Датчик деформации: Как работают датчики деформации?

Содержание

Как работают датчики деформации?

Тем не менее что же такое напряжение?

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

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

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

Напряжение материалов

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

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

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

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

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

Типы датчиков деформации

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

Механические

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

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

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

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

Схема: рычажный тензометр Гугенбергера



Гидравлические

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

Эту проблему попытались решить с помощью гидравлических датчиков деформации.

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

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

Тензорезисторы (за счет изменения электрического сопротивления)

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

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

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

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

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

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

Оптические датчики деформации

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

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

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

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

Вопросу применения ВОДД на решётках Брэгга посвятим отдельный текст.

Пьезоэлектрические датчики деформации

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

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

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

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

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

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

принцип работы, устройство, типы, схемы подключения

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

Что такое тензодатчик?

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

Конструкция

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

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

K = Δl / l = ΔR / R

Где:

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

На практике это реализуется следующим образом (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство тензорезистора

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

R = (ρ*l)/S , где

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

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

Принцип работы

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

Рис. 2. Принцип действия тензодатчика

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

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

Рис. 3. Воздействие нагрузки на тензодатчик

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

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

Типы

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

Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания

Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:

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

В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:

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

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

Схемы подключения

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

Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения

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

Рис. 7. Практическая реализация четырехпроводной схемы подключения

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

Рис. 8. Шестипроводная схема с цепью обратной связи

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

Рис. 9. Практическая реализация вычитания напряжения

Назначение

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

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

Как выбрать?

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

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

Список использованной литературы

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

принцип действия, описание, виды, схемы

Измерение напряжений и усилий в действующих узлах и конструкциях оборудования считается одной из наиболее сложных задач. Между тем в процессе эксплуатации техника подвергается разным видам нагрузок, которые определяют долговечность и надежность оборудования. Решение поставленных задач возможно с помощью тензометрических датчиков. Установка подобных устройств целесообразна тогда, когда в дополнение к производственным факторам добавляются остаточные напряжения, постепенно накапливаемые в ходе работы.

Описание и назначение

При измерении деформаций, напряжений и усилий при помощи тензометрических датчиков используют изменение значений омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или полупроводников стержневого исполнения. Изменение сопротивления датчика передаётся при помощи кабеля или бесконтактным путем на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые и фиксируются прибором.

Все типы тензометрических датчиков (или, иначе – тензорезисторов) используют зависимость между напряжениями и деформациями – закон Гука – который справедлив в области упругих деформаций. Согласно закону Гука изменение электросопротивления, отнесённое к исходному значению данного параметра до деформации, пропорционально изменению удлинения, отнесённому к первоначальной длине измерительного элемента. Применяя коэффициент пропорциональности, который зависит от диапазона измеряемых параметров и материала устройства, устанавливают зависимость между нагрузкой на датчик и его удлинением:

ΔR/R = k×Δl/l,

где:

R – исходное значение электрического сопротивления;

ΔR – изменение значения электрического сопротивления в процессе деформации;

k – коэффициент пропорциональности;

Δl – изменение длины при деформировании;

l – исходная длина измерительного элемента до приложения к нему эксплуатационной нагрузки.

Указанный тип устройств используется в весоизмерительной технике, поскольку относится к тензорным, определяющим усилия и внешние нагрузки.

Виды

Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1.5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.

Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.

Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:

  • С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
  • Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
  • Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.

В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.

Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.

Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:

  1. Плоский проволочный.
  2. Фольговый.
  3. Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
  4. Трубчатый.

Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.

  • Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
  • Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
  • S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.

Устройство и принцип работы

По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Пьезорезонансные

Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.

Пьезоэлектрические

По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.

Магнитные

Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.

Емкостные

Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.

Характеристика

Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.

Условия оптимального использования тензорезисторов:

  • Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
  • Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
  • Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
  • Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.

На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги.  Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

  • Высокое сопротивление ползучести.
  • Отсутствие гистерезиса.
  • Влагостойкость.
  • Адгезионная способность.
  • Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Сферы применения

Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.

Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.

Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.

Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.

Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.

Измерение веса

Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.

Измерение давления

Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой    индикацией.

Измерение крутящего момента

Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.

Определение ускорения

Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.

Контроль перемещения

Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.

Плюсы и минусы

Тензорные датчики компактны, удобны при установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены. Вместе с тем они часто подвержены эффекту старения, чувствительны к температурным напряжениям и иногда характеризуются повышенным разбросом получаемых данных. Тонкоплёночные тензорезисторы, кроме того, характеризуются низким уровнем выходного сигнала, ограниченными частотными характеристиками и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов. Чаще других типов применяются в качестве весовых, а также для определения комплекса силовых факторов, постоянно изменяющихся в процессе работы оборудования или конструкции.

Преимущества тензометрических технологий:

  • Быстрое время отклика;
  • Простота компенсации температурных эффектов;
  • Малая чувствительность к динамическим воздействиям.

Недостатки:

  • Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
  • Снижение точности показаний при вибрациях;
  • Необходимость точного совмещения с окружающей средой;
  • Сложность первоначальной настройки.

Выпуск современных тензометрических датчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.

Волоконно-оптические датчики: принцип действия, конструкция, разновидности

Оптически-волоконные детекторы представляют собой устройства, используемые во многих сферах промышленности для определения концентрации веществ, скорости вращения, показателя преломления, механического напряжения, давления, уровня жидкости, температуры, вибрации, ускорения, положения в пространстве. Оптически волоконный тип датчиков приобретает все большее распространение для фиксации изменения параметров в ходе технологических процессов благодаря стабильности в течении продолжительного периода времени, устойчивости к помехам, имеющим электромагнитную природу, возможности бесконтактного измерения и другим преимуществам.

Основу для измерения величины, на которую в ходе определенных воздействий изменяются перечисленные величины, используется изучение показателей отраженного пучка света, пропускаемого через оптическое волокно.

История появления

Развитие технологий предусматривает разработку автоматизированных систем управления и контроля, внедрение сенсорных элементов, позволяющих с высокой точностью контактным или бесконтактным способом определять изменение физических величин. Среди других требований к перспективным конструкциям современных метрологических устройств, специалисты называют:

  • долговечность;
  • небольшие затраты энергии на работу;
  • возможность применения совместно с микроэлектронными устройствами для обработки данных;
  • стабильность;
  • небольшие габариты;
  • малый вес;
  • высокая достоверность получаемой информации;
  • малая трудоемкость изготовления;
  • небольшая стоимость.

Специалисты утверждают, что приобретающие все большую популярность детекторы из оптоволокна соответствуют приведенному списку по большинству пунктов. Оптическая электроника находится на стыке электроники и оптики, принцип ее работы основан на возможности использования в радиотехнике волн оптического диапазона. Возможность синтеза электронного и оптического устройства была обоснована Лоебнером в 1955 г, когда ученый описал основные параметры таких приспособлений, называя их оптронами.

Следующей важной вехой в развитии технологии было создание волокон оптического типа, основанного на успешном опыте получения фирмой Корнинг (США) волокон с небольшим показателем затухания, не превышающим 20 дБ/км. Первые работоспособные прототипы датчиков были разработаны во второй половине 70-х годов прошлого века. Следующие 10 лет после этого (1972-1982 гг) усилия исследователей были направлены на снижение потерь при передаче для оптических волокон различных видов.

Таким образом, изначально предназначенная для обеспечения связи, оптоволоконная отрасль развилась до выпуска приборов, основанных на изучении параметров электромагнитных волн, проходящих через световод и производства высокоточных датчиков.

Общий принцип действия оптоволоконных датчиков

Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного излучения. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:

  • Распределение параметров состава излучения по спектру или моде.
  • Фаза электромагнитной волны.
  • Показатели поляризации.
  • Интенсивность оптической волны.

Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы.

Важно! При воздействии управляющего сигнала на твердотельные устройства, предназначенные для модулирования электромагнитной волны, за счет изменения параметров материала происходит колебание оптических характеристик используемого вещества.

Общий принцип действия оптоволоконных детекторов состоит в том, что электромагнитная волна, генерируемая супер-люминесцентным оптическим источником или лазером, передается через волокно. При этом вследствие действия внешних факторов наблюдаются изменения в решетках Брэгга или незначительное колебания параметров волокна, которые достигают модуля детектирования, где происходит прием сигнала, его усиление и оценка.

Обратите внимание! Сам по себе прибор представляет собой устройство, имеющее небольшие размеры, характерной особенностью которого является то, что волокно выступает в качестве сенсора, способного определять параметры изменения величин и в качестве линии передачи сигнала.

Разновидности

Управляющий сигнал связан со свойствами материала посредством магнитооптических, акустооптических или электрооптических характеристик. По особенностям строения и принципу действия, специалисты различают такие виды детекторов, как:

  • волоконно-оптическая разновидность, отличающаяся тем, что в нем в качестве сенсора выступает волокно, оптические характеристики которого изменяются под воздействием факторов внешней среды;
  • элементы с оптически-волоконными связями, в которых сенсор располагается на участке разрыва волокна, в результате чего может воздействовать на светопередачу;
  • интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента световод планарного типа, принцип действия которого базируется на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, проходящих вдоль его поверхности и выходящих за нее в результате изменения показателей преломления;
  • оптопары, имеющие открытый канал, в котором располагается промежуточный элемент или изучаемая среда.

Деформации

1 группа

Специалисты в области автоматики разделяют детекторы этой группы на:

  • Датчики деформации, действие которых основывается на изменении параметров дифракционной решетки Брэгга, нанесенных на поверхность волокна. В процессе прохождения через волоконно-оптическую линию излучение воспринимает решетку, как зеркало, показатели отражения которого зависят от ее периода.

Обратите внимание! При изменении параметров тела, связанного с кабелем происходит растяжение или сжатие решеток, в результате чего изменяется показатель их отражения, что фиксирует регистрирующая аппаратура.

2 группа
  • Вторая конструкция основана на принципе действия интерферометра Фабри-Перро. Одна сторона кабеля прозрачна и способна пропускать излучение, а другая – полностью отражает его.

Важно! Электромагнитная волна, отраженная от обеих поверхностей поступает на приемник сигнала, где происходит интерференция, анализ картины которой позволяет с высокой точностью определить изменение линейных деформаций волокна.

К числу преимуществ таких конструкций специалисты относят отсутствие чувствительности к электромагнитному излучению, продолжительный срок эксплуатации, большое количество возможных геометрических форм и высокую точность измерения. Среди недостатков чаще всего называется сложность конструкции оптически-электронных составляющих и достаточно высокую стоимость устройства.

Перемещения

Одной из простейших конструкций, основанных на изменении интенсивности, является детектор перемещения. Принцип его работы состоит в том, что свет, поступающий в передающий кабель приемного и осветительного световодов, отражается зеркальной поверхностью, выступающей в этом типе датчика в качестве модулирующего элемента. Зеркало крепится на оптической планке, позволяющей совершать его перемещения с очень малым (0,005 мм) шагом. После отражения от зеркала, сигнал по приемным волокнам кабеля поступает на фотодиод, откуда сигнал направляется на регистрирующую аппаратуру.

Температуры

Определение температуры при помощи волоконно-оптического датчика основано на вибрациях молекулярной решетки, возникающих при прохождении света через область взаимодействия фотонов и электронов. При воздействии на кабель силы натяжения, давления, температуры наблюдается локальное изменение параметров сигнала обратной связи. Измерительные системы, основанные на использовании регистраторов из оптоволокна, применяют сопоставление интенсивности и спектра исходного и обратного рассеянного излучения, после его прохождения по волокну.

Давления

В промышленности измерение давления при помощи оптоволоконных кабелей проводится по оценке интенсивности излучения. Сенсором выступает элемент для измерения давления, в котором дифракционная решетка, локализующаяся между принимающими и передающими волокнами, присоединена к мембране.

Показатели давления определяют на базе оценки количества излучения, попадающего в выходные волокна после отражения от поверхности мембраны. Этот показатель зависит от действующего давления, поскольку в зависимости от его величины меняется расстояние между концом жгута и поверхностью мембраны. Детектор для определения нагрузки, действующей на поверхность, оборудован устройствами температурной компенсации, в процессе измерения он размещается между двумя контактирующими поверхностями.

Угла наклона

Детекторы, обеспечивающие измерение угла наклона в зависимости от положения объекта оснащены системой самокалибровки и устройствами компенсации влияния температуры на результат. Такие конструкции могут использоваться для непрерывного определения угла наклона строительных сооружений и промышленных объектов. Полученные сигналы от детекторов углов наклона передаются на универсальный регистрирующий оптоволоконный модуль.

Среди достоинств конструкций этого типа специалисты называют наличие прочного корпуса из металла, позволяющего выполнять наружный монтаж устройства, быстродействие, высокую точность передаваемой информации, защищенность от действия помех, пожаро- и взрывобезопасность.

Ускорения и вибрации

Волоконно-оптические датчики для определения вибраций, передаваемых узлами агрегатов или строительными конструкциями, нашел широкое применение при выполнении стендовых и лабораторных исследований. Эта разновидность метрологических конструкций представляет собой сенсорный элемент, установленный в металлическом корпусе и соединённый с трансивером оптико-электронного типа при помощи кабеля, на конце которого располагается угловой соединитель.

Среди преимуществ этого устройства специалисты называют продолжительный срок службы, возможность измерения с высокой точностью, даже в условиях повышенных температур, наличие возможности удаленного измерения параметров объекта

Акустический

Акустические устройства распределенного типа за счет отправления сигнала в кабель и последующего отслеживания отражений, рассеиваемых от него по длине волокна, позволяют измерять параметры акустического поля на длине до 50 км. После оценки времени между отправлением импульса и получением рассеянного отражения и анализа параметров получаемой ответной информации можно оценить величину акустического сигнала на всей длине протяженности кабеля.

Применение в экстремальных условиях

Условия внешней или контролируемой среды, в которых один или несколько действующих параметров, например агрессивность, концентрация, радиационная доза имеют предельно возможные значения в течение продолжительного периода времени, называются экстремальными.

Именно в таких условиях чаще всего работают первичные преобразователи выходных величин, получаемых при управлении такими технологическими процессами, как хранение отходов радиоактивного топлива, диагностика и мониторинг инженерных сооружений, имеющих сложную конструкцию, системы добычи, транспортировки и переработки газа, нефти.

Классические тензорезисторы и звенья не могут работать в подобных условиях, учитывая их чувствительность к излучениям электромагнитных волн в диапазоне измерения, ограничения работы в узком температурном диапазоне, невозможность использования в условиях повышенного радиационного фона и т.д.

Радиация

Отсутствие электроснабжения в месте локализации датчика не является помехой для его обеспечения удаленного мониторинга состояния атомных станций в случае повышенного радиационного фона или при возникновении нештатных ситуаций. Используемые в них сенсоры являются стойкими к действию радиации, а электронно-оптические преобразователи могут располагаться от них на расстоянии до 500 км от источника загрязнения.

Работоспособность датчиков в таких условиях позволяет обеспечить контроль над АЭС при возникновении форс мажорных обстоятельств и обеспечить принятие правильных решений по предотвращению расширения области локализации радиации.

Температура

Проблема обеспечения и контроля герметичности емкостей, содержащих жидкий водород, имеющий высокую текучесть и температуру на уровне –253 °С, обусловлена хрупкостью значительного количества материалов в таких условиях и снижением чувствительности датчиков палладиевого типа.

Чувствительные элементы современных детекторов из оптоволокна обладают хорошими показателями холодостойкости (до –270 °С) и высокой теплостойкостью (до +2300 °С), что позволяет обеспечить контроль технического состояния объектов, работающих в области как сверхнизких, так и сверхвысоких температур.

Последнее качество особенно важно при обеспечении измерения сухости перегретого пара в генераторах газа и давления в соплах реактивных двигателей, имеющих температуру до +600 °С, поскольку наиболее подходящие для этих измерений пьезоэлектрические детекторы не могут обеспечить нормальную работу при температуре выше +300 °С.

Электромагнитные помехи

Измерения колебаний физических величин представляет проблему, в случае работы электронного датчика в условиях электромагнитных помех. Среди наиболее часто встречающихся препятствий для нормальной работы устройств, специалисты называют измерение токов и напряжений, имеющих большие величины, наводки на кабели для передачи электричества коаксиального типа, чувствительность аппаратуры к грозовым разрядам, выполнение контроля пульса пациента на специальной медицинской установке.

Чувствительные элементы детекторов волоконно-оптического типа относятся к классу изоляторов и характеризуются отсутствием чувствительности к наводкам и электромагнитным помехам. Эти свойства позволяют с высокой степенью достоверности (класс точности 02s) определять значения токов, величиной до 200 кА и напряжений, величина которых достигает 800 кВ.

Агрессивные средства

Трудностью для детекторов электрического типа является и измерение величин агрессивных химических веществ, продолжительные измерения деформации сооружений и объектов, находящихся под действием динамической нагрузки. Некоторые сложности вызывает и измерения, в которых имеется множество точек контроля, поскольку в этой ситуации наблюдается увеличение объема электрических кабелей до неприемлемых величин.

Чувствительные элементы датчиков из оптоволокна за счет наличия большого количества сенсоров могут выполнять одновременно функции по замеру различных физических величин, например температуры и деформации и т.д. Кабели, имеющие большое количество оптических волокон, способны выполнять измерения температурных полей при помощи тепловизоров и пирометров, а дистанционные замеры при помощи видеокамер скважинного типа.

Метрологическая калибровка

Одной из существенных проблем электромагнитных датчиков, вмонтированных внутрь объектов, например опорные конструкции или стены высоток, бетонные сооружения мостов и гидротехнических плотин является сложность выполнения поверки их показаний и калибровки устройств. Волоконно-оптические детекторы, учитывая их мультимодальность, отличаются встроенной функцией самоконтроля точности метрологических показателей, за которым следует подстройка под заданные параметры без использования эталонов для поверки и остановки технологических процессов.

Сферы применения

Развитие технологии производства волоконно-оптических детекторов позволило не только снизить стоимость этих устройств, но и решить ряд проблем, связанных с невозможностью использования обычных средств тензометрии для определения изменения физических величин в нетипичных условиях. Современные конструкции оптоволоконных детекторов применяются:

  • в системах безопасности и оповещения;
  • для контроля работы плавильных печей;
  • для обнаружения утечек на гидротехнических сооружениях;
  • контроль значений температуры во время различных технологических процессов;
  • в системах оповещения о пожарной тревоге;
  • с целью повышения эффективности использования газовых и нефтяных скважин;
  • для контроля герметичности емкостей для хранения сжиженного природного газа в терминалах и на судах;
  • при обнаружении протекания в трубопроводах и контроля уровня жидкости.

В дальнейшем специалисты прогнозируют развитие технологии таким образом, что закладываемые при строительстве новых сооружений оптико-волоконные системы смогут обеспечивать контроль и поддержание в необходимом диапазоне всех эксплуатационных параметров каждого объекта. Подобный подход может решить проблему моментального оповещения о происшествии и координации вызова экстренных служб.

Нефтедобыча

Использование волоконно-оптических детекторов позволяет повысить средний дебит каждой скважины, обеспечить увеличение продолжительности эксплуатации дорогостоящего насосного оборудования, достигаемого за счет внедрения систем мониторинга и автоматизации процесса. Получаемая с датчиков информация позволяет осуществлять управление процессом в режиме реального времени, своевременно корректировать параметры процесса.

Перспектива развития отрасли состоит в замене активных детекторов состояния объектов на системы пассивного контроля, что в свою очередь приведет к увеличению коэффициента извлекаемости ископаемых видов топлива и позволит снизить удельные затраты энергии на получение конечного объема продукта.

Транспортировка газа

В сфере газотранспортной системы измерение показателей температуры, давления, коррозии и деформации позволяют своевременно проводить упреждающее обслуживание газопроводов для обеспечения надежности ее работы. При этом типе оптоволоконной деформации используется кабель с дифракционными решетками, позволяющие измерять действующие нагрузки в широком диапазоне значений.

Особенности практического использования детекторов в сфере газодобычи показал наличие круглосуточного оперативного доступа для проверки технического состояния отдельных линий магистрали, что в свою очередь позволило снизить количество аварий на единицу длины трубопровода почти в 2,5 раза.

Хранение отработанного ядерного топлива

Остаточная опасность отработанных частиц ядерного топлива предъявляет особые требования к утилизации остатков продуктов распада. К полигону для хранения токсических соединений предъявляются достаточно строгие требования, среди которых необходимость обеспечения устойчивости к действию геохимических и механических факторов, обеспечение эффективности хранения с низкими эксплуатационными расходами в течение продолжительного периода времени, надежность и точность функционирования оборудования.

Значительно упростить процесс организации хранения этого вида отходов может использование чувствительных оптоволоконных элементов для определения температуры, деформации, смещения.

Авионика и автоэлектроника

Устойчивость к электромагнитным помехам, небольшие габариты, способность сохранять работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур у этих детекторов оказались востребованы в области автоэлектроники и авионики. Чаще всего в этих сферах применяются датчики углового и линейного положений, температуры и акселерометры. В области авиации эти устройства нашли применение в используемых там гироскопах, работающих на принципе интерферометра кольцевого типа и в системе навигации летательных аппаратов.

Медицина и биотехнологии

В области медицины и клеточных технологий, эти датчики нашли применение благодаря высокой разрешающей способности, небольшому диаметру и пластичности используемого оптического волокна, биологической и химической стойкости устройств.

Подробнее о применении в ядерной энергетике

В области практического применения ядерной энергетики детекторы этого типа ценят за возможность дистанционного определения ключевых показателей работы станции на безопасном для оператора расстоянии. Источник сигнала может находиться в десятках и сотнях километров от воспринимающего отклик устройства трансивера. Использование оптоволоконного кабеля позволяет избежать применения импульсных трубок, что в свою очередь делает ненужным использование металлоемкая арматура, входящая в состав труб, минимизируются неточности измерений.

Отдельное поступление сигналов обеспечивается за счет того, что каждый детектор имеет свою максимальную длину отражаемой волны. Кроме этого в конструкциях имеющих большое количество установленных в системе датчиков, сигналы от сенсорного элемента поступают с определенным временным интервалом.

Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе

Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе

Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.

Классический пример тензорезистора можно увидеть на следующей фотографии:

Типовая схема подключения тензорезистора показана на данном рисунке:

Обычно, в реальных устройствах, тензорезистор наклеивается на пружинную диафрагму. Под воздействием приложенного давления диафрагма деформируется, вместе с ней деформируется и тензорезистор.

Классическая система тензорезистивного сенсора, представленная на предыдущей иллюстрации, сделана из металла, проводника и подложки. При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.

Современные технологии производства сделали возможным изготовление подложки из кремния вместо металла. Кремний показывает высокие линейные упругие свойства в узком диапазоне деформаций и высокое сопротивление к усталости. Когда кремниевый тензорезистивный сенсор перенапрягается, он разрушается полностью, а не «течёт», как металлический сенсор. Это считают лучшим результатом, поскольку это ясно указывает на потребность в замене сенсора, тогда как металлический тензорезистивный сенсор продолжает функционировать после перенапряжения. Чтобы определить его неисправность, датчик давления необходимо демонтировать и проверить на установке для калибровки.

Упрощенная иллюстрация диафрагма / тензорезистор показана здесь:

Перемещение и изгиб диафрагмы под действием входного давления деформирует тензорезистор. На выходе появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению. Это напряжение можно усилить и преобразовать в стандартные сигналы: аналоговый 4 — 20 ма или цифровые типа HART, FOUNDATION Fieldbus или другие.

В некоторых проектах, единственный кремниевый композит служит в качестве и диафрагмы и подложки тензорезистора. Так, практически полностью, используются превосходные механические свойства кремния (высокая линейность и низкая усталость).
Однако, кремний химически несовместим со многими средами процесса, и поэтому давление должно быть передано кремниевой диафрагме/тензорезистору через химически инертную среду. Для этой цели устанавливают гибкую неупругую разделительную диафрагму, на которую действует измеряемое давление. Пространство между разделительной диафрагмой и кремниевой диафрагмой заполняют жидкостью (обычно на основе силикона или фторуглерода). Разделительная диафрагма передает давление процесса заполняющей жидкости, которая в свою очередь передает давление кремниевой диафрагме/тензорезистору.

Ниже приведена схема такого прибора:

Разделительная диафрагма разработана так, чтобы быть намного более гибкой, чем кремниевая диафрагма, потому что ее цель состоит в том, чтобы передать без изменений давление процесса до заполняющей жидкости, чтобы не действовать как упругий элемент. Таким образом, кремниевый датчик испытывает то же самое давление, что и приложенное к разделительной диафрагме, не входя в непосредственный контакт с жидкостью или газом технологического процесса.

Это использование заполняющей жидкости, чтобы передать давление от диафрагмы изоляции до чувствительной диафрагмы используется в большинстве, если не во всех, современных датчиках давления.

Пример датчика дифференциального давления, использующего тензорезистор на кремниевой подложке — модель Foxboro IDP10, показан на следующей фотографии:

Теория тензодатчиков — Типы, формулы и приложения

Тензодатчики основаны на резистивных свойствах металла. При растяжении металлический материал теряет или увеличивает свое электрическое сопротивление. Фольга тензодатчика наклеивается на материал, который будет проверяться с помощью специально адаптированного клея для тензодатчиков. Из-за правильной подгонки к исследуемому материалу тензодатчик изгибается так же, как и исследуемый материал, поэтому он воспроизводит напряжения.

Теория тензодатчиков рассказывает об элементах сопротивления, которые встречаются в большом количестве электронного оборудования. В основном они используются для измерения различных сил сжатия, растягивающих усилий и любых напряжений материалов. Они являются основным элементом автоматических систем при измерении веса, например. весы, емкости, резервуары для хранения. Правильно настроенные тензодатчики позволяют производить измерения массы, количества выдаваемого продукта и т. Д.

Чтобы правильно выбрать тип тензодатчика, следует определиться, в каких условиях он будет работать.Вам необходимо знать тип нагрузки, температуру, при которой она будет работать, и требования, которые она должна предъявлять для работы в этой системе. В настоящее время тензодатчики сопротивления заняли большую часть рынка и чаще всего используются для розничных и лабораторных измерений. Их преимущества:

  • чувствительность и точность измерения,
  • Прочность материалов при малых габаритах,
  • работают при высоких температурах и высоком давлении,
  • гибкость.

Применение тензодатчиков

Тензодатчики в основном используются для следующих измерений:

  • Измерение деформации — всякий раз, когда испытываемый материал находится под высоким напряжением или нагрузкой, он подвергается деформации, и именно здесь тензодатчик выполняет свою работу.
  • Измерение других величин — изменение сопротивления из-за приложенной нагрузки также может быть «преобразовано» для измерения множества других величин, таких как давление, смещение, сила, ускорение и т. Д.Обычно они прикрепляются к механическим преобразователям (например, сильфону) для измерения смещения, давления и других величин.

Клей для тензодатчиков

Тензодатчики прикрепляются к основанию с помощью специального клея, который склеивает их между собой. Тип клея зависит от требуемого срока службы измерительной системы. Основная задача клея для тензодатчика (связующего материала) — обеспечить наилучшее соединение тензодатчика с поверхностью исследуемого образца или объекта.Это позволяет передавать деформацию объекта с минимальными потерями на тензодатчик — более точное измерение. Для различных условий измерения требуются другие типы клея для тензодатчиков, поскольку каждый из них по-разному влияет на процесс измерения. Одно из самых важных (если не самое важное) — подготовить поверхность, на которой будет производиться соединение тензодатчика и объекта испытаний. Вышеупомянутую поверхность необходимо предварительно отшлифовать (например, специальной наждачной бумагой) и обезжирить.Тензодатчик необходимо приклеить сразу после этого, чтобы избежать окисления или загрязнения подготовленного участка. Без этого процесса приклеивание тензодатчика к поверхности может вызвать ошибки измерения и быть ненадежным.

Тип клея для тензодатчиков и материал, из которого изготовлены тензодатчики, являются запатентованными секретами компаний-производителей, благодаря этим параметрам материала достигается лучшая точность и чувствительность. Наиболее популярные тензодатчики бывают трех типов:

  • Тензодатчики трубчатые — из проволоки сопротивления в форме шланга,
  • Тензодатчики с сеткой
  • — последовательно соединенные провода сопротивления, расположенные параллельно, соединенные медной лентой,
  • фольг тензодатчики сопротивления — построенные на основе трубчатой ​​резистивной сетки, в сочетании с опорной прокладкой с металлической фольгой.

Типы клея для тензометрических датчиков

Для получения наилучшего возможного качества соединения тензодатчика и основания должны выполняться различные требования. Что касается рабочей температуры, это привело к появлению различных типов клеевых материалов для тензодатчиков. По технологии нанесения эти материалы можно выделить следующим образом:

  • Клеи для тензодатчиков холодного отверждения — Довольно легко и легко наносится.Можно выделить однокомпонентные клеи. которые начинают отверждаться при соответствующей влажности, а также двухкомпонентные клеи, которые необходимо перемешать перед нанесением. Клей для тензометрических датчиков с очень коротким временем реакции называют «суперклеями», которые в основном используются при экспериментальных измерениях.
  • Клеи для датчиков деформации горячего отверждения — Эти клеи требуют определенной температуры отверждения, чтобы сделать склейку возможной, поэтому их можно использовать только в том случае, если объект испытаний может быть помещен в такую ​​специфическую среду.Кроме того, клей горячего отверждения предлагает более широкий температурный диапазон применения, чем клей холодного отверждения, что означает, что его можно использовать более точно.

Для обеспечения правильной калибровки тензодатчика важно знать его наиболее важные параметры для соответствующей модели:

  • тензодатчик постоянный,
  • сопротивление в недеформированном состоянии (без воздействия внешних сил деформации),
  • активная длина сетки (база тензодатчика),
  • максимально допустимая деформация (максимальная деформация),
  • количество циклов измерения (динамическая стойкость),
  • температурный коэффициент сопротивления (TCR),
  • линейность.

Теория тензодатчиков электрического сопротивления

Электрические тензодатчики используют физические зависимости между электрическими параметрами и деформацией материала. В зависимости от измеряемых единиц существует разделение тензодатчиков:

  • магнитострикционный,
  • фотоэлектрический,
  • пьезоэлектрический,
  • емкостный,
  • индуктивный,
  • электрорезистивный.

Электрорезистивные тензодатчики характеризуются хорошей точностью и чувствительностью измерения деформации испытываемого образца.Расстояние между испытательным образцом и тензодатчиком может быть большим в случае электрических тензодатчиков, что также позволяет проводить измерения во многих местах измерения напряжений материала испытательной системы. Из-за очень низкого значения параметра инерции измерительной системы электросварные тензодатчики хорошо подходят для испытания быстро изменяющихся деформаций.

Внутренняя конструкция тензодатчика

Система тензодатчиков состоит из следующих компонентов:

  • датчик, преобразующий механические значения в электрические,
  • источник питания, генератор переменного тока с измерительным мостом,
  • Усилители постоянного и переменного тока,
  • Регистратор изменений электрических величин.
Рис. 1. Блок-система измерения усилителя тензодатчика с питанием от переменного напряжения

Где: G — генератор напряжения, R1, R2, R3, R4 — фольговый тензодатчик, R5 — мостовой балансировочный резистор, WS — селекторный усилитель сигнала, PF — фазер, выпрямитель, FD — фильтр нижних частот, W — измерение сопротивления.

Электрические тензодатчики основаны на принципе изменения электрического сопротивления из-за изменения длины металла, используемого в тензодатчиках. Формула сопротивления металла тензодатчика:

Где: R — сопротивление металла тензодатчика, p — удельное сопротивление тензодатчика, l — длина тензорезистора, A — площадь поперечного сечения тензодатчика.

В тензодатчиках теории сопротивления их длина называется основанием тензодатчика. В процессе работы с образцами изменяется длина основания тензодатчика. При этом изменяется и длина металлической проволоки, что напрямую влияет на изменение ее сопротивления.
Формула, определяющая изменения деформации в зависимости от изменений сопротивления, выглядит следующим образом:

Где: k — постоянная тензодатчика, ε — деформация, R / R — изменение сопротивления тензодатчика.

Две предыдущие формулы описывают основные физические зависимости электрического сопротивления тензодатчиков. Подавляя закон Гука, можно получить напряжение в определенной точке образца:

Значение постоянной тензодатчика зависит от материала, из которого изготовлен датчик, и ее значения варьируются от 1,6 до 3,6. Другие названия постоянной тензодатчика — «чувствительность к деформации» и «значение чувствительности тензодатчика».

Отличительной особенностью электрических тензодатчиков является метод получения значений деформации испытуемого материала. В этом процессе тензодатчик используется вместе с клеем, специально созданным для таких задач. Чтобы правильно зафиксировать тензодатчик, очистите тестовую поверхность. Весь процесс выбора фольги, формы тензодатчика и наклеивания занимает много времени. Необходимо тщательно все подготовить и просчитать места залипания и форму тензодатчика.

Электрорезистивный датчик деформации хорошо работает с подмножеством статических, динамических и движущихся образцов. У них высокая чувствительность и собственный вес не влияет на погрешность измерений. Передача деформаций непосредственно на резистивный провод позволяет избежать передачи и проскальзывания. Значения результатов безразмерны, поэтому они не зависят от значения постоянной тензодатчика. Обследование нескольких мест одного образца не представляет проблемы для электрического тензодатчика.Кроме того, результаты можно получить в реальном времени через беспроводное соединение. Благодаря использованию компенсирующих тензодатчиков влияние влажности и температуры на результаты измерений устраняется.

Основные типы тензодатчиков

Чаще всего используются три типа электрических тензодатчиков: трубчатые тензодатчики, тензодатчики с сеткой, тензодатчики с фольгой, у которых фольга является наиболее популярной в промышленности.

Тензодатчик изготовлен из куска проволоки, покрытой с обеих сторон фольгой или бумагой.Связь провода с электрической цепью обеспечивает медную полоску, подключенную к обоим концам провода. Его диаметр колеблется от 0,02 мм до 0,05 мм.

Рис. 2. Тензодатчик трубчатый

Сетчатый тензодатчик изготовлен из параллельно проложенных проводов, соединенных медной лентой большей ширины и меньшего удельного сопротивления. Из-за использования ленты с большим поперечным сечением сопротивление деформации ленты настолько мало, что его невозможно измерить прибором, калиброванным с помощью тензодатчиков.Следовательно, тензодатчик имеет гораздо более низкую чувствительность, когда дело касается измерений в поперечном направлении. Исполнение проволоки постоянное, диаметр не превышает 50 мкм. Соединение медных лент с проводами производится при помощи оловянной пайки. Олово является проблемой при измерениях при высоких температурах выше 180 градусов Цельсия. Базовое значение сетчатых тензодатчиков составляет от 5 мм до 70 мм.

Рис. 3. Сетчатый тензодатчик

Фольгированный тензодатчик изготовлен из металлической фольги, толщина которой не превышает 0.025 мм. Метод изготовления фольги для тензодатчиков аналогичен печатным схемам на гибких пленках. Благодаря литографической технике можно создавать тензодатчики с размерами и формой, идеально подходящими для исследования.

Рис. 4. Фольговый тензодатчик

Розетки тензодатчика

Розетка тензодатчиков представляет собой набор тензодатчиков, установленных заранее запланированным образом. Количество применяемых тензодатчиков зависит от значений, рассчитанных при подборе тензодатчиков к испытуемому образцу.

Рис. 5. Розетки для тензодатчиков

Розетки для тензодатчиков можно разделить на три типа: прямоугольные розетки (измеряют деформации в многоосном состоянии), тройники (измеряют двухосные напряжения), резьбовые розетки (измеряют образцы на кручение).
Тензодатчик должен быть надлежащим образом подготовлен, в идеале приклеив его к испытываемому материалу. Используемый клей должен быть специально подготовлен для использования в тензодатчиках. Его толщина не должна превышать 10 микрометров. Работа клея должна изолировать провода от испытуемого материала.Клей должен выдерживать высокие рабочие температуры без изменения своих физических и электрических свойств. После правильного приклеивания тензодатчика вся система покрывается защитным слоем, это может быть воск.

Рис. 6. Тензодатчик клееный

Типы тензодатчиков

Датчик деформации механический

Механические тензодатчики — одни из самых простых в изготовлении и измерении. Метод измерения состоит в измерении удлинения лопастей и считывании этого значения на шкале, увеличенной в 1000 раз, передаваемой с помощью механических рычагов.На следующем рисунке показан механический тензодатчик Huggenberger, конструкция которого состоит из подвижного неподвижного лезвия, ручек, указателя и шкалы.

Рис. 7. Механический тензодатчик Huggenberger

При изменении значения деформации активируется движение рычага. Тензодатчик Huggenberger имеет основание тензодатчика со значениями в диапазоне от 5 до 100 мм. Тензодатчики немного тяжелее, потому что они весят около 50 г.

Струнный тензодатчик

Чаще всего используются в строительных конструкциях.Измеряется напряжение поверхности и масса испытуемого материала. Основным элементом тензодатчика струны является плотно натянутая струна, регулируемая винтами. Он помещается между двумя лопастями.

Измерение производится с помощью вибрационных и резонансных колебаний. Испытаниям подвергаются натянутые струны, натянутые между лопатками.

Рис. 8. Струнный тензодатчик

Тензодатчик оптический

Оптические тензодатчики преобладают над механическими тензодатчиками с точки зрения разрешения исследуемых деформаций.Благодаря большому соотношению они могут выполнять более точные измерения. Самым популярным типом тензодатчиков как оптических является тензодатчик Мартенса с зеркалом.
Работа оптического тензодатчика основана на исследовании длины измерительной базы. При изменении длины основания зеркало вращается и свет падает на шкалу, которая считывается телескопом. Во время работы этого тензодатчика должны соблюдаться очень жесткие условия по отношению к механическим ударам окружающей среды.

Рис. 9. Зеркальный тензодатчик Мартенса

Пневматический тензодатчик

Пневматические тензодатчики отличаются очень высокой точностью и разрешающей способностью. Его работа основана на зависимости деформации от площади поперечного сечения насадки, которая влияет на высоту воды. Благодаря изменению высоты мы можем прочитать изменение деформации на шкале.

Формула тензодатчика в измерениях с использованием тензодатчиков Мост Уитстона

Обычно используемые системы измерения: e.г. система мостов Уитстона. Этот мост состоит из четырех резисторов, подключенных к мостовой схеме. Источник напряжения подключен к точкам A и B. От точки C-D измеряется напряжение дисбаланса моста.

Рис. 10. Мост для тензодатчиков Уитстона

Задача моста для тензодатчиков — измерять разницу сопротивлений. Чтобы начать правильные измерения, мост следует сбалансировать. Требуется, чтобы напряжение между точками C-D составляло 0 вольт, тогда условие равновесия соблюдено.Сопротивление по формуле тензодатчика:

Мост уравновешивается в момент равновесия, которое достигается указанным выше состоянием равновесия. Несбалансированные мосты также используются для измерений тензодатчика. Несбалансированный мост возникает только для одной комбинации значений сопротивления, которые удовлетворяют условию равновесия. При изменении номинала одного или нескольких резисторов между точками C-D появится напряжение, отличное от нуля.
Напряжение ΔU можно рассчитать по формуле тензодатчика:

Во время измерений тензодатчиками все резисторы, используемые в мостовой схеме тензодатчиков, имеют одинаковые начальные значения сопротивления.Если, однако, один тензодатчик изменяет значение сопротивления, выходное напряжение рассчитывается по формуле тензодатчика:

Активный тензодатчик, это тензодатчик, сопротивление которого изменяется под действием деформации. После некоторых преобразований предыдущего шаблона, мы получаем формулу, которая показывает зависимость напряжения от ΔU напряжения питания.

Активные тензодатчики должны иметь соответствующую настройку, чтобы чувствительность моста была правильной:

Инжир.11. Конфигурации тензодатчиков Уитстона

Для правильной работы тензодатчиков необходимы деформации с противоположными знаками в активных тензодатчиках, это достигается за счет правильного подключения тензодатчиков в мосту. Один из способов добиться такого требования — приклеить их на противоположных сторонах испытуемого материала. Тензодатчики должны быть подключены к противоположным плечам моста, если сопротивление имеет тот же знак, а если изменение сопротивления имеет противоположный знак, тензодатчик должен быть подключен к ближайшим плечам тензодатчика моста.В случае неправильного подключения тензодатчиков напряжение в точках C-D не появится, и, таким образом, все изменения сопротивления будут компенсированы, и результат не будет получен.

Рис. 12. Неправильное подключение тензодатчика к соседним дорожкам цепи

Четыре тензодатчика, подключенные одновременно при одной и той же рабочей температуре, дают наилучшие результаты с точки зрения компенсации сопротивления тензодатчиков под воздействием внешней температуры.

Не имеет значения, действуют ли одни и те же силы на тензодатчики.Существуют также компенсирующие тензодатчики, задачей которых является компенсация температуры, а не измерение деформаций, как в других тензодатчиках. Второе неожиданное использование тензодатчиков — комбинация двух тензодатчиков вместе с внешними резисторами, которые вместе образуют полумост тензодатчика, также используемый для температурной компенсации. То же самое относится и к использованию только одного тензодатчика, тогда вы должны присоединить снаружи системы до трех резисторов, которые вместе образуют четвертьмостовой тензодатчик Уитстона.В случае мостовой системы тензодатчики могут работать независимо в количестве четырех, двух или одного. На полумост могут работать два или один тензодатчик. Главный принцип балансировки моста состоит в том, что в тензодатчиках в оцениваемых плечах они должны изменять значения своего сопротивления в противоположных направлениях.

Рис. 13. Типы мостовых тензодатчиков

Чтобы избежать нежелательного термоэлектрического эффекта, на мостик тензодатчиков подается переменное напряжение. Он образуется на границе раздела проволоки с медными выводами тензодатчика и в результате изменений температуры.

Как использовать тензодатчик

Чтобы узнать, как использовать тензодатчик, первым делом необходимо измерить деформации с помощью резистивного тензодатчика, следует полагаться на явление изменения сопротивления проводника, которое влияет на его форму. Проверка элемента на вибрацию должна начинаться с правильного крепления тензодатчика к испытуемой поверхности. Испытываемый элемент воздействует на тензодатчик, значения сопротивления которого изменяются под влиянием изменения размера. Зависимость, определяющая сопротивление R, его изменение ΔR и деформацию ε, возникает по уравнению:

Где константа k — коэффициент чувствительности к деформации тензодатчика.

Электрический сигнал, содержащийся в значении ΔR / R, преобразуется в сигналы напряжения в измерительных устройствах. Значение этого сигнала пропорционально значению деформации ε, которое влияет на тензодатчик.

Источники:

1. http://www.imio.polsl.pl/Dopobrania/WM_lab_tensometry.pdf

2. Учебные материалы MEASUREMENTS GROUP Mebtechnik GmbH, Измерительная техника в механике, Варшава, 1995.

3. http: // elektron.pol.lublin.pl/djlj24/pwn/cw1.pdf

4. Хоффманн К., Введение в измерения с использованием тензодатчиков, http://www.hbm.com/fileadmin/mediapool/techarticles/hoffmannbook/Hoffmann-book_EN.pdf

Что такое тензодатчик?

Введение в тензодатчики

Тензодатчик (иногда называемый тензодатчиком) — это датчик, сопротивление которого зависит от приложенной силы; Он преобразует силу, давление, натяжение, вес и т. Д., в изменение электрического сопротивления, которое затем можно измерить. Когда к неподвижному объекту прикладываются внешние силы, в результате возникают напряжение и деформация. Напряжение определяется как внутренние силы сопротивления объекта, а деформация — как возникающие смещение и деформация.

Тензодатчик — один из наиболее важных датчиков в технике электрических измерений, применяемых для измерения механических величин. Как видно из названия, они используются для измерения деформации.Технический термин «деформация» состоит из деформации растяжения и сжатия, различаемых положительным или отрицательным знаком. Таким образом, тензодатчики могут использоваться для измерения расширения, а также сжатия.

Напряжение тела всегда вызвано внешним или внутренним воздействием. Деформация может быть вызвана силами, давлениями, моментами, теплом, структурными изменениями материала и т.п.Если выполняются определенные условия, количество или значение влияющей величины может быть получено из измеренного значения деформации. Эта функция широко используется в экспериментальном анализе напряжений. Экспериментальный анализ напряжений использует значения деформации, измеренные на поверхности образца или детали конструкции, для определения напряжения в материале, а также для прогнозирования его безопасности и прочности. Специальные преобразователи могут быть разработаны для измерения сил или других производных величин, например моментов, давлений, ускорений, смещений, вибраций и других.Преобразователь обычно содержит чувствительную к давлению диафрагму с прикрепленными к ней тензодатчиками.

Узнайте больше о тензодатчиках и истории измерительных датчиков.

Подробнее о тензодатчиках

Прецизионные тензодатчики общего назначения


Прецизионные тензодатчики общего назначения — это тензодатчики с корпусом из константановой фольги, предлагаемые в большом количестве моделей для научного, промышленного и экспериментального анализа напряжений.Эти прецизионные тензодатчики могут использоваться для экспериментального анализа напряжений, мониторинга промышленного оборудования или различных научных приложений. В разделе «Тензодатчики общего назначения» вы найдете образцы тензодатчиков рядом с номерами деталей, чтобы вы могли видеть геометрию тензодатчика. Габаритные размеры также представлены в единицах СИ (метрическая система, мм) и стандартная система США (английский язык, дюймы). Прецизионные тензодатчики общего назначения предлагаются в линейных моделях, двойных параллельных сетках, тройниковых розетках (0/90 °), прямоугольных или дельта (45 или 60 °), штабелированных или плоских розетках, а также на сдвигах.

Тензодатчики качества преобразователя


Тензодатчики уровня преобразователя предназначены для клиентов, которые производят преобразователи или аналогичные чувствительные устройства. Тензодатчики, соответствующие качеству преобразователя, имеют более жесткие допуски на размеры трима держателя, что позволяет при необходимости использовать край держателя для выравнивания тензодатчика. Они также имеют более жесткие допуски на номинальные значения сопротивления. Эти датчики могут быть настроены на ползучесть в соответствии со спецификациями производителя преобразователя, а также могут быть адаптированы к уникальным требованиям преобразователя.Они также являются отличными стандартными приборами для экспериментального анализа напряжений и / или проектов проверки деформации.

Тензодатчики Karma



Рекомендации по выбору тензодатчиков


  1. Длина манометров
  2. Количество калибров в шаблоне шкалы
  3. Расположение калибров по типу калибра
  4. Сопротивление сети
  5. Чувствительный к деформации сплав
  6. Несущий материал
  7. Ширина колеи
  8. Язычок под пайку
  9. Конфигурация выступа под пайку
  10. Наличие
Omega предлагает полную линейку тензодатчиков Karma.Тензодатчики Karma могут использоваться для различных статических и динамических приложений. Тензодатчики Karma используются для датчиков, где требуется долговременная стабильность или работа при более высоких температурах. При использовании при комнатной температуре для измерения статической деформации преобразователь будет иметь очень хорошую стабильность в течение месяцев или даже лет. Тензодатчики Karma также предлагаются для измерения статической деформации в широком диапазоне температур от -75 до 200 ° C (от -100 до 392 ° F) из-за их хорошей линейности в этом широком диапазоне температур.Тензодатчики Karma часто используются в конструкциях датчиков, рассчитанных на усталость. Усталостная долговечность сплава Karma, как правило, намного лучше, чем у константана, поэтому датчики, использующие тензодатчики Karma, обеспечивают хорошую усталостную долговечность. Karma — это никель-хромовый сплав, который был выбран в качестве материала для тензодатчиков из-за его способности компенсировать модуль упругости, что способствует значительному уменьшению сдвига диапазона в конструкции датчика.

Для сплавов Karma коэффициент толщины имеет тенденцию уменьшаться с повышением температуры. Этот эффект уменьшения модуля упругости приведет к уменьшению смещения пролета.У сплавов Karma есть недостатки, например, их сложно паять без специальных флюсов. У OMEGA есть решение. Мы устранили эту проблему, предложив наши тензодатчики Karma с медными контактными площадками под пайку. Никаких специальных флюсов или процедур не требуется.

Тензодатчики из фольги


Первый тензодатчик с металлической проволокой был разработан в 1938 году. Тензорезистор с металлической фольгой состоит из сетки из проволочной нити (резистора) приблизительно 0 Ом.001 дюйм (0,025 мм) толщиной, приклеенный непосредственно к деформируемой поверхности тонким слоем эпоксидной смолы. Когда к поверхности прикладывается нагрузка, результирующее изменение длины поверхности передается на резистор, и соответствующая деформация измеряется в единицах электрического сопротивления фольги, которое изменяется линейно с деформацией. Диафрагма из фольги и адгезивный связующий агент должны работать вместе, передавая напряжение, в то время как адгезив также должен служить в качестве электрического изолятора между сеткой из фольги и поверхностью.При выборе тензодатчика необходимо учитывать не только деформационные характеристики датчика, но также его стабильность и температурную чувствительность. К сожалению, наиболее желательные материалы для тензодатчиков также чувствительны к колебаниям температуры и имеют тенденцию изменять сопротивление по мере старения. Для кратковременных применений это может не быть серьезной проблемой, но для непрерывных промышленных измерений необходимо включать компенсацию температуры и дрейфа.

Выберите подходящий тензодатчик

Тензодатчики с предварительно подключенной проводкой
Прецизионные манометры с присоединенным изолированным проводом длиной 1 м или 3 м для упрощения установки.Манометры серии KFH доступны в линейных формах, тройниковых розетках или плоских розетках 0/45/90. Тензодатчики для приложений сдвига или крутящего момента
Полумостовые тензодатчики для приложений сдвига или крутящего момента.Их прочная конструкция, надежность и гибкость делают их подходящими для высокоточных статических и динамических преобразователей.

Часто задаваемые вопросы

Цепи тензодатчиков


Чтобы измерить деформацию с помощью тензодатчика сопротивления, он должен быть подключен к электрической цепи, способной измерять мельчайшие изменения сопротивления, соответствующие деформации.В тензодатчиках обычно используются четыре элемента тензодатчика, которые электрически соединены и образуют мостовую схему Уитстона. На рисунке 1 показана типичная диаграмма тензодатчика. Мост Уитстона — это схема с разделенным мостом, используемая для измерения статического или динамического электрического сопротивления. Выходное напряжение моста Уитстона выражается в выходных милливольтах на входной вольт. Схема Уитстона также хорошо подходит для температурной компенсации. Количество активных тензодатчиков, которые необходимо подключить к мосту, зависит от области применения.Например, может быть полезно соединить датчики, которые находятся на противоположных сторонах балки, один при сжатии, а другой при растяжении. В такой конфигурации можно эффективно удвоить мощность моста при той же деформации. В установках, где все рычаги подсоединены к тензодатчикам, температурная компенсация выполняется автоматически, поскольку изменение сопротивления (из-за колебаний температуры) будет одинаковым для всех плеч моста.

Тензодатчики на заказ


OMEGA может изготовить тензодатчики на заказ.Мы понимаем, что нашим клиентам может потребоваться нестандартный узор, изготовленный в соответствии с их спецификациями. Пользовательские тензодатчики могут быть спроектированы для упрощения установки тензодатчиков для конкретного применения или для среды с ограниченным пространством. Если вы не найдете то, что вам нужно в нашем стандартном ассортименте, сообщите нам об этом. Мы можем настроить ваш тензодатчик в соответствии с вашими потребностями, в том числе:
  • Изменение стандартной ширины колеи
  • Создание пользовательской розетки или шаблона тензодатчика
  • Поместите несколько манометров на общий держатель
  • Обеспечьте нестандартную длину вывода
  • Использовать нестандартный материал
  • Переставьте контактные площадки для пайки или обеспечьте дополнительные точки подключения
  • Произведите обрезку определенного размера или формы, чтобы устранить препятствия
Мы можем предоставить индивидуальные характеристики ползучести в соответствии с вашим пружинным элементом, чтобы максимизировать производительность вашего датчика.Наша команда будет работать с вами над повышением или понижением компенсации ползучести в зависимости от результатов ваших испытаний. OMEGA может предоставить 1/2 или полный мост Уитстона или индивидуальные розетки. Мы стремимся сделать покупку нестандартного тензодатчика быстрой и простой. Просто отправьте OMEGA свой собственный чертеж вместе с вашими спецификациями и требуемым количеством тензодатчиков. Команда OMEGA будет работать с вами над вашим приложением и предоставить расценки на специальные тензодатчики.Мы можем изготовить контрольные образцы нестандартных калибров всего за 2 недели. С объемами производства вскоре после этого. Для вашего тензодатчика будет создан индивидуальный номер детали, чтобы сделать будущий заказ быстрым и легким.

Тензодатчик | Сопутствующие товары

↓ Посмотреть эту страницу на другом языке или регионе ↓

Тензорезистор

Канада от тензодатчиков Micro Measurements

Тензомер

Тензодатчик — это устройство, используемое для измерения деформации объекта.Изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром Руге в 1938 году, самый распространенный тип тензодатчика состоит из изолирующей гибкой основы, которая поддерживает узор из металлической фольги. Датчик прикрепляется к объекту подходящим клеем, например цианоакрилатом. [1] По мере деформации объекта фольга деформируется, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как калибровочный коэффициент.

Тензодатчик Micro Measurements

Для каждой из этих геометрических форм сетки те шаблоны, которые наиболее часто используются нашими клиентами, перечислены первыми с полными спецификациями.Для менее часто используемых шаблонов следуют дополнительные списки с частичными спецификациями. В обоих списках шаблоны размеров отображаются в буквенно-цифровом порядке, увеличиваясь от наименьшей длины сетки до наибольшей.

Некоторые редко, если вообще когда-либо, упорядоченные шаблоны, перечисленные в предыдущих версиях этого справочника, были опущены. Мы, конечно же, продолжим предоставлять эти шаблоны по запросу для клиентов, которые в настоящее время их используют. За подробностями обращайтесь в отдел разработки приложений в нашем ближайшем к вам офисе.

Тензометрические датчики и датчики специального назначения представлены в отдельных списках:

Advanced Sensors Gages

Клиентам, для которых требуются измерительные приборы для производства прецизионных промышленных преобразователей, настоятельно рекомендуется обращаться в наш отдел разработки приложений. Они могут оказать помощь в выборе подходящего усовершенствованного датчика для вашего конкретного применения.

Тензодатчики на заказ

Micro-Measurements поддерживает самый широкий ассортимент тензометрических датчиков, доступных на сегодняшний день.Будь то анализ напряжений, изготовление преобразователей или специальные приложения, у нас есть не только широкий выбор, но и большой и разнообразный инвентарь, который легко доступен для немедленной доставки.

Однако для многих наших клиентов требуются приборы, изготовленные по их индивидуальным характеристикам. Хотя мы считаем, что наш широкий ассортимент стандартных каталожных датчиков удовлетворит большинству требований, мы осознаем потребность в продукции по индивидуальному заказу и стремимся к ее качественному обслуживанию.

Тензодатчики для анализа напряжений

Micro-Measurements поддерживает опытные и хорошо обученные приложения инженерный состав. Наши инженеры-прикладники так близки как ваш телефон, и мы настоятельно рекомендуем вам позвонить им для получения рекомендаций в выборе тензодатчика для соответствия вашему конкретному тесту требования.

<< Учиться Более >>

Техническая информация о тензодатчиках

Подробную техническую информацию о выборе и применении тензодатчиков можно найти в специальной серии технических заметок, технических советов и бюллетеней с инструкциями по технологии тензодатчиков.Тщательное знакомство с этими публикациями поможет обеспечить стабильный успех в использовании тензодатчиков для микроизмерений.

Принадлежности и приборы для тензодатчиков

В дополнение к обширному выбору тензодатчиков, микро-измерения предлагает полный спектр дополнительных товаров. Штамм Принадлежности для манометров включают материалы для подготовки поверхности, клеи, инструменты для установки, защитные покрытия, вывод и хост других прикладных инструментов, оборудования и расходных материалов.Инструменты диапазон от портативных цифровых индикаторов деформации до сложных системы с компьютерным управлением для сбора, хранения, и сокращение тестовых данных. Статические и динамические измерения доступны инструменты, каждый из которых уникально разработан, чтобы обеспечить стабильное, точное и надежное измерение деформации.

<< Учиться Более >>

Программы обучения тензодатчиков

Обучение клиентов правильному использованию методов измерения деформации является важной частью философии Micro-Measurements.В поддержку этого принципа Micro-Measurements проводит обширную серию регулярно планируемых технических семинаров, практикумов и коротких курсов. Преподаватели курсов являются признанными авторитетами в своей области.

<< Учиться Более >>

Тензодатчики

— Bestech Australia

Тензодатчики, также известные как тензодатчики, представляют собой датчик, используемый для измерения деформации в конструкции или материале посредством измерения изменения сопротивления.Изменение сопротивления возникает из-за силы, приложенной к объекту. Датчик тензодатчика может быть прикреплен или приклеен к объекту, например, металлу, пластику, дереву, композитным материалам, или может быть встроен в бетон или строительный раствор для измерения деформации на поверхности. Измеритель представляет собой сетку из металлической резистивной фольги, которая доступна в широком диапазоне форм сеток и размеров датчиков для различных применений. Он сконструирован путем формирования сетки из тонкого провода электрического сопротивления или металлической резистивной фольги с фотографическим травлением на электроизоляционной основе и присоединения измерительных проводов.

Bestech Australia поставляет широкий спектр тензодатчиков, таких как фольговый тензодатчик, водонепроницаемый тензодатчик, свариваемый тензодатчик, тензодатчик пресс-формы, магнитный тензодатчик, тензодатчик болта и датчики обнаружения трещин для промышленных испытаний и измерений, а также для исследовательских целей. Наши тензодатчики подходят для широкого спектра применений, включая измерения в экстремальных температурных условиях, таких как криогенные или высокие температуры, измерения на специальных поверхностях, таких как бетон, строительный раствор, композит и асфальт, измерение распространения трещин и измерение общих деформаций в исследованиях и промышленности.

Фольговые тензодатчики

широко используются для измерения физических деформаций, напряжений, крутящего момента и силы в морских, авиационных, гражданских и машиностроительных приложениях, а также в архитектуре, автомобильных испытаниях и медицине. Эти тензодатчики имеют свои собственные ограничения по температуре / влажности, усталости, величине деформации и материалам, которые подвергаются испытаниям. Это необходимо учитывать при выборе подходящих тензодатчиков для достижения наилучших возможных результатов.

Загрузите наш каталог тензодатчиков , чтобы просмотреть полный ассортимент наших тензодатчиков.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.