Тензодатчики

Для получения точных показаний от проводимых измерений на производстве или в быту применяются специальные приборы, разработанные с применением так называемых тензометрических датчиков.

Тензометрия от лат. tensus означает напряжённый. Тензометрией принято называть определенные методы и способы, направленные на измерение напряженно-деформированного состояния тех или иных объектов, различных механизмов и конструкций. Измерить силу механического напряжения простыми методами невозможно, поэтому для получения таких значений применяются специальные методики, учитывающие много важных факторов, например, физические свойства материала.

Все тензодатчики работают благодаря тензоэффекту. Данный эффект подразумевает под собой свойство твердых материалов менять сопротивление при воздействии на него сил деформации.

Тензометрические датчики - это устройства, которые могут анализируют уровень деформации объекта и преобразовывать полученные данные в электрический сигнал, которые возникают при сжатии или растяжении, при этом меняется и сопротивление проводника датчика. Тензодатчики – это элементы, которые применяются в оборудовании и приборах для измерения деформации различных материалов, которые применяют в самых разных сферах детальности, например, в автомобилестроении, производстве, строительстве зданий и сооружений, транспортировке крупногабаритных товаров.

В конструкции тензодатчика применяется тензорезистор, на котором имеются специальные чувствительные контакты, которые располагаются на измерительной панели в передней части самого устройства. В процессе работы происходит соприкосновение объекта с контактами, вследствие чего происходит деформация, сила которой преобразуется в электрический импульс. Полученные значения передаются на элемент для отображения показаний.

Датчики бывают разных видов и предназначений, в зависимости от сферы их применения. Устройства различаются по классам и по типам измеряемых величин. Самым важным и требовательным показателем является точность измерения.

К примеру, в железнодорожной сфере, при взвешивании грузов применяется тип тензодатчиков, позволяющий взвешивать более 200 тонн. Такие тензодатчики не подойдут для взвешивания, например, весового товара в магазине, где важен каждый грамм.

В некоторых устройствах и механизмах требуется измерение крутящего момента различных вращающихся деталей. Такие датчики можно встретить в самых разных механизмах, например, в автомобиле: рулевая колонка, коленвал в двигателе. Существует два способа определения крутящего момента – бесконтактным или контактным методом, как в статическом, так и в динамическом режиме.

Для точности показаний при измерении, применяются датчики со специальной конструкцией в виде параллелограмма со встроенным элементом изгиба. На чувствительных участках элемента, подвергающегося деформации, устанавливаются тензорезисторы по схеме полного моста. Это позволяет проводить точные измерения с высокой чувствительностью и линейностью показаний.

Балочный тензодатчик представляет из себя конструкцию с отверстиями, которые предназначены для выявления степени деформации упругого элемента за счет неравномерного распределения нагрузки. Для получения высокой точности, тензорезисторы устанавливают в самое тонкое место балки и проводят их тонкую настройку по имеющимся специальным меткам.

Сфера применения данного типа тензодатчиков широка: их используются в платформенных и бункерных весах, в которых, для получения высокоточных показаний, может быть установлено сразу несколько штук. Датчики можно встретить и в весах, применяющихся для фасовки жидких, сыпучих материалов, в дозаторах, в механизмах и сооружениях, для измерения степени натяжения тросов и т.д.

Этот тип имеет S-образную форму, которая является оптимальной для измерения силы сжатия и растяжения. Изготавливаются они из легированной нержавеющей стали и алюминия.

Такие устройства нашли свое применение как в весах, там и в промышленных станках: их используют при производстве различных видов тканей, волокон, кабелей, где требуется контроль натяжения материала. Их применяют в дозаторах и в бункерных весах, с пределом взвешивания до 20 тонн.

Фольговые тензорезисторы являются наиболее популярными благодаря их высоким метрологическим свойствам, а также технологичности, производство которых стало возможно благодаря применению фотолитографической технологии. Данная технология позволяет производить высококачественные тензорезисторы с базой от 0,35 мм, в т.ч. тензометрические розетки и цепочки, которые могут работать в самых экстремальных температурных условиях: от -250 до 1100 градусов по Цельсию.

Проволочный тензорезистор представляет из себя тонкую пружинку, которая изготавливается из проволоки. Её устанавливают в месте работы деформируемого элемента, либо фиксируют на клей в исследуемой области прямо на поверхности детали.

К преимуществам проволочных тензорезисторов следует отнести их невысокую стоимость, легкость производства, линейную чувствительность при воздействии сил деформации.

К недостаткам можно отнести чувствительность к температуре и влажности окружающей среды, их можно применять только в области измерения упругой деформации.

Тензодатчики получили свое широкое применение благодаря следующим свойствам:

• возможность установки на различных поверхностях – как на ровных, так и на криволинейных;
• низкая погрешность измерений – не более 1-3%. Достигается благодаря небольшой толщине измерительного элемента;
• варианты установки тензодатчика – может быть установлен непосредственно на поверхность исследуемого объекта;
• возможность применения в механизмах с крутящимися деталями;
• получение значений деформаций в динамике, с изменяемой частотой до 50000 Гц;
• работа в экстремальных температурных условиях от -250 до 1100 градусов;
• проведение измерения с получением единовременных значений сразу с нескольких точек детали;
• измерение деформации объектов, находящихся на дальних расстояниях.

К минусам относят:

• высокая чувствительность измерительных элементов к малым сопротивлениям. При сопротивлении более 1% необходимо усиливать сигнал.
• метеочувствительность датчиков. Влияние температуры и влажности окружающей среды на точность показаний;
• при эксплуатации в условиях высокой температуры или агрессивной среды необходимы дополнительные меры защиты.

• Применение в сфере измерения веса текучих и сыпучих материалов в качестве элемента весов;
• Измерение уровня натяжения тросов, канатов, тканей на производстве;
• Для измерения усилия деформации при изготовлении продукции на штамповочных станках и прессах;
• Для контроля напряженно-деформационных состояний сооружений и конструкций при строительстве и эксплуатации зданий;
• На металлургических заводах, где требуется применение жаростойких высокотемпературных датчиков из легированной стали;
• Проведение замеров в химически агрессивной среде с применением упругого элемента из нержавеющей стали;
• Измерение давления в газо- и нефтепроводах.

Высокая технологичность, легкость производства и простота применения тензодатчиков являются основными факторами их активного распространения и применения по всему миру в самых разных сферах, начиная от метрологических измерений на производстве, и заканчивая применением в устройствах бытового назначения.