сечения также изменится из-за коэффициента Пуассона.Предположим, что проволока цилиндрическая с начальным радиусом r . Нормальная деформация в радиальном направлении равна

Скорость изменения площади поперечного сечения в два раза превышает радиальную деформацию, когда деформация мала.

Скорость изменения сопротивления становится

Для данного материала чувствительность сопротивления к деформации может быть откалибрована с помощью следующего уравнения.

Если задан коэффициент чувствительности S (обычно предоставляется поставщиками тензодатчиков), средняя деформация в точке крепления тензодатчика может быть получена путем измерения изменения электрического сопротивления тензодатчика.

Как работают тензодатчики — Объясните, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 мая 2020 г.

II Может ли ваш дом обрушиться? Было ли это землетрясение? Будет этот самолет на самом деле летает? Это лишь некоторые из вопросов, которые вы может заниматься с помощью небольшого удобного устройства, называемого тензодатчиком (иногда пишется «калибр»). Это удобный способ измерить, сколько материала меняет форму, когда на него действует сила. Тензодатчики варьируются от от безмерно простых до дьявольски сложных, но все они очень полезно для ученых и инженеров.Давайте посмотрим внимательнее как они работают!

Фото: Этот лабораторный прибор предназначен для проверки прочности материала путем его медленного разрыва. Тензодатчики, прикрепленные к материалу (в данном случае куску алюминия в центре), позволяют ученым изучать напряжения и деформации при его деформации. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Что такое штамм?

Вы в стрессе? Вы чувствуете напряжение? Когда мы говорим о «стресс» и «напряжение» в повседневной жизни мы используем два слова взаимозаменяемо.Но в науке и технике эти два слова имеют очень точные и очень разные значения:

• Напряжение — это мера того, какое внутреннее давление находится в материале, когда на него действует сила. Чем больше сила или меньше площадь над которым он действует, тем более вероятно, что материал собирается деформироваться (изменить форму). Так же, как давление, мы измеряем стресс, разделив силу, действующую на область, в которой она действует больше, поэтому напряжение = сила / площадь.
• Напряжение — это то, что происходит, когда результат стресса.Если материал подвергается воздействию силы, он часто меняет форму и становится немного длиннее (если вы его потянули отдельно) или короче (если вы их сдвинули вместе). Напряжение определяется как изменение длины, создаваемое силой, деленное на исходная длина материала. Так что если вы потянете кусок 10 см длиной эластичный и растягивается на 1 см, деформация составляет 0,1.

Иллюстрация: сравнение концепций напряжения и деформации. Вверху: напряжение: если вы приложите тянущее усилие к стержню с определенной площадью поперечного сечения, вы создадите определенное напряжение.Если вы приложите ту же силу к грифу, занимающему половину площади, вы произведете вдвое большее напряжение. Внизу: Растяжение: Если вы не применяете силу к грифу, вы вообще не растягиваете его. Приложите определенную силу, и вы увеличите ее длину на определенную величину, создав определенное напряжение. Если вы приложите больше силы, чтобы удвоить удлинение, вы произведете вдвое большую деформацию (при условии, что материал ведет себя красивым, более простым и линейным образом).

Материалы под напряжением

Различные материалы ведут себя по-разному при одинаковых условиях. количество стресса.Если натянуть резиновую ленту, она соответственно тянется; снять стресс, и группа вернется в свое предыдущая форма. Когда материалы возвращаются к своей первоначальной форме и размер после снятия сил напряжения, мы говорим, что они претерпели упругая деформация; многие материалы ведут себя так, включая резину, некоторые пластмассы и многие металлы (которые, возможно, удивлены услышать, идеально эластичны при очень малых силах вовлеченный). В конце концов, эластичные материалы достигают точки, в которой они не может справиться с лишним стрессом и постоянно растягивается.Этот вид изменение называется пластической деформацией. (Обратите внимание, что правильное значение пластика — это то, что относительно меняет форму без труда. Вот почему пластмассы называют пластиками: они легко поддаются обработке. при производстве отливаются в различные формы.)

Фото: НАСА использует тензодатчики для измерения того, что происходит внутри крыла самолета. Фото любезно предоставлено Центром летных исследований имени Армстронга НАСА.

Если вы инженер, напряжения и деформации невероятно высоки. важный.Если вы разрабатываете что-нибудь из автомобильного двигателя или мост к ветряной турбине или крылу самолета, вы знаете, что на него будут воздействовать довольно большие силы. Можно ли материалы, которые вы хотите использовать противостоять этим силам? Будут ли они упруго деформироваться крошечными суммы и безопасно вернуться к исходной форме и размеру? Будут ли они распадаться после повторяющихся нагрузок и деформаций в процессе например, усталость металла (когда повторяющаяся деформация вызывает металл ослабнет и внезапно сломается). Вам нужно что-то использовать сильнее на всякий случай? А как именно узнать? Ты можете сделать свои расчеты в лаборатории и попытаться выяснить это в продвигать.Вы даже можете создавать сложные компьютерные модели, чтобы помочь ты. Но верный способ узнать, каковы материалы справиться с давлением — это использовать тензодатчики для измерения их вести себя, когда на них действуют реальные силы.

Типы тензодатчиков

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

Механический

Фото: простой механический монитор трещин.Вы видите, как красное перекрестие перемещается по шкале по мере того, как трещина расширяется. Такие детекторы производят такие компании, как Avongard; вы можете найти другие бренды, выполнив поиск по запросу «crack monitor» в вашей любимой поисковой системе или на аукционе.

Предположим, у вас образовалась трещина в стене вашего дома из-за проседание, и вы хотите знать, становится ли хуже. Вызывать строительным инспекторам, и они, вероятно, приклеить кусок жесткого оргстекла пластик разлинованная линиями и шкалой прямо над трещиной.Иногда его называют монитором трещин. Вы обнаружите, что на самом деле он состоит из двух отдельных пластиковые слои. Нижний слой имеет линейчатую шкалу, а верхний слой имеет красную стрелку или указатель. Вы приклеиваете один слой к одной стороне трещина и один слой в другой, так что, когда трещина открывается, слои очень медленно скользят друг за другом, и вы можете видеть указатель перемещается по шкале. В зависимости от того, как быстро движется трещина, вы знаете, как долго вы Придется принять меры и решить вашу проблему!

Некоторые механические тензодатчики еще более грубые, чем этот.Вы просто приклеиваете кусок пластиком или стеклом по трещине и подождите, пока оно разобьется, когда здание движется.

Гидравлический

Одна из проблем тензодатчиков — обнаружение очень малых деформаций. Вы можете представить себе, например, ситуация, когда ваш дом медленно оседает, но движение настолько мало, что не будет появиться — возможно, до тех пор, пока не будет нанесен ущерб. С помощью простого детектора трещин, такого как описанные выше, требуется 1 мм движения здания. для перемещения на 1 мм поверхности детектора трещин.Но что, если мы хотим обнаружить движения меньшего размера, которые не отображаются на шкале? В этом случае нам действительно нужен тензодатчик. с рычагом , который усиливает деформацию, поэтому даже небольшое движение детектирующего элемента вызывает очень большое и легко измеримое перемещение указателя по шкале.

Гидравлические детекторы предлагают решение и работают как простые шприцы. Шприцы — это, по сути, гидравлические поршни, где небольшое движение жидкости в большом поршне (часть, которую вы нажимаете пальцем) вызывает гораздо большее движение жидкости в маленьком поршне, прикрепленном к нему (игле, через которую выходит жидкость).Легко увидеть, как это можно использовать в тензометрическом датчике: вы просто подключаете свой большой поршень к тому, что создает напряжение, и используете меньший поршень в меньшей трубке, отмеченной шкалой, чтобы указать, сколько движения произошло. . Относительный размер поршней определяет, насколько масштабируется движение, которое вы пытаетесь обнаружить. Обычно гидравлические тензодатчики, подобные этому, увеличивают перемещение примерно в 10 раз и обычно используются в геологии и науках о Земле.

Иллюстрация: простой пример гидравлического тензодатчика.Деформация, которую вы хотите измерить, нажимает на зеленую кнопку (вверху слева). Это заставляет большой широкий поршень (желтый, 55) попасть в гидравлический цилиндр (красный, 56), выдавливая захваченную жидкость (синий) через узкую трубу. Это гидравлический принцип в действии: крошечные движения зеленой кнопки и желтого поршня усиливаются в гораздо более крупные движения из-за узости трубки. Жидкость течет в свернутую спиралью трубку Бурдона (оранжевая, 83), которая разворачивается в соответствии с давлением внутри нее, натягивая рычажный механизм (темно-синий, 84, 85), изменяя перекрытие между парой индукционных катушек, чтобы они отправить более или менее электрический ток в цепь.Таким образом, сила нажатия на зеленую кнопку преобразуется в измеряемый электрический сигнал. Из патента США 2600453: Ричард Вейнгарт, способ и устройство для регулирования нагрева в процессах горячей обработки. 17 июня 1952 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Электрическое сопротивление

Если вы проектируете что-то вроде крыла самолета, обычно вы необходимо проводить более сложные измерения (и многие другие их), чем позволяет простой механический тензодатчик.Ты можешь хотите измерить деформацию при взлете, например, когда двигатели развивают максимальную тягу. Вы не можете немного придерживаться Пластиковые датчики деформации на крыло и выйдите, чтобы измерить их во время полета! Но вы можете использовать электрические тензодатчики, чтобы сделать многое то же самое с бортового регистратора в кабине.

Фото: два электрических тензодатчика крупным планом. Вы можете ясно видеть лабиринтные схемы проводки на фольгированной основе. Они изменяют форму, вызывая изменение сопротивления проводов, когда фольга изгибается под действием напряжений и деформаций.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Самые распространенные электрические тензодатчики — тонкие, полосы фольги прямоугольной формы с лабиринтной разводкой на к ним ведет пара электрических кабелей. Ты наклеиваешь фольгу на материал, который вы хотите измерить, и подключите кабели к вашему компьютер или цепь контроля. Когда материал ты учишься натянута, полоска фольги очень немного погнута формы и лабиринтные провода либо растянуты в стороны (так что их провода растянуты немного тоньше) или сдвинуты вместе (так провода сдвигаются и становятся немного толще).Изменение ширина металлической проволоки изменяет ее электрическое сопротивление, потому что это электронам труднее переносить электрические токи по более узким проводам. Поэтому все, что вам нужно сделать, это измерить сопротивление (обычно используя мост Уитстона), и при небольшом соответствующем преобразовании можно рассчитать деформацию. Если задействованные силы малы, деформация будет упругой, и тензодатчик в конечном итоге возвращается к своей первоначальной форме — так что вы можете продолжать измерения в течение определенного периода времени, например, во время испытательного полета прототипа самолет.

Подобные тензодатчики сопротивления

были изобретены в 1938 году профессором Массачусетского технологического института. Артур Руге (1905–2000) до помощь в обнаружении землетрясений.

Иллюстрация: Справа: иллюстрация оригинального тензодатчика электрического сопротивления Артура Руге из патента США, который он подал в сентябре 1939 года. Он состоит из проводящей металлической нити (желтой), натянутой вперед и назад между парой гребенчатых опор (синий) и подключен к контактам (красный), которые можно подключить в цепь.При изменении деформации нить деформируется, и ее сопротивление повышается или понижается; измерение сопротивления — это способ косвенного измерения деформации. Датчик включает в себя вторую аналогичную нить накала (оранжевого цвета), которую можно использовать для компенсации любых изменений сопротивления, вызванных исключительно изменениями температуры. Идея состоит в том, чтобы выбрать разные материалы для двух нитей, чтобы изменения их температуры нейтрализовали друг друга. Руге сделал свои нити из чувствительных к деформации сплавов, таких как Advance (медь-никель) и нихром (никель-хром).Из патента США 2 350 972: тензодатчик Артура К. Руге, 6 июня 1944 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Оптический

Некоторые материалы меняют свои оптические свойства (то, как они пропускают или отражают свет), когда они подвергаются напряжению и деформации — хорошие примеры — стекло и пластик. Хотя стекло является удивительно полезным и универсальным материалом, оно хрупкое и хрупкое и потенциально очень опасно: если оно подвергается слишком большой нагрузке, оно может внезапно треснуть или разбиться без предупреждения.Это могло быть настоящей проблемой для чего-то вроде зеркального стекла витрины или лобового стекла автомобиля. Один из способов определить деформацию стекла — направить на него поляризованный свет под углом. Часть света будет отражаться, а часть передаваться; относительное количество прошедшего и отраженного света будет меняться в зависимости от того, насколько сильно деформировано стекло. Измеряя количество отраженного света, мы можем точно измерить деформацию стекла.

Изображение: оптический датчик деформации, вид сбоку (вверху) и сверху (внизу), работает аналогично устройству, называемому полярископом (или поляриметром).Он состоит из двух полых трубок (серые 1,2), расположенных под углом к ​​стеклу (зеленого цвета). Мощный свет (синий, 6) направляет сфокусированный луч (желтый) на стекло через поляризационный фильтр (красный, 8). В зависимости от того, натянуто ли стекло и насколько сильно, часть света отражается от поверхности стекла через второй фильтр (оранжевый, 9) и попадает на фотоэлемент (фиолетовый, 14). Это преобразует свет в электрический сигнал, заставляя иглу подниматься или опускаться в амперметр (синий, 15).Чем больше нагрузка на стекло, тем больше отражается света и тем выше показания амперметра. Из патента США 2119577: Тензодатчик и метод измерения деформации в стекле, Сэмюэл МакК. Грей, 7 июня 1938 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Пьезоэлектрический

Некоторые типы материалов, включая кристаллы кварца и различные типы керамики, по сути, являются «естественными» тензодатчиками. Если вы толкаете и тянете их, они генерируют крошечные электрические напряжения между их противоположными лицами.Это явление называется пьезоэлектричество (произносится как «пи-айыы-зо электричество»), и это, вероятно, наиболее известно как способ создания хронометража сигнал в кварцевых часах. Измерьте напряжение от пьезоэлектрического датчик, и вы можете очень просто рассчитать деформацию. Пьезоэлектрический тензодатчики являются одними из самых чувствительных (примерно в 1000 раз больше, чем более простые типы) и надежны и выдерживают годы многократного использования. (Иногда их называют пьезоэлектрические преобразователи, поскольку они преобразуют механические энергия в электрическую энергию.)

Фото: Как работает пьезоэлектрический тензодатчик. Прикрепите его к тестируемому объекту, который может быть простой стальной балкой (серый, 1). Датчик представляет собой плоский кристалл (синий, 3) с двумя параллельными поверхностями, к которым прикреплены электроды (красного и оранжевого цвета, 4 и 5), прикрепленные к контактам (желтый, 6 и 7), которые выходят на внешнюю цепь и какой-то метр. Нижняя грань кристалла (красная) очень прочно связана цементом (8) с испытуемым образцом. По мере деформации образца кристалл также деформируется, создавая небольшое напряжение между его верхней и нижней гранями при изменении его формы.Чем больше деформация, тем больше напряжение, поэтому измерение напряжения — очень точный способ измерения деформации. Из патента США 2,558,563: пьезоэлектрический тензодатчик, изготовленный Уильямом Янссеном, General Electric, 26 июня 1951 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.