В строении современных электронных весов применяются промышленные датчики различных видов, включая индуктивные, емкостные и пьезоэлектрические. Однако наибольшую популярность среди производителей завоевали тензорезисторные датчики, более известные как тензодатчики. Именно их производит и поставляет по всему миру компания «ZEMIC USA Inc.».
Что такое тензодатчик
Тензодатчик - это основной весоизмерительный элемент ГОСТ, который служит для преобразования механической деформации в измеряемый электрический сигнал. Можно встретить и другие его названия, например, тензометрический датчик или тензорезистивный датчик. Он является первичным устройством, сигнал с которого затем обрабатывается вторичными преобразователями, такими как весовой индикатор или аналого-цифровой преобразователь (АЦП), для отображения точного веса.
Принцип работы и физические основы
В основе работы датчика лежит тензоэффект - свойство твердых тел изменять свое электрическое сопротивление при деформации. Этот процесс описывается формулой ΔR/R = K × ε, где:
-
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
-
K - коэффициент тензочувствительности материала.
-
ε - относительная деформация.
Деформация упругого тела под нагрузкой подчиняется закону Гука. Чтобы измерить минимальные изменения сопротивления, применяется высокочувствительная мостовая схема - мост Уитстона. Она состоит из четырех соединенных тензорезисторов. При подаче напряжения питания (Uпит) на одну диагональ моста, в другой диагонали возникает выходное напряжение (Uсигн), пропорциональное приложенной нагрузке. Именно этот сигнал и является показателем веса.
Рисунок 1. Мост Уитстона.
Чувствительность датчика (в паспортах «ZEMIC USA Inc.» - Full Scale Output) - это ключевая характеристика, показывающая отношение выходного напряжения к входному (мВ/В). Например, чувствительность 2мВ/В означает, что при напряжении питания 10В и воздействии номинальной нагрузки на датчик выходной сигнал составит 20мВ.
Детальное устройство тензодатчика
Рассмотрим более глубоко, из каких критически важных компонентов состоит тензодатчик на примере модели BM14A от ZEMIC.
Рисунок 2. Тензодатчик «ZEMIC USA Inc.» BM14A
-
Упругий элемент или ”тело” датчика, воспринимающее нагрузку. Его изготавливают не просто из стали, а из специализированных сплавов: легированной стали для промышленных применений или авиационного алюминия для коммерческих весов. Форма элемента (стержень, кольцо, S-образный изгиб) проектируется так, чтобы концентрировать деформацию в строго определённых местах - именно там, где будут размещены тензорезисторы.
-
Тензорезистор или “нерв” датчика. Современный тензорезистор представляет собой решетку из тончайшей металлической фольги, как правило, из константана (сплава меди и никеля). Решетка имеет зигзагообразную форму не случайно: такая геометрия многократно увеличивает длину проводника в направлении деформации, делая датчик максимально чувствительным к растяжению или сжатию.
-
Корпус и герметизация. Для защиты чувствительных элементов от пыли, влаги и механических повреждений используется герметичный корпус. В датчиках с высоким классом защиты (IP68/IP69K) крышки корпуса привариваются лазером, обеспечивая абсолютную водонепроницаемость.
-
Герметичный ввод (кабельный разъем) предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП) при помощи кабеля.
-
Место приложения нагрузки. Для правильного функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении оси датчика (упругий элемент тензодатчика стержень, кольцо).
Типы тензодатчиков
Производители весового оборудования применяют различные типы датчиков в зависимости от назначения и условий эксплуатации весов. Конструктивно они делятся на несколько основных видов:
- Балочные / консольные тензодатчики (Bending/Shear Beam): наиболее распространенный тип, работающий на изгиб и сдвиг.
- S-образные (S-Type): применяются для измерения как растяжения, так и сжатия, часто используются в подвесных и бункерных весах.
- Колонные (Canister/Column): предназначены для больших нагрузок (до сотен тонн), работают на сжатие. Используются в автомобильных и вагонных весах.
- Мембранные (шайбы): компактные датчики для измерения силы сжатия, часто применяются в испытательных стендах.
- Торсионные (Twist): измеряют крутящий момент.
- Другие типы: существуют и иные технологии, такие как пьезоэлектрические / пьезорезонансные, емкостные, индуктивные и волоконно-оптические датчики, но они менее распространены в стандартных весовых системах.
Как выбрать тензодатчик
Правильный выбор тензодатчика - залог надежности и точности всей весовой системы. При выборе необходимо учитывать множество факторов, чтобы обеспечить качественную и долговечную работу оборудования.
-
Диапазон нагрузки: максимальный вес, который будет измеряться. Датчик всегда выбирается с запасом прочности в 20-30%.
-
Точность, класс точности: определяется рекомендациями МОЗМ (OIML) Р60 и подбирается в соответствии с требованиями к весам.
-
Условия эксплуатации: температура, влажность, наличие агрессивных сред.
-
Схема подключения: 4-х или 6-ти проводная. Шестипроводная схема обеспечивает лучшую защиту от температуры / помех за счет термокомпенсации длины кабеля.
-
Конструктивные особенности: необходимо учитывать способ монтажа, габариты и тип приложения нагрузки.
-
Калибровка / термокомпенсация: убедитесь, что датчик прошел заводскую калибровку и имеет встроенные элементы для компенсации температурных изменений.
В заключение, от грамотного выбора типа тензодатчика, качества узла встройки и конструкции платформы напрямую зависит надежность весовых систем. Приобретая продукцию от компании «ZEMIC USA Inc.», вы получаете качественные и надежные комплектующие для производства весоизмерительного оборудования, соответствующие всем международным стандартам.
