Как работает тензодатчик

Тензодатчик — это электронный измерительный преобразователь, превращающий механическую деформацию упругого элемента в изменение электрического сопротивления и далее, через мостовую схему, в напряжение на выходе. В основе работы — тензоэффект: при упругой деформации проводника или полупроводника его электрическое сопротивление меняется пропорционально относительной деформации. Сами по себе изменения сопротивления крайне малы (как правило, доли процента при допустимой деформации), поэтому тензорезисторы включают в мост Уитстона — схему, в которой малое изменение сопротивления одного, двух или четырёх плеч даёт пропорциональное напряжение в диагонали моста. По этому напряжению вычисляют деформацию, а через градуировку — силу, вес, момент или давление. Ниже разобраны физика тензоэффекта, мост Уитстона и его конфигурации, схемы силоизмерительных и весовых датчиков, температурная компенсация и калибровка.

Что такое тензодатчик

В отечественной терминологии устройство, преобразующее силу или вес в электрический сигнал на основе тензоэффекта, называют тензорезисторным силоизмерительным датчиком; его общие технические требования и методы испытаний регламентированы действующим ГОСТ 28836-90 «Датчики силоизмерительные тензорезисторные. Общие технические требования и методы испытаний». Сам чувствительный элемент — тензорезистор — рассматривается отдельным стандартом ГОСТ 21616-91 «Тензорезисторы. Общие технические условия»; терминологическая база — ГОСТ 20420-75 «Тензорезисторы. Термины и определения».

Конструктивно тензодатчик объединяет три основных элемента:

• упругий элемент (металлическая балка, кольцо, мембрана, столбик), деформирующийся под действием измеряемой силы или давления;
• тензорезисторы, наклеенные на упругий элемент в зонах максимальной деформации;
• мостовую измерительную схему (мост Уитстона), которая преобразует малое изменение сопротивления тензорезисторов в напряжение на выходе.

Тензодатчик не измеряет силу напрямую. Он измеряет деформацию упругого элемента, которая по закону Гука пропорциональна приложенной силе. Качество датчика — это в первую очередь качество упругого элемента и правильно наклеенных тензорезисторов.

Тензоэффект и коэффициент тензочувствительности

Тензоэффект — изменение активного электрического сопротивления проводника или полупроводника при его механической деформации. Для тонкого проводника длиной L и площадью сечения S сопротивление выражается формулой R = ρL/S; при упругой деформации меняются и геометрические размеры (L и S), и удельное сопротивление ρ. Суммарное относительное изменение сопротивления:

Коэффициент тензочувствительности K определяется как отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации:

У металлических тензорезисторов (наиболее распространены сплавы константана и нихрома) тензоэффект определяется в основном изменением геометрии проводника; для константана K составляет около 2 и слабо зависит от деформации, что делает константан фактически стандартным материалом для тензорезисторов общего назначения. У полупроводниковых тензорезисторов на основе кремния тензоэффект связан с изменением подвижности носителей заряда при деформации; K у них может достигать десятков и сотен, но материал более чувствителен к температуре, имеет нелинейность и применяется в специальных задачах.

Относительные изменения сопротивления при типичных рабочих деформациях тензорезисторов крайне малы — как правило, существенно меньше одной сотой доли. Прямое измерение такого ΔR омметром невозможно; мост Уитстона предназначен именно для извлечения этого малого сигнала.

Конструкция тензорезистора

Современный тензорезистор — тонкая металлическая фольга, вытравленная в виде зигзагообразной решётки на тонкой полимерной подложке. Согласно ГОСТ 21616-91 тензорезисторы классифицируют:

Тензорезистор наклеивается на поверхность упругого элемента специальным клеем, который передаёт деформацию подложки и далее решётки. При приложении силы к упругому элементу его поверхность растягивается или сжимается; вместе с ней деформируется тензорезистор; сопротивление меняется в соответствии с тензоэффектом.

Розетки (две или три тензорезисторных решётки на одной подложке под разными углами) применяются для измерения сложных деформаций, в том числе для определения главных деформаций в случаях, когда направление главных осей заранее не известно.

Мост Уитстона и формула выхода

Мост Уитстона — четырёхплечевая мостовая схема, в которой к диагонали питания подаётся напряжение возбуждения U_пит, а с диагонали измерения снимается выходное напряжение U_вых. В одной из самых известных форм для четырёх резисторов R₁, R₂, R₃, R₄, расположенных по кольцу, мост находится в равновесии при условии R₁ · R₃ = R₂ · R₄; при этом U_вых = 0.

При малых отклонениях сопротивлений ΔR_i от исходного R с хорошей точностью справедлива линеаризованная формула выхода моста при питании напряжением U_пит:

Знаки относительных изменений сопротивления в формуле чередуются: плечи, расположенные по диагонали, дают вклад одного знака, соседние плечи — противоположного. Это ключ к пониманию того, как полу- и полный мост повышают чувствительность и одновременно компенсируют температуру и паразитные деформации.

Сила полезного сигнала на выходе моста определяется арифметической разностью относительных изменений сопротивления в противоположных плечах. Поэтому чем больше плеч моста активно реагирует на полезную деформацию, тем сильнее выходной сигнал.

Четверть-, полу- и полный мост

В зависимости от числа активных тензорезисторов в плечах различают три классические схемы.

В промышленных нагрузочных тензодатчиках почти всегда применяется полный мост с четырьмя тензорезисторами, наклеенными на упругий элемент в соответствии с расчётом так, чтобы под нагрузкой два тензорезистора растягивались, а два — сжимались. Их сопротивления меняются на величины +ΔR и −ΔR; в формуле выхода моста это даёт максимальный сигнал, а температурные приращения, общие для всех четырёх плеч, взаимно компенсируются.

Чувствительность нагрузочного датчика принято выражать в милливольтах выходного сигнала на вольт напряжения питания при номинальной нагрузке. Типичные паспортные значения для серийных датчиков лежат в диапазоне единиц милливольт на вольт; конкретное значение приведено в паспорте на данный тип датчика.

Измерение силы, веса, момента и давления

Один и тот же принцип — деформация упругого элемента, регистрируемая полным мостом тензорезисторов — лежит в основе целого семейства датчиков.

Электрический сигнал с моста после усиления и оцифровки преобразуется в показания в инженерных единицах (Н, кг, Н·м, Па) на основе градуировочной характеристики, полученной при заводской калибровке.

Температурная компенсация

Изменение температуры влияет на показания тензодатчика по двум основным механизмам:

• температурный коэффициент сопротивления (ТКС) самих тензорезисторов: сопротивление меняется без приложения нагрузки;
• различие коэффициентов температурного расширения тензорезистора и материала упругого элемента: даже без внешней нагрузки тензорезистор испытывает «кажущуюся» деформацию.

Современные схемы и материалы решают эту задачу несколькими способами:

1. Самокомпенсация тензорезисторов. Состав сплава тензорезистора подбирается так, чтобы суммарный температурный сдвиг сопротивления оказался близок к нулю для конкретной марки металла упругого элемента (сталь, алюминий).
2. Полный мост. Все четыре плеча моста испытывают одинаковое температурное приращение сопротивления; в линеаризованной формуле выхода эти приращения взаимно сокращаются.
3. Компенсационные резисторы и термисторы. В цепи моста устанавливают дополнительные элементы, корректирующие смещение нуля и чувствительность при изменении температуры в нормированном диапазоне.
4. Использование табличных коэффициентов в нормирующем преобразователе. Современные тензометрические индикаторы и преобразователи учитывают температуру корпуса датчика и применяют поправки из паспорта.

Полная температурная компенсация возможна только при равномерном прогреве упругого элемента и моста. Локальный нагрев одной части датчика (например, от соседнего трубопровода или электродвигателя) вызывает односторонние термические деформации, которые мост не отличает от полезной нагрузки.

Калибровка и поверка

Тензодатчики, применяемые в средствах измерений, проходят градуировку у изготовителя и периодическую поверку или калибровку в эксплуатации.

• Градуировка у изготовителя устанавливает индивидуальную или групповую градуировочную характеристику датчика — соответствие между приложенной нагрузкой и выходным сигналом (мВ/В при номинальном питании). Характеристика и допускаемые погрешности фиксируются в паспорте.
• Поверка — обязательная процедура для средств измерений утверждённого типа в сферах государственного регулирования (включая весоизмерительную технику для торговли и для коммерческого учёта). Проводится аккредитованной поверочной лабораторией с применением эталонов более высокого разряда; результат — свидетельство о поверке (либо извещение о непригодности).
• Калибровка — добровольная процедура; применяется в производственных задачах вне сферы государственного метрологического контроля. Подтверждает соответствие фактических метрологических характеристик заявленным.

Для весоизмерительной техники общие технические требования и методы испытаний весоизмерительных тензорезисторных датчиков установлены действующим ГОСТ 8.631-2013 «ГСИ. Датчики весоизмерительные. Общие технические требования. Методы испытаний» (модифицирован относительно международной рекомендации OIML R 60:2000). Государственная поверочная схема для средств измерений массы — ГОСТ 8.021-2015 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений массы». Конкретные методики поверки конкретных типов датчиков и весов утверждаются в установленном порядке.

Применение

Типичные ошибки эксплуатации

1. Перегрузка датчика. Превышение допустимой нагрузки вызывает остаточную деформацию упругого элемента; характеристика перестаёт быть линейной, появляется смещение нуля. Предельно допустимая перегрузка и разрушающая нагрузка указаны в паспорте; в системе обязательны механические ограничители хода.
2. Несоосное приложение силы. Большинство нагрузочных датчиков рассчитаны на осевую нагрузку. Эксцентричное приложение силы вносит изгиб, который у однонаправленных датчиков воспринимается как дополнительная сила. Для платформенных систем применяют шарниры и компенсирующие подвески.
3. Неучёт боковых сил и трения. Трение в направляющих платформы, трение опор о бункер и натяжение шлангов и кабелей приводят к шунтированию полезной силы; часть нагрузки не доходит до датчика. Устраняется правильной механической схемой и гибкими кабельными вводами.
4. Температурный градиент по корпусу датчика. Локальный нагрев одной стороны вызывает термический изгиб упругого элемента, неотличимый от полезной деформации. Решается тепловой развязкой, экранированием, выводом датчика из зоны с интенсивным тепловыделением.
5. Слабая защита от влаги и пыли. Внутри корпуса датчика конденсат меняет сопротивление изоляции тензорезисторов и вызывает дрейф нуля. Степень защиты IP должна соответствовать условиям эксплуатации; кабельные вводы — герметичными.
6. Помехи в кабеле моста. Длинная линия питания моста создаёт падение напряжения на проводах и нестабильную чувствительность. Применяют шестипроводную схему с обратной связью по напряжению питания (sense-проводники) и экранированный кабель с заземлением экрана с одной стороны.
7. Электростатическое и электромагнитное воздействие. Тензодатчик чувствителен к электростатическим разрядам и наводкам от мощных электроустановок. Заземление корпуса, грозозащита, разнесение линий с силовыми кабелями — обязательны.
8. Применение без поверки в сфере государственного регулирования. Весовое оборудование для коммерческого учёта, торговли и государственных нужд подлежит обязательной поверке; эксплуатация с просроченным свидетельством недопустима.
9. Неверное смещение нуля и калибровочного коэффициента в индикаторе. Тензодатчик не работает «сам по себе»; индикатор (преобразователь) должен быть откалиброван совместно с конкретным датчиком и упругим элементом. После любого ремонта датчика и упругого узла требуется новая калибровка.

Часто задаваемые вопросы