Тензометрические датчики силы Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

тензометрические датчики силы

компания ооо “EMSYST” производит высокоточные малогабаритные тензометрические датчики силы для измерения усилий сжатия и расширения. официальным представителем компании в России является ооо «ЭлкомПрибор».

Иозеф Чукан (Jozef CUKAN), к. т. н.

[email protected] Константин Костиков, к. т. н.

[email protected]

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры. Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить.

По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, поэтому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только в специальных случаях. На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит.

Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами, описанные в этой статье. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил. К их преимуществам следует отнести:

• хорошую точность;

• простоту обработки выходного сигнала;

• доступную цену.

Параметры тензометрических датчиков силы

Форма датчика

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

Диапазон измерения

Основным параметром тензометричес-кого датчика является его диапазон измерения, который можно повысить максимально на 30-50%. Более высокая перегрузка датчика, хоть и на краткое время, почти всегда ведет к его повреждению. Такой датчик уже нельзя исправить, поскольку при этом происходит нарушение структуры материала. Это необходимо всегда иметь в виду, применяя датчики в среде, где возможны биение и вибрации.

Чувствительность датчика

Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2x10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в РС или PLC.

Температурные характеристики

С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2х10)х0,01х20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка чувствительности.

Точность датчика У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность, установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности С3). В этом случае процентная погрешность (класс точности) будет: (1/(2х3000))х100 = ±0,017% FS.

Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.

Диапазон температуры

Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.

Иные параметры

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обра-

ботки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки зрения безопасности), степень защиты (с точки зрения условий труда) и т. п.

оценка сигнала из тензометрического датчика

Тензометрический датчик силы работает по принципу моста Уитстона (рис. 1), поэтому при подключении датчика поступаем так же, как и при резистивном мосте. Практически это значит, что необходимо обеспечить:

• Питание датчика постоянным или переменным напряжением.

• Усилить выходное напряжение от датчика (то есть напряжение по диагонали моста).

Рис. 1. Электрическое подключение тензометрического датчика силы

Указанные действия обеспечиваются при помощи преобразователей, которые содержат, кроме источника питания и усилителя, и другие контуры, например активный фильтр и преобразователь тока. Блок-схема преобразователя типа EMS170 представлена на рис. 2. Некоторые типы датчиков, например, Б5М150, позволяют вложить преобразователь прямо в тело датчика. В таком случае на выходе датчика будет прямой стандартный сигнал напряжения или тока. Однако применение преобразователя не всегда обязательно. На рынке присутствуют и цифровые электронные приборы, которые позволяют прямое подключение датчика, и обычно они бывают более точными.

Подключение нескольких датчиков

Задачу по подключению нескольких датчиков и их одновременной оценке решают часто. Примером может служить взвешивание резервуара, который стоит на трех опорах, и под каждой опорой размещен один датчик. В этом случае датчики подключаются параллельно (рис. 3). Необходимо, однако, обратить внимание на два условия:

• Все датчики должны иметь одинаковую чувствительность.

• Преобразователь или электрический прибор, к которым подключают датчик, должны поставлять достаточный ток.

Рис. 2. Блок-схема преобразователя для тензометрического датчика

Рис. 3. Параллельное подключение трех датчиков

Стандартный тензометрический датчик имеет сопротивление 350 Ом, при параллельном подключении трех датчиков сопротивление будет 117 Ом. При питании напряжением 10 В в датчики течет ток около 85 мА. При параллельном подключении датчиков общая нагрузка суммируется, а выходной сигнал сохранится. Например, если каждый датчик имеет диапазон измерения 100 Н, а чувствительность — 2 мВ/В, то общая система будет иметь диапазон измерения 300 Н, а чувствительность остается на уровне 2 мВ/В.

Типы тензометрических датчиков EMSYST

Тензометрические датчики фирмы EMSYST можно на основании параметров и цены характеризовать как датчики среднего класса. Они предназначены, прежде всего, для измерения сил разных промышленных машин.

Примером может быть определение отношения сила/путь, которое измеряется часто (автомобильные и авиационные амортизаторы, пружины, буферы и т. п.), или измерение сил на прессах и гидравлических агрегатах. Такие датчики можно применять и для технологического взвешивания.

Универсальные мембранные датчики EMS20,30, 40, 50, 60

Имеется в виду группа мембранных датчиков, которые работают по принципу деформации гибкой мембраны, этим определена и их форма. Они имеют простую конструкцию, универсальны в применении и выгодны по цене. Датчики этой группы имеют одинаковые метрологические параметры, они отличаются только способом закрепления. Например, EMS20 (рис. 4) закрепляется с помощью внешней резьбы, а EMS30 — внутренней. Датчики EMS40, EMS50 и EMS60

И ■ и Рис. S. Тензометрический датчик EMS150

Рис. 4. Тензометрические датчики: а) EMS20; б) EMS30

предназначены для измерения силы по отношению к подставке.

Тензометрический датчик для испытаний EMS70

Рис. 5. Тензометрический датчик EMS70

EMS70 (рис. 5) — кольцевой датчик силы сравнительно сложной конструкции. В него вложен двойной или тройной (в зависимости от диапазона) тензометрический мост, это гарантирует лучшие свойства, прежде всего, с точки зрения устойчивости по отношению к боковым силам. Он имеет широкий диапазон измеряемых сил (от 1 до 500 кН) и отличные метрологические свойства. Этот датчик успешно применяется, например, в автомобильной промышленности. По желанию заказчика уже была изготовлена версия датчика с диапазоном измерения 750 кН.

Тензометрический датчик для испытаний EMS100

Рис. 6. Тензометрический датчик EMS100

Характерные свойства тензометрического датчика силы EMS100 (рис. 6) — его высокая устойчивость к перегрузке и высокая точность при малых размерах. Этот тип датчиков отличается очень хорошими метрологическими свойствами.

Тензометрический датчик для больших диапазонов EMS130

Рис. 7. Тензометрический датчик EMS130

Датчик EMS130 (рис. 7) является новинкой фирмы ООО “EMSYST” и отличается тем, что обладает самым широким диапазоном измерений по сравнению со всеми другими датчиками, изготавливаемыми этой фирмой. EMS130 может измерять силу даже до 2000 кН (200 тонн). Он имеет колонную конструкцию, обычную при таких высоких перегрузках. Этот тип датчиков имеет худшие метрологические свойства, особенно это касается линейности. Для компенсации этих недостатков в датчике применен тройной тензометрический мост. В результате был разработан крепкий и устойчивый датчик с очень хорошими параметрами.

Датчик с вложенным преобразователем EMS150

Тензометрический датчик силы EMS150 (рис. 8) также имеет крепкую и устойчивую конструкцию. Он предназначен для применения в промышленности. EMS150 отличается высокой точностью. Датчик силы EMS150 можно использовать и в качестве эталонного измерительного прибора. В датчик можно вложить электронный преобразователь, и тогда на выходе будет стандартный сигнал

0-10 В или 4-20 мА. Эти датчики успешно используют и для взвешивания резервуаров.

Специальные

тензометрические датчики

Фирма ООО “EMSYST” выпускает датчики в специальном исполнении по желанию заказчиков. Обычно такие датчики изготавливаются на базе некоторого стандартного типа, который потом дорабатывается в соответствии с требованиями клиента. В простых случаях, например, происходит только изменение резьбы или длины кабеля, но в более сложных случаях может быть разработан полностью новый датчик. Также возможно изменить некоторые параметры датчиков. Например, температурный диапазон (от 0 до +50 °C) может быть расширен до -40.. .+125 °C. На рис. 9 представлен специально разработанный датчик для измерения тяги в резиновой ленте. Другим интересным применением датчика является измерение силы в цапфах (рис. 10).

Рис. 9. Датчик тяги в резиновой ленте SN-MP2

Рис. 10. Измерительная цапфа

Следует отметить, что фирма EMSYST выпускает дополнительные принадлежности к этим изделиям (электронные приборы, механические части для вложения в датчики), например преобразователи для обеспечения питанием датчиков напряжением или током с возможностью присоединения от 1 до 4 датчиков. ■