Входной величиной тензодатчика является удлинение проводника а выходной

fizika_kolok_2 (2)

13) Для хар-ки разрешающей способности глаза используют… — расстояние между двумя точками предмета, к-ые воспринимаются глазом отдельно 14) Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называют… — аккомодацией 15) Общая оптическая сила преломляющих сред глаза равна — 60 – 64 дптр 16) При изменении диаметра зрачка осуществляется… — адаптация глаза к различным условиям освещенности 17) Укажите единицу остроты зрения: — безразмерная величина 18) У взрослого здорового человека расстояние наилучшего зрения равно … — 25 см 19) Острота зрения численно равна величине, обратной… — наименьшему углу зрения. 20) Минимальный размер изображения предмета на сетчатке глаза в норме равен… — 5 мкм 21) Для построения изображения предметов на сетчатке оболочке глаза используется модель- ( редуцированный глаз)- представляющая собой… — однородную сферическую линзу 22) Если предмет находится на расстоянии наилучшего зрения, то в норме глаз различает две точки предмета, находящиеся друг от друга на расстоянии… — 70 мкм

23) Способность глаза приспосабливаться к свету различной яркости, называется… — адаптацией 24)Зрительные клетки в соответствии с их формой разделяются на колбочки и палочки, при этом … — колбочки и палочки распределены неравномерно по всей поврхности сетчатки. 25) Основное преломление света в глазу происходит на… — границе роговицы с воздухом. 26) Основным свойством палочек является то, что они имеют… — значительно более высокую светочувствительность, поэтому их называют аппаратом сумеречного зрения. 27) При приближении предмета к глазу до расстояния наилучшего зрения… — аккомодация совершается без напряжения 2.Задание.Правильные высказывания. * Приведенный редуцированный глаз представляет собой линзу, окруженную воздухом со стороны пространства предметов и жидкостью с n=1,336 со стороны пространства изображений * В нормальном глазу, при отсутствии аккомодации задний фокус совпадает с сетчаткой – такой глаз называют эмметропическим * Астигматизм обусловлен асимметрией оптической системы глаза и компенсируется специальными очками с цилиндрическими линзами * Расстояние до ближней точки глаза с возрастом увеличивается; следовательно, аккомодация уменьшается. * Для хар-ки разрешающей способности глаза используют наименьший угол зрения, при к-ом глаз еще различает две точки предмета * В медицине разрешающую способность глаза оценивают остротой зрения

* Для коррекции близорукости применяются рассеивающие линзы, а для дальнозоркости – собирающие. * Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называют аккомодацией. * Когда предмет находится в бесконечности, то его тзображение в норме в глазу находятся на сетчатке * Аккомодация глаза осуществляется путем изменения кривизны хрусталика * Если наименьший угол зрения равен 2`, то острота зрения равна 0,5 * Для коррекции дальнозоркости применяют собирающие линзы, оптическая сила к-ых имеет положительное значение. * Острота зрения во столько раз меньше нормы, во сколько раз наименьший угол зрения больше одной угловой минуты * Сферическая аберрация в глазу проявляется лишь в сумерках, когда зрачок расширен. * Астигматизм, обусловленный несферической формой роговицы и хрусталика, исправляют цилиндрическими линзами 3. Задание. Соответствие Миопия – при коррекции применят рассеивающие линзы Гиперметропия – при коррекции применяют собирающие линзы Эмметропия – не требует коррекции. Хрусталик – приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов Зрачок – адаптация глаза к различным условиям освещенности Сетчатка – преобразование света в нервные импульсы Жидкость передней камеры – 4 дптр Роговица – 40 дптр

Хрусталик – 20 дптр Близорукость – задний фокус глаза лежит впереди сетчатки Дальнозоркость – задний фокус глаза лежит за сетчаткой Норма – задний фокус глаза лежит на сетчатке Зрительная оптическая ось глаза проходит через – центр хрусталика и желтого пятна Главная оптическая ось проходит через – гео-ие центры роговицы, зрачка и хрусталика Острота зрения – величина, численно равная наименьшему углу зрения Аккомодация – приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов Адаптация – способность глаза приспосабливаться к свету различной яркости Собирающие – дальнозоркость Цилиндрические – астигматизм Рассеивающие – близорукость

Устройства съема медико-биологической информации 1.Задание. 1)Укажите единицу измерения чувствительности реостатного датчика: — Ом/м 2)Порогом чувствительности датчика называется величина, равная… — минимальному значению входной величины, к-ое определяется датчиком 3)Тензодатчик является… — параметрическим 4)Пьезоэлектрический датчик является… — генераторным 5)Зависимость выходной величины от входной величины называется … датчика — характеристикой 6)Укажите, какой из перечисленных датчиков является генераторным… — пьезоэлектрический, индукционный 7)Параметрическими называются датчики, к-ые… — под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо параметр

8)Укажите формулу для определения чувствительности датчика( х- входная , у- выходная величина) — 9)действие тензодатчика основано на явлении тензоэлектрического эффекта, который заключается в… — изменении сопротивления проводника при его деформации 10)Датчики предназначены для… — преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал 11)Выходной величиной пьезоэлектрического датчика является напряжение, а входной… — давление 12)Величина, равная минимальному изменению входной величины, к-ое определяется датчиком называется… — порогом чувствительности датчика 13)Если хар-ка датчика линейная, то при увеличении входной величины, его чувствительность… — не изменяется 14)Электрические преобразователи (датчики) предназначены для… — преобразования неэлектрических величин в электрические 15)Входной величиной реостатного датчика является длина проводника, а выходной … — сопротивление 16) Укажите, в каких из перечисленных видов датчиков в ответ на изменение входного сигнала происходит изменение какого-либо параметра — параметрических 17)Чувствительность Z датчика хар-ет реакцию выходной величины на изменение — входной величины

18)Укажите, какой из перечисленных датчиков является параметрическим — емкостный 19)Генераторными называются датчики ,к-ые… — под воздействием измеряемого сигнала генерируют ток или напряжение 20)Хар-ка датчика показывает зависимость… — выходной величины от входной величины 21)Реостатный датчик является… — параметрическим 22)Чувствительностью датчика называется величина, равная… — отношению изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины. 23)Действие реостатного датчика основано на зависимости сопротивления проводника от его…

— длины
24)Действие	пьезоэлектрического датчика	основано на	явлении
… пьезоэффекта
— прямого

25)Величина, равная максимальному значению входной величины, к-ое может быть воспринято датчиком без искажения называется… — пределом датчика 26)Датчики, используемые в мед-их приборах, предназначены для… — регистрации неэлектрических величин 27)Пределом датчика называется величина, равная… — max. значению входной величины, к-ое может быть воспринято датчиком без искажений

2.Задание.Правильные высказывания * Ф-ия преобразования датчика – функциональная зависимость выходной величины от входной * Датчики предназначены для преобразования неэлектрических величин в электрические * Генерация напряжения или тока при изменении входного сигнала происходит в генераторных датчиках * Минимальное значение входной величины, к-ое определяется датчиком без искажения, называется порогом чувствительности датчика * Входной величиной емкостного датчика может являться расстояние между обкладками конденсатора * При изменении входной величины в генераторных датчиках генерируется электрический ток * Хар-ка датчика показывает зависимость выходной величины от входной величины * Изменение какого-либо параметра в ответ на изменение входного сигнала происходит в параметрических датчиках входного сигнала происходит в параметрических датчиках * Индуктивный датчик является параметрическим * Коэффициент относительной тензочувствительности тензодатчика является безразмерной величиной * Входной величиной пьезоэлектрического датчика является давление, а выходной напряжение * Термоэлектрический датчик является генераторным * Если датчик имеет линейную хар-ку, то при увеличении входной величины, его чувствительность не изменяется * Параметрическими называются датчики, к-ые под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо параметр * При увеличении относительной деформации проводника его сопротивление увеличивается

3.Задание. Соответствие Прямой пьезоэлектрический эффект – пьезоэлектрический Наведение ЭДС индукции – индукционный Изменение сопротивления проводника при изменении его длины – реостатный Изменение емкости конденсатора при изменении расстояния между его обкладкамиемкостный Тензодатчик – Параметрический датчик Пьезоэлектрический – Генераторный атчик Удлинение проводника – тензадатчик Температура – термоэл-ий Длина проводника – реостатный Давление – пьезоэл-ий Изменение индуктивности катушки – индуктивный Деформация поверхности – тензодатчик Скорость перемещения катушки в магнитном поле постоянного магнита – индукционный Реостатный( и тензодатчик) – Пьезоэл-ий – Емкостный – Термоэл-ий – Отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины – чувствительность

Max. Значение входной вел-ны, к-ое может быть воспринято датчиком без искажений – предел датчика Min.изменение входной вел-ны, к-ое определяется датчиком – порог чувствительности Функциональная зависимость выходной величины от входной величиныфункция преобразования

1 Уровень

3)преобразования неэлектрических величин в электрические.

3.Функцией преобразования датчика является:

1) совокупность приемов, преобразующих измеряемую величину;

2) зависимость выходной величины от входной;

3) прямо пропорциональная зависимость между входной и выходной величинами;

4)отношение приращения выходной величины к соответствующему приращению входной.

4.Чувствительность датчика характеризует …

1) способность датчика реагировать на изменение входной величины;

2) способность датчика выдавать максимально большой сигнал;

3) способность датчика реагировать на изменение выходной величины.

5.Порогом чувствительности датчика называется величина, равная…

1)отношению выходной величины к входной;

2)минимальному значению входной величины, которое определяется датчиком без искажения;

3)максимальному значению входной величины, которое определяется датчиком без искажения;

4)отношению изменения выходной величины к изменению входной величины.

6.Укажите формулу для определения чувствительности датчика:

1) Z = α/x ; 2) Z=x/α; 3) Z = Δα/Δx; 4) Z=Δx/Δα

7.Параметрическими называют датчики, которые …

1)под воздействием входного сигнала генерируют ток или напряжение;

2)под воздействием входного сигнала изменяют какой либо параметр;

3)преобразуют электрический сигнал в неэлектрическую величину;

4)преобразует неэлектрическую величину в электрический сигнал.

8.Генераторными называют датчики, которые…

1)под воздействием входного сигнала генерируют ток или напряжение;

2)под воздействием входного сигнала изменяют какой либо параметр;

3)преобразуют электрический сигнал в неэлектрическую величину;

4)преобразует неэлектрическую величину в электрический сигнал.

9.Укажите параметрические датчики:

а)фотоэлектрический; б)емкостный; в)индукционный; г)индуктивный; д)тензодатчик; е) пьезоэлектрический.

Выберите правильную комбинацию отаетов.

1)аве; 2)абе; 3)бгд ; 4)бге ;5)бвд

10.Укажите генераторные датчики:

а)фотоэлектрический; б)емкостный; в)индукционный; г)индуктивный; д)тензодатчик; е) пьезоэлектрический.

Выберите правильную комбинацию отаетов

1)аве ; 2)абе ; 3)бгд; 4)бге ;5)бвд

11.Входной величиной тензодатчика является…

1)сопротивление; 2)температура; 3)емкость; 4)механическое напряжение; 5)перемещение; 6)удлинение; 7)ток; 8)разность потенциалов .

12.Выходной величиной тензодатчика является…

1)сопротивление; 2)температура; 3)емкость; 4)механическое напряжение; 5)перемещение; 6)удлинение; 7)ток; 8)разность потенциалов.

13. Входной величиной индуктивного датчика является… 1)сопротивление; 2)температура; 3)емкость; 4)механическое напряжение; 5)перемещение; 6)удлинение; 7)ток; 8)разность потенциалов.

14. Выходной величиной индуктивного датчика является…

1)сопротивление; 2)температура; 3)емкость; 4)механическое напряжение; 5)перемещение; 6)удлинение; 7)ток; 8)разность потенциалов.

15.Если характеристика датчика линейная, то при увеличении входной величины его чувствительность…

1)уменьшается; 2)увеличивается; 3)не изменяется.

16.Работа выхода электрона из металлов это работа…

1)сил, удерживающих его в металле;

2)по вырыванию его из металла;

3)против сил удерживающих его в металле;

4)по перемещению электрона к границе металла.

17.Термопара – это…

1)два металлических проводника, соединенных параллельно;

2)тонкая проволока, намотанная на каркас;

3)два спаянных последовательно между собой проводника из разных металлов;

4)два последовательно соединенных термистора.

18.Термопара является:

19.Входной величиной термопары является:

1)напряжение; 2)сопротивление; 3)ток; 4)механическое напряжение; 5)температура.

20.Выходной величиной термопары является:

1)напряжение; 2)сопротивление; 3)ток; 4)механическое напряжение; 5)температура.

21.Какие причины обуславливают величину контактной разности потенциалов?

а)разная концентрация свободных электронов;

б)разная работа выхода электронов;

в)разная температура проводников;

г)разное механическое напряжение в проводниках;

д)разная сила тока в проводниках.

е)температура спая.

Выберите правильную комбинацию ответов.

1)абв ; 2)абд; 3)абе; 4)вгд; 5)бде

22.Укажите единицу измерения чувствительности термопары:

1)Ом/К; 2)А/К ; 3)В/К; 4)Вт/К; 5)Дж/К

23.Укажите, какой из представленных графиков в большей степени соответствует градуировочному графику термопары:

1) U 2) U 3) U 4) U

24.Термопара, в которой измерительный прибор включается в одну из ветвей, а один из спаев термостатируют, называют:

25.При последовательном соединении нескольких термопар термоэлектродвижущая сила:

1)уменьшается; 2)увеличивается; 3)не изменяется.

26. Полупроводники – класс веществ:

1)обладающих односторонней проводимостью;

2)электрическая проводимость больше чем у металлов и меньше чем у диэлектриков;

3)проводимость которых зависит от внешних воздействий;

4) электрическая проводимость меньше чем у металлов и больше чем у диэлектриков.

27.В каких энергетических зонах может находиться электрон в атоме кристаллического вещества?

а)разрешенная зона; б)запрещенная зона; в)валентная зона; г)зона проводимости.

Выберите правильную комбинацию ответов.

1)абв ; 2)бвг; 3)авг; 4)абг; 5)аг

28.Укажите правильное соотношение энергий запрещенных зон полупроводника Е_зп и диэлектрика E_зд:

29.Сопротивление полупроводника при нагревании.

1)увеличивается; 2)уменьшается; 3)не меняется.

30.Электрический ток в веществе возможен при переходе электрона из:

1)разрешенной зоны в валентную;

2)валентной в зону проводимости;

3)валентной в запрещенную;

4)из зоны проводимости в валентную;

5)из зоны проводимости в разрешенную.

31.Термистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого …

1) зависит от температуры;

2)зависит от давления;

3)зависит от индукции магнитного поля;

4)уменьшается при повышении температуры;

5)увеличивается при увеличении давления.

32. Термистор является …

33.Входным параметром термистора является…

3)индукция магнитного поля;

34.Выходным параметром термистора является…

35. Какой из графиков в наибольшей степени соответствует градуировочному графику термистора?

1) R 2) P 3) B 4) R

36.Энергия активации электронов термистора – это энергия необходимая для:

1) вырывания электрона из вещества;

2) нагревания на один Кельвин;

3) перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости;

4) вырывания электрона из валентной зоны.

37.Чувствительность термодатчика (термистора) определяется по формуле:

1)Z=R/T; 2) Z=∆R/∆T; 3) Z=∆U/∆T; 4) Z=∆T/∆R; 5) Z=U/T

13.Удельное сопротивление термистора определяется по формуле:

38.Сопротивление термистора R₁ , измеренная с помощью измерительного моста c реохордом, определяется по формуле:

39. Укажите физиотерапевтические методы, основанные на действии постоянного тока:

40.При электрофорезе между электродами и кожей помещаются…

3)прокладки, смоченные раствором лекарственных веществ; 4)прокладки, смоченные дистиллированной водой.

41.Физиотерапевтический метод гальванизации основан на воздействии на органы и ткани …

1)переменным электрическим током;

2)постоянным электрическим током;

3)постоянным электрическим полем;

4)переменным электрическим полем.

42.Порогом ощутимого тока называют …

1)силу тока, при которой человек не может самостоятельно разжать руку;

2)наименьшую силу тока, раздражающее действие которой ощущает человек;

3)наименьшую силу тока, которая возбуждает мышцы;

4)наибольшую силу тока, действие которой ощущает человек.

Тензодатчики и тензорезисторы для вендинговых аппаратов и современной РЭА

В статье описан принцип работы тензорезисторов как перспективных радиоэлементов для разработки контрольно-измерительной техники. На основе имеющихся примеров предложен обзор разных типов тензодатчиков, обоснованы перспективы разработок РЭА в метрологической отрасли, что очень важно в условиях импортозамещения.

В современной электронике как элементы датчиков перемещений, и особенно деформаций, широко применяют тензорезисторы. В основе их работы лежит тензоэффект – способность некоторых материалов менять электрическое сопротивление при деформировании (сжатии, скручивании, растяжении), а также закономерности деформации упругого тела, открытые в XVII веке Робертом Гуком и описанные как закон Гука. Тензорезисторы (от лат. tensus – напряжённый и лат. resisto – сопротивляюсь), по сути, – это резистор с изменяемым в зависимости от механической деформации рабочей поверхности сопротивлением. Таково «официальное» определение. Полезный функционал тензорезисторов стал востребован после открытия эффекта изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) в 1856 г. Кельвином и в 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Пионерами в практических измерениях деформаций были Е.Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачусетский технологический институт). В 1938 г. они применили образцы тензорезистора с монтажом на клеевой основе. Это были прототипы распространённых в современном мире тензорезисторов различного назначения.

Однако технологии производства как отдельных элементов, так и датчиков из нескольких тензорезисторов претерпевали изменения. Первые тензорезисторы изготавливались из константана, никеля, нихрома, а современные производятся с участием полупроводников – кремния, арсенида галлия и др. Тензочувствительность полупроводниковых датчиков в 50. 100 раз больше, чем у «металлических» анахронизмов эпохи. Так, сопротивление проволочных датчиков составляет десятки и сотни Ом, полупроводниковых – тысячи Ом при погрешности измерений менее 1%. Этот параметр также принято называть «значение нуля».

С развитием НТ-прогресса принцип работы тензорезисторов остался прежним, он основан на изменении под воздействием давления и механической деформации геометрических размеров элемента и соответственно сопротивления элемента, включённого в электрическую цепь. По условной формуле: R = PL/S, где S – поперечное сечение проводника тензорезистора, L – длина проводника. При механическом воздействии S стремится к уменьшению значения, а L – к увеличению за счёт растяжения тензорезистора. Или так:
Е = L_R/RK_f, где L – относительное изменение длины проводящего элемента тензорезистора; L_R/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора; K_f – коэффициент тензочувствительности.

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом чувствительности K_f. Тензорезисторы по конструкции и способу изготовления могут быть плёночными металлическими или фольговыми константановыми. Для первых параметр K_f слабо зависит от деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в табл. 1.

На рис. 1 представлен cхематичный вид пленочного тензорезистора.

Тонкая решётка из фольги, уложенная змейкой и запрессованная на фенольную плёнку, под механическим воздействием испытывает деформацию вместе с упругим элементом, что влечёт изменение электрических свойств элемента. На рис. 2 схематично показаны особенности изменения формы элемента при внешнем механическом воздействии.

Электропроводящий элемент – тензорезистор закрепляют на измерительное тело – балку, консоль, мембрану, колонну, что составляет корпус будущего тензодатчика. Причём в современных высокоточных тензодатчиках установлен не один тензорезистор, а 4 и более, да и самих тензодатчиков в одной системе может быть несколько. Все они подключаются по одному протоколу для достижения минимальной погрешности измерения. Эта практика оправдана (кроме заботы о метрологической точности) тем, что в такой системе можно без ущерба работоспособности отказаться (в случае неисправности) от одного или нескольких тензодатчиков и провести ремонтные, регламентные работы без простаивания системы.

Наиболее типичную схему включения четырёх тензорезисторов называют мостом Уитстона. Такой тензодатчик имеет не 1, а 4 резистивных элемента, включённых в плечи резистивного моста. Тензорезисторы имеют одинаковый номинал, поэтому в состоянии покоя ток в мосте сбалансирован и не фиксируется измерительными приборами; да, токовая нагрузка может иметь место из-за несовершенства конструкции и температурных колебаний, но в определённых пределах. При деформации гибкой подложки происходит попарное сжатие и растяжение тензорезисторов, как следствие – изменение рабочих параметров в цепи моста, а сигнал разбалансировки от моста по экранированному кабелю передаётся на АЦП.

Иллюстрация изменения состояния посредством механического воздействия представлена на рис. 3 и рис. 4.


После снятия нагрузки с весовой платформы гибкий элемент возвращается в исходное положение, мост Уитстона возвращается в состояние равновесия.

На рис. 5 представлен вид плёночного тензорезистора FSR402 для измерений в диапазоне 0…10 кг.

Плёночный аналоговый тензодатчик FSR402 с предельно допустимой нагрузкой 0,1…10 кг. Диаметр чувствительной части 12,7 мм. На рис. 6 представлен вид плёночного тензорезистора RFP602 для измерений в диапазоне 0…1 кг.

Именно такие тензорезисторы установлены в тензодатчиках Wavgat, о которых будем говорить далее, а также в настольных электронных весах бытового назначения для взвешивания мелких деталей, продуктов, драгметаллов. Плёночный аналоговый тензорезистивный датчик с предельно допустимой нагрузкой 1 кг изменяет сопротивление под действием прикладываемой силы. Диаметр чувствительной части – 10 мм.

В состоянии покоя решётка тензорезистора, сделанная из фольги, имеет определённое сечение и длину «нитки». В состоянии покоя сопротивление тензорезистора стабильно. Когда тензоэлемент деформируется, длина его проводящих ток ниток незначительно меняется. Когда в качестве основания используется балка, дорожки датчика растягиваются, их поперечное сечение уменьшается, и омическое сопротивление тензорезистора увеличивается. При сжатии (возврате в исходное положение) возникает обратный эффект – сопротивление уменьшается из-за сжатия дорожек, увеличения их сечения. Эти изменяемые параметры в электронном устройстве с тензорезисторами обеспечивают преобразование механических данных в электрический ток.

Принцип работы тензорезистора мы рассмотрели выше, а далее обратим внимание на особенности включения тензорезисторов по схеме моста Уитстона в электрическую цепь.

Типичные схемы включения в электрическую цепь

Полномостовой тензодатчик из четырёх однотипных тензорезисторов подключается в электрическую цепь с соблюдением типичной цветовой маркировки проводов: «красный» и «чёрный» – соответственно «+» и «–» питания; «белый» и «зелёный» – выходной сигнал мостовой схемы. Соединительный кабель экранирован для защиты от помех. Помехоустойчивость системы с тензодатчиками, особенно при малых весовых значениях, – важное условие стабильной работы всей системы.

Четырёхпроводные тензодатчики подключают к модулю нагрузки и АЦП (рис. 7).

В ситуации удалённого размещения тензодатчиков относительно контроллера-анализатора для обеспечения корректных замеров веса используют 6-проводную схему подключения, исключающую влияние сопротивления питающих проводников на результаты измерений. С двух дополнительных проводов + Sen и – Sen снимают данные о падении напряжения (рис. 8). Цветовая маркировка может различаться у разных производителей, но типичная именно такова.

Распиновка 4-жильных кабелей тензодатчика:

• красный – плюсовой вход (питание «+», Exc+);
• зелёный – плюсовой выход (сигнал «+», Sig+);
• чёрный – минусовой вход (питание «–», Exc–);
• белый – минусовой выход (сигнал «–», Sig–).

При необходимости соединения 6- и 4-жильного кабелей тензодатчика провод Sen+ (синий) имитируют, включая его от +Uп, Exc+ (красный), а провод Sig– (жёлтый) имитируют, включая его от –Uп, Exc– (чёрный), как показано на рис. 8.

У разных производителей цветовая маркировка проводов может отличаться. Если нет описания, для определения распиновки используют мультиметр с режимом измерения сопротивлений от 0,5 Ом и выше. В случае с четырёхпроводным модулем уместен следующий алгоритм.

Последовательно выберите 6 парных комбинаций проводников, измерьте сопротивление для каждой пары. Определите, в каком случае получено наибольшее значение сопротивления – эта пара является линией питания. Отделите оставшиеся два провода – это линия сигнала. Подайте напряжение на провода питания и определите полярность подключения, измеряя напряжение на сигнальных проводниках. При этом мультиметр – наименее предпочтительный вариант для проверки тензодатчика, если он не имеет достаточной чувствительности и точности. Лучше применить милливольтметр с пределом измерения от 0,1 мВ, с высокой точностью и оценкой производительности аналоговых и цифровых показателей.

Применение в вендинговых аппаратах и не только

Основное предназначение тензодатчиков – измерительные приборы тензометры, к которым относится различного назначения контрольно-весовое оборудование, но и в этом аспекте есть несколько особенностей. С тензодатчика сигнал передаётся на контроллер – терминал, где переданная в цифровом виде через общий протокол передачи данных информация анализируется. В автоматических аппаратах выдачи за деньги или по кодовой комбинации вещей, игрушек, напитков (к примеру, вендинг) тензодатчик является важнейшим узлом контроля расхода материальных активов. Ибо вещи из лотка хранения «автомата» идентифицируются по номерам ячеек, но контроль в «выпускном» лотке определяется по их весу, заложенному как ординар в память устройства. На этапе выдачи продукта на основе информации, полученной в электронном виде от тензодатчика, сравниваются вес эталонный и вес отпускаемого продукта.

В системах с автоматизированной выдачей напитков на выходе устройства сравнивается вес наполненного стакана (тары) с эталонным весом, заложенным в память электронного контроллера; когда значения совпадают, с помощью управляемых электронных клапанов в магистрали подвода жидкости налив прекращается. Таков простой (хоть и не единственный) и часто используемый способ автоматизированной выдачи, упрощающей коммуникацию между покупателем и автоматом – продавцом товаров.

Для измерения массы стакана с жидкостью в типичном вендинговом аппарате розлива кофе и чая применяется тензометрический датчик Wavgat А1, установленный под площадкой выдачи товара и подключённый к микроконтроллеру через модуль HX711.

На рис. 9 представлен тензодатчик Wavgat.

Подробно технические характеристики тензодатчика приведены в [9].

На рис. 10 представлено место установки тензодатчика в вендинговом аппарате по розливу кофе и чая.

На рис. 11 представлен модуль датчика нагрузки HX711 АЦП для тензодатчика.

Модуль HX711AD универсален для тензодатчиков с номинальным диапазоном измерения 1…20 кг – АЦП с разрядностью 24 бит. Имеет встроенное активное шумоподавление PGA и выбор коэффициента усиления: 32, 64 и 128, а также:

• встроенный стабилизатор напряжения;
• встроенный осциллятор;
• выбор скорости передачи данных: от 10 SPS до 80 SPS;
• одновременное подавление шумов питания 50 и 60 Гц;
• потребляемый ток: в рабочем режиме < 1,5 мА, в режиме ожидания < 1 мкА;
• диапазон рабочих напряжений: от 2,6 до 5,5 В;
• диапазон рабочих температур: –40…+85°C;
• размеры: 34×21 мм.

Вопросы корректности метрологии

Рассмотрим алгоритм работы электронного узла с тензодатчиком и АЦП на примере вендингового автомата по розливу напитков. После команды контроллера о выдаче товара модуль HX711AD обнуляет значения текущего веса, приложенного к датчику, и далее считывает информацию с тензодатчика. По мере заполнения и увеличения веса тары напряжение, снимаемое с тензодатчика, увеличивается (порядок значений – милливольты), сигнал после АЦП анализируется контроллером и сравнивается в реальном времени с эталонным весом (в памяти МК) наполненной тары. Как только значения в цифровом формате сравнялись, микроконтроллер формирует команду на прекращение подачи жидкости (и ещё ранее – субстрата размолотых зёрен – порошка кофе или чая); эта команда служит сигналом на электронный клапан подачи жидкости в магистрали аппарата или на поворот шагового двигателя с редуктором, совмещённым с закрытием отверстия ёмкости подачи (в зависимости от конструкции аппарата).

В целом модули нагрузки и АЦП на рассмотренном примере универсальны для небольших весовых значений и надёжны. Однако надо учитывать, что точность преобразования выходного сигнала (ошибки и отклонения в дискретности) может влиять на общую ошибку измерения веса, и тензодатчик тут ни при чём. К примеру, 10-битный АЦП при разном входном напряжении 0…5 В (при условии, что 5 В – опорное напряжение питания модуля) преобразует его в цифровой вид с точностью 1/1024 В. На графике невозможно изобразить много ступенек, но для примера приведём его на рис. 12.

АЦП с разрядностью 10…24 бит чувствителен к изменению напряжения на входе величиной даже 5 мВ, что удачно стыкуется с применённым типом тензодатчика. Но точность преобразования входного сигнала зависит и от опорного напряжения, которое определяет границу диапазона работы АЦП. Таким образом, при опорном напряжении 5,2 В это одна точность, при 5,02 В – другая, при напряжении 4,8 В – третья… Притом что АЦП рассматриваемого модуля работоспособен в диапазоне 5 В ±15% [10].

В конструкторах Arduino Uno сия проблема решается задействованием для опорного напряжения специального вывода V_ref микроконтроллера.

В условно простых вендинговых системах в таком случае реализуется или с помощью использования внешнего (дополнительного) суперстабильного источника опорного напряжения, или путём качественного источника питания устройства с высоким уровнем стабилизации напряжения. Иначе, точность измерения веса на этапе преобразования сигнала от тензорезистора в цифровой формат может колебаться, что приведёт условно к недоливу или переливу жидкости в тару; когда вы встречаете такое на практике, желая гастрономически насладиться и украсить свой обеденный рацион кофе-брейком, понимаете, в чём дело.

Тем не менее использование тензодатчиков для контроля веса отпускаемого продукта удешевляет конструкцию вендинговых и других устройств для бытовых нужд. Простое сравнение: цена одноточечного тензодатчика для мощных электронных весов с нагрузкой в 1,5 т составляет в 2022 году 35 тыс. руб., цена датчика с четырьмя встроенными тензорезисторами для малых нагрузок, используемых в вендинговом автомате, составляет 400 руб.; неудивительно, что вендинговые аппараты относительно быстро окупаются – примерно через 1300 покупок.

Критерии и характерные различия тензодатчиков

Тензодатчики различаются по нескольким критериям. По назначению: для платформенных весов, бункерных весов, дозаторов – это относительно мощные приборы для весовых значений от 50 кг до 1,5 т (мы говорим о типичном применении, а есть и специальные с нагрузками выше). Таков одноточечный тензодатчик Sensortronics 92001 с корпусом из легированной стали, предназначенный для установки в большие платформенные весы, к которым предъявляются требования высокой точности измерений. Sensortronics 92001 – один из модельного ряда 92001–92006, различие в которых определяется весовым (нагрузочным) назначением и, соответственно, размерами платформ. Модель 001 для метрологии нагрузок до 100 кг; это основной элемент в настольных, проверочных и напольных электронных измерителях веса. Внешний вид тензодатчика Sensortronics 92001 представлен на рис. 13.

Тензодатчики различаются по номинальной (расчётной) нагрузке (НН), что также определяется их практическим назначением, рабочему коэффициенту передачи (РКП). Как правило, у мощных тензодатчиков – за счёт их полупроводникового исполнения – условно бо́льшая температурная стабильность. У тензодатчика Sensortronics 92001-050K-NC-00X (НН до 50 кг) влияние температуры на выход соответствует ±0,001% /°C при широком температурном диапазоне –20. +70°С, что делает устройства на их основе почти универсальными в применении как на улице, так и в отапливаемых помещениях в круглогодичном режиме.

Класс точности измерения, величина погрешности, количество проверочных делений регулируются стандартами. Приборы класса G (G1–G3 и др.) имеют наименьшую точность, с маркировкой C (С1, С2, С3) – наибольшую. Данные параметры тензодатчика регламентируются государственными стандартами. Количество диапазонов предполагает, что датчик может быть одно- и мультиинтервальным. Для повышения точности измерений на малых нагрузках применяют устройства с несколькими диапазонами, так обеспечивается минимальная погрешность измерений.

Важный параметр – компенсированный температурный диапазон. Точность измерений зависит от условий среды, и даже с учётом термостабильных полупроводниковых материалов тензорезистора в нижней и верхней части рабочего диапазона колебания сопротивления при механическом воздействии нуждаются в компенсации.

В табл. 2 представлены некоторые технические характеристики тензодатчиков модельного ряда Sensortronics 92001–92006.

По типу датчики различают по форм-фактору, к примеру, представленный на рис. 3, 9, 14, 15 прибор характеризуется типом датчика «балка на изгиб». Опционально корпус датчиков тензодатчиков может быть изготовлен из разных материалов – от пластика до лёгких сплавов с участием анодированного алюминия и даже из нержавеющей стали. Размеры корпуса влияют на специфику монтажа. В сложных или стеснённых (по месту) условиях, к примеру, с криволинейной поверхностью, размер и форм-фактор корпуса датчика имеет значение.


Корпуса тензодатчиков различаются по типу воспринимаемой нагрузки и строению:

• консольные (балочные) – по принципу балки, работающей на сдвиг или изгиб. Используются в конструкции бункерных, платформенных весов (см. пример на рис. 3, 9, 14, 15);
• S-образные – работают на растяжение и сжатие. Тензодатчики на их основе подходят для измерения поднимаемых грузов;
• мембранные (шайбы) – наименее чувствительны к скручиванию. Датчики широко применяются в весах разных типов;
• колонные (стержневые) – работают на сжатие. Устанавливаются в оборудование с высокой грузоподъёмностью;
• торсионные – воспринимают усилие скручивания.

Прибор выдерживает перегруз до 150% от номинальной нагрузки. Класс пылевлагозащиты IP68 означает, что тензодатчик выдерживает погружение в воду на глубину до 1 м. В табл. 3 представлены технические характеристики тензодатчика Keli серии SQB.

На рис. 15 представлен внешний вид тензодатчика CAS BCL, рассчитанного на измерение нагрузки 1…3 кг.

В соответствии с особенностями конструкции тензодатчик с низкопрофильным дизайном применяется в напольных весах и др. контрольно-весовых устройствах, допускающих нецентрализованное нагружение по стандарту OIML R76. Класс защиты IP65. Соединительный кабель длиной 0,4 м, 4-жильный с экранирующей оплёткой и изоляционной оболочной из ПВХ. Максимальный размер платформы: 200×200 мм. Имеются аналогичные тензодатчики CAS BCL, рассчитанные на вес 6…30 кг и на 60…200 кг для платформ максимального размера 400×400 мм. Заслуживает внимания «маломощный» тензодатчик CAS BCL-01L в корпусе из анодированного алюминия, уверенно работающий в диапазоне температур –20…+70°C, с классом защиты IP65 и замерами веса нагружения до 1 кг. Он применяется в точных настольных весах для мелких деталей и драгметаллов. Эксплуатационные и технические характеристики тензодатчиков линейки CAS BCL сведены в табл. 4.

На рис. 16 представлены размеры тензодатчика CAS BCL, предназначенного для нагружения весом 1…3 кг.

Весовой модуль с предельно допустимой нагрузкой 5 кг представлен на рис. 17.

Спецификация:

• класс точности C2;
• температурная погрешность (temp. effect on span): ±0,02%F.S/10°C;
• диапазон ошибки (сomprehensive error): ±0,05 %F.S;
• смещение нуля (temp. effect on zero): ±0,03%F.S/10°C;
• рабочее отношение (rated output): 1±0,15 мВ/В;
• компенсированный диапазон температур: –10…+40°C;
• ползучесть: ±0,02%F.S/30 мин.;
• диапазон рабочих температур: –20…+60°C;
• баланс «нуля» (zero balance): ±1%F.S;
• напряжение возбуждения: от 9 до 12 В;
• сопротивление входа: 405±10 Ом;
• сопротивление выхода: 350±3 Ом;
• НН (ultimate overload): 150%F.S;
• сопротивление изоляции (insulation resistance): 100 000 МОм (при 100 В);
• габаритные размеры: 80×12,7×12,7 мм.

Для рассмотренных типов тензодатчиков предназначен модуль-контроллер весовых ячеек с индикатором, представленный на рис. 18.

Это готовый контроллер весовых ячеек и действующих электронных весов cо светодиодным индикатором из четырёх цифр и следующими техническими характеристиками:

• диапазон измерения: ± 19 мВ;
• температурный коэффициент: ≤ 100 ppm/°С;
• коэффициент конверсии A/D: от 6,25 до 100 Гц;
• функции защиты: обратное соединение, перенапряжение, мгновенное подавление;
• диапазон рабочих температур: –40…+70°С.

Калибровка осуществляется следующим образом.

1. При отсутствии веса нажимать более 2 с кнопку «PL». На индикаторе отобразятся две буквы PL и затем 0000 (4 нуля).
2. Удерживать более 2 с «SAVE», чтобы сохранить это значение.
3. Нагрузить весовую ячейку грузом с известной массой M.
4. Удерживать более 2 с кнопку «PH». На индикаторе отобразятся две буквы PH.
5. С помощью кнопок «PH», «PL» и «DIGIT» довести величину на индикаторе до массы M.
6. Удерживать кнопку «SAVE».

Контроль исправности тензодатчика по мостовой схеме

Для определения исправности моста Уитстона измеряют входное и выходное сопротивление каждой пары выводов. Для испытания используют омметр, полученные данные сравнивают с паспортными значениями. Баланс моста тензометрического датчика проверяется в двух вариантах: между минусовыми выходом и входом; и между минусовым выходом и плюсовым входом. Разница между полученными значениями и паспортными у исправного тензодатчика не превышает 10 Ом. Если показатель выше, а целостность моста не подтверждена измерениями, тензодатчик подлежит замене. Среди причин неисправности могут быть скачки напряжения, физическое разрушение из-за повышенных вибраций или технический брак (несоблюдение технологии).

Спектр применения тензодатчиков и конструкций на их основе

Для описания принципа действия тензодатчика в статье приведён пример тензорезистора (резистивного тензодатчика). Однако кроме этого типа в метрологических задачах могут участвовать другие типы тензодатчиков.

Тактильные. В основе – два проводника, разделённые диэлектрическим слоем. Под воздействием деформации проводники сближаются и продавливают мягкую прослойку. В электрической цепи возникает ток, который зависит от материалов и расстояния между проводниками в рабочей зоне датчика.

Пьезоэлектрические, пьезорезонансные, по технологии полупроводников. Эффект основан на свойстве полупроводниковых кристаллов изменять состояние, величину статического заряда.

Магнитные. В качестве чувствительного элемента – магнитный сердечник, окружённый катушкой. При деформации сердечник изменяет положение, что влияет на ЭМ-индукцию в катушке.

Ёмкостные. Работают по принципу изменения ёмкости переменного конденсатора. При воздействии (давлении) нагрузки токопроводящие пластины сближаются, ёмкость образованного ими конденсатора возрастает. Изменение ёмкости преобразуется в электрический ток.

К условным минусам тензодатчиков относят:

• зависимость чувствительности от температуры и влажности окружающей среды (компенсируется);
• снижение точности показаний в условиях вибрации;
• необходимость усилителей – преобразователей сигнала в конструкции тензодатчика при значительном удалении датчика от контроллера состояний;
• уязвимость в условиях агрессивной среды (защита метрологической системы от коррозии, воды, химически активных веществ, несанкционированных механических воздействий).

• отсутствие сильных вибраций, которые могут повлиять на точность и ресурс оборудования;
• защита датчика от воды и пыли в соответствии со стандартом (устройства класса IP 24 работают в чистой сухой среде);
• отсутствие разрушающего механического воздействия – ударов, трения и т.д.;
• защита от химически агрессивных веществ, которые могут вызвать коррозию металлических элементов, разрушение оплётки и изоляции;
• соблюдение рабочего и компенсируемого температурного диапазона.

Условные проблемы решаемы. Тензорезистивные датчики обеспечивают широкий диапазон и высокую точность измерений (до 0,017%, в зависимости от модели), в том числе при высокой частоте динамических деформаций основания – до десятков млн раз. С условием компенсации тензодатчики работают в широком диапазоне температур. На рис. 19 представлен вид размещения в одном корпусе тензорезистора и элемента термокомпенсации.

За счёт плоской компактной конструкции они монтируются как на ровные, так и на криволинейные поверхности. Соединительный кабель с ПВХ-изоляционной оболочкой не теряет эластичности при низких температурах, устойчив к истиранию и механическому воздействию.

Тензодатчики можно соединить напрямую с контрольным блоком или установить на удалении от АЦП. Их используют и для проведения измерений на движущихся деталях, одновременно в нескольких точках конструкции и т.д. Но тензодатчики нужны не только в рассмотренных в статье случаях.

Тензорезисторы прямоугольного и розеточного типа на основе константановой фольги предназначены для измерения деформации деталей машин, металлоконструкций при статических нагрузках, а также в качестве чувствительных элементов силоизмерительных датчиков в условиях макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом. Их технические характеристики допускают циклы давлений/деформаций/воздействий десятки млн на один прибор.

Былое и перспективы тензодатчиков

Технологичность, универсальность, удобство использования и выгодная стоимость – ключевые факторы, влияющие на востребованность тензодатчиков разных типов. Перспектива их применения связана и с методами обработки сигналов датчиков линейных и угловых перемещений, фаз квадратурного сигнала в код положений. К примеру, получение цифрового кодового сигнала непосредственно с АЦП (микросхема RDS-M), сопряжённого с тензорезистором, позволяет не только юстировать подключённый датчик, но и использовать альтернативные алгоритмы вычисления скорости перемещений конструкции (деформации восстанавливаемого тензодатчика) и угла перемещения конструкции. В составе промышленных агрегатов применяются для измерения деформирующих усилий штамповочных прессов, прокатных станов, других металло-обрабатывающих машин. В строительных конструкциях – при возведении, эксплуатации, экспертизе для замера и контроля напряжённо-деформационных нагрузок. Для измерения и контроля давления в нефтегазопроводах и других коммуникациях и даже как элементы контроля силы затяжки в электрических приборах, монтажном оборудовании. Устройства на основе тензодатчиков незаменимы в гидротехнике и смежных сферах, когда требуется контролировать микронное смещение несущих конструкций, грунтов, бетонных оснований. Без применения электронных метрологических приборов с тензорезисторами не обходился ни один научно-исследовательский проект. Из истории развития промышленности в СССР следует, что тензорезисторы начали применять в конце 1940-х годов, с тех пор они практически заменили механические тензометры и открыли новые возможности в исследовании прочности различных машиностроительных конструкций. Инженер ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Веденеева – сегодня в составе РосГидро) Кашкаров Петр Николаевич, отец автора статьи, участвовавший в испытаниях грунтов и фундаментов Братской, Барабинской, Нижнекамской и др. ГЭС, работал с тензодатчиками в 60-х гг. ХХ века. На рис. 20 Кашкаров П.Н при контроле параметров оснований грунтов Братской ГЭС.

Актуальные для разработчиков задачи включают повышение надёжности работы и упрощение установки тензодатчиков. Развитие точных электронных динамометров и датчиков давления тензорезисторного типа обеспечило метрологам погрешность измерения до сотых долей процента. Ведутся экспериментальные исследования материалов конструктивных (чувствительных, связующих, подложек) элементов, работы по созданию конструкций с малыми разбросами характеристик, влияний посторонних факторов на метрологические характеристики в сложных условиях.

Заключение

Распространение тензодатчиков в современных электронных разработках объясняется тем, что они не инерционны, позволяют провести замер контролируемого параметра одновременно во многих точках, способ крепления на контролируемую поверхность может быть простым, в том числе приклеивание за подложку, а малые размеры позволяют размещать датчики в недоступных местах и устанавливать уже в период сборки конструкции. Большое значение имеет схемотехника и элементная база модулей сопряжения, микросхем-преобразователей АЦП, преобразователей «угол-код» и др. В этой области есть перспективы для разработок в области микроэлектроники, адаптированных к тензодатчикам. Современные тензодатчики ждёт большое будущее в разработках РЭА.

Литература:

1. Ануфриев В., Лужбинин А., Шумилин С. Методы обработки сигналов индуктивных датчиков линейных и угловых перемещений // Современная электроника. 2014. № 4.
2. Как проверить тензодатчик. URL: https://sierra.market/company/articles/186/.
3. Кашкаров А.П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики. СПб.: Наука и Техника, 2010. 208 с., ил. (2-е изд., доп.).
4. Кашкаров А.П. Справочник радиолюбителя: взаимозаменяемость элементов, цветовая и кодовая маркировки. СПб.: Наука и Техника., 2008. 288 с. (Серия: «Радиолюбитель»).
5. Кашкаров А.П. Датчики в электронных схемах: от простого к сложному. М.: ДМК Пресс, 2013. 212 с.
6. Микросборки преобразователя угол-код Ф020, Ф020.1. Краткое описание. URL: www.analog.com/static/imported-ailes/datasheets/AD2S1210.pdf.
7. Модули для тензорезисторов. URL: http://www.lcard.ru/sites/default/files/products/LTR212_conn.jpg.
8. Прокофьев Г., Стахин В., Обедин А. К1382НХ045 – микросхема преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения // Современная электроника. 2014. № 6.
9. Datasheet Тензометрический датчик РС7 ULN2004A [Электронный ресурс]. URL: https://www.flintec.com/wp-content/uploads/2016/09/A221-Rev0-RU_PC7_Data_Sheet.pdf.
10. Datasheet HX711 [Электронный ресурс]. URL: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/ForceFlex/hx711_english.pdf.
11. URL: https://shop.robotclass.ru/index.php?route=product/product&product_id=2398.

Тензометр

Тензометр сигнал — компонент. Предназначен для работы с данными, поступающими с канала тензодатчика. Служит для получения механических напряжений в конструкциях.

Внешний вид компонента

Режим проектировщика	Режим оператора
	Не имеет

Параметры:

Входные

• Канал — измерительный канал, на который поступает сигнал, у которого нужно измерить требуемые величины;
• Опора — опорный канал;
• Сброс — значение, в которое сбрасывается текущий показатель;
• Сброс — при подаче на этот контакт происходит сброс значения;
• Вкл\Выкл — включение и выключение тензометра.

Выходные

• Число(Yn) — выходные значения тензометра;
• Канал — виртуальный выходной канал, с которого поступают мгновенные значения, получаемые с тензометра.

Настраиваемые свойства:

Общие свойства (окружение)

Частные свойства (в скобках значение, установленное по умолчанию):

• Unit — указание единиц измерения.
• measuretype (Относительные) — тип измерений:
  1. Абсолютные.
  2. Относительные (значение единиц относительно опорного канала);
• powertype (Переменный ток) — тип питания датчика;
  1. Постоянный ток.
  2. Переменный ток — расчет значений будет проводиться по алгоритму селективного вольтметра, и, соответственно, измерительная схема (первичный преобразователь) должна быть запитана переменным током.
• Smooth (100) — сглаживание (время в [мс], за которое будет проводиться усреднение измеренных значений);
• Inversion (false) — отвечает за изменение знака измерений (позволяет инвертировать режим работы тензодатчика: сжатие-растяжение и наоборот);
• mode ( Тензодатчик) — режим работы датчика:
  1. Тензорезистор — в этом режиме;
  2. Тензодатчик — в этом режиме нужно ввести значение Sensitivity (чувствительности, мВ/В) и Limit (предел измерения в единицах Unit).
• Sensitivity (1) — чувствительность тензодатчика, мВ/В;
• Limit (10) — предел измерения тензодатчика;
• UseClbFile (false) — разрешение использования калибровочного файла, в котором находятся сохраненные ранее настройки и калибровочные таблицы для тензорезистора;
• ClbFileName — указывается путь к калибровочному файлу тензорезистора;
• Value (0) — число, в которое сбрасывается текущее показание;
• Activate (false) — состояние работы;
• ZeroBalance — текущая балансировка нуля.

Программирование

При использовании компонента в сценарии и программируемом компоненте (скрипте) необходимо учитывать диапазоны значений подаваемых на входные ножки компонента, диапазоны значений свойств компонента, а также диапазоны значений параметров методов компонента.

Параметры:

Входные

• Канал — канал, к которому подключается измерительный канал (от 0 до (количество каналов — 1));
• Опора — канал, к которому подключается питание измерительного моста (от 0 до (количество каналов — 1));
• Сброс — значение, в которое сбрасывается текущее показание (любое число).

Настраиваемые свойства:

Общие свойства (окружение)

Частные свойства (в скобках значение, установленное по умолчанию):

• BSTR Unit — установка и чтение единицы измерения (строка);
• BSTR MeasureType — установка и чтение типа измерений: Абсолютные; Относительные (строка);
• BSTR PowerType — установка и чтение питания: Постоянный ток; Переменный ток (строка);
• FLOAT Smooth — установка и чтение длины сглаживания, мс (число).
• VARIANT_BOOL Inversion — установка и чтение инвертирование измеренного значения нагрузки:
• true — Включено инвертирование измеренного значения нагрузки;
• false — Выключено инвертирование измеренного значения нагрузки.
• BSTR Mode — установка и чтение режима измерений: Тензорезистор; Тензодатчик (строка);
• FLOAT Sensitivity — установка и чтение чувствительности тензодатчика, мВ/В (число);
• FLOAT Limit — установка и чтение предела измерений тензодатчика (число);
• VARIANT_BOOL UseClbFile — установка и чтение разрешения использования файла калибровки для тензорезистора:
• true — Включено разрешение использования файла калибровки для тензорезистора;
• false — Выключено разрешение использования файла калибровки для тензорезистора.
• BSTR ClbFileName — установка и чтение файла калибровки тензорезистора (строка);
• FLOAT Value — установка и чтение числа, в которое сбрасывается текущий показатель (число);
• VARIANT_BOOL Activate — установка и чтение состояния работы тензометра:
• true — Состояние работы тензометра включен;
• false — Состояние работы тензометра выключен.
• FLOAT ZeroBalance — установка и чтение балансировки нуля (число).

Пример

Более подробно об использования Тензометра можно ознакомиться на официальном сайте, по ссылкам:

Математическое описание

В основе работы тензорезистивных преобразователей лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при механических деформациях под действием приложенной силы. Конструктивно большинство тензорезисторов (рис. 1) выпускается в виде проводников, жестко связанных с бумажной или пленочной основой 2. Проводник 3 представляет собой так называемую решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02-0,05 мм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются выводные медные проводники 4. Сверху проводники закрываются бумагой или пленкой или покрываются лаком 1. После наклеивания подложки тензорезистора на поверхность деформация этой поверхности передается проводниками и приводит к изменению их сопротивления.

Как видно на рисунке 1 датчик состоит из основы, на которую нанесен проводящий слой, образующий змейку, на “поворотах” толщина проводника увеличена для снижения чувствительности на растяжение перпендикулярной основной оси. Основная ось проходит вдоль линий направления змейки (на рисунке по горизонтали) и растяжение датчика вдоль этого направления вызывает максимальное изменение сопротивления датчика. Сверху датчик покрыт слоем прозрачного ламината, который защищает резистивный слой от повреждений. На датчике также нанесены метки, указывающие направление осей, упрощающих его установку, обычно проходят через центр датчика под углами 90°,±45° относительно основной оси чувствительности. При построении системы контроля нагрузки на различные механические конструкции обычно применяется несколько тензодатчиков или системы датчиков, оси которых пересекаются под различными углами, либо идут параллельно, поэтому для упрощения монтажа обычно используют датчики, имеющие несколько тензорезистивных элементов и уже расположенных под определенным углом.

Известно, что под действием силы или системы сил на металлический предмет он начинает деформироваться, причем до точки предела текучести материала деформация носит упругий характер и подчиняется закону Гука. Это означает, что при снятии силы предмет принимает исходные размеры, а величина напряжения равна линейной деформации умноженной на модуль Юнга. Формулы для расчета напряжения и деформации приведены ниже:

где ε – линейная деформация, E – модуль Юнга, σ – напряжение, F –сила приведшая к деформации, S – площадь поперечного сечения, на который эта сила действует, L – исходная длина, Δ – изменение длины под действием силы. Существует также понятия продольной и поперечной деформации. Продольная деформация – это деформация тела вдоль линии действия силы. Поперечная – деформация тела относительно оси, перпендикулярной направлению действия силы. Их отношения называются коэффициентом Пуассона:

Для тензорезистивных датчиков основная формула выглядит следующим образом:

где ΔR – изменение сопротивления тензодатчика вызванное деформацией ε, K – коэффициент тензочувствительности датчика (табличная величина), R – исходное сопротивление. Если подробнее расписать это выражение, то получим:

Из формулы вытекает, что изменение сопротивления тензодатчика, установленного на металлическую балку, поперечного сечения S, прямо пропорционально площади поперечного сечения балки и модулю Юнга. Измерив изменение сопротивления тензодатчика, можно рассчитать нагрузку на рассматриваемую балку, зная ее поперечное сечение и свойство материала из которого она изготовлена. Эта формула верна только для случаев растяжения/сжатия.

Для ситуации изгиба весь процесс выглядит несколько иначе, поскольку деформация рассчитывается сложнее. Нужно учитывать форму поперечного сечения балки и расстояние от места приложения силы к центру тензодатчика. Деформация в этом случае может быть рассчитана следующим образом:

где M – момент силы, Z – момент сопротивления сечения. Для различных вариантов размещения тензодатчика, крепления балки, и местоположения точки приложения силы рассчитывается различными способами.

Таблица 1. Расчет момента силы для различных вариантов положения балки и тензодатчика.

Таблица 2. Расчет момента сопротивления сечения для различной конфигурации сечения.

Для мониторинга крутящего момента используются тензодатчики, расположенные на балке под углом 45° относительно оси вращения рисунок 2. Используется один, два или четыре датчика. При установке двух датчиков их оси располагаются под углом 90° относительно друг друга и под углом 45° и -45° относительно оси вращения. При этом один из датчиков испытывает деформацию сжатия, другой – растяжения. При использовании четырех тензорезисторов они располагаются “крестиком”.

Вращающее усилие может быть рассчитано следующим образом:

где ν – коэффициент Пуассона, T – вращающий момент, E – модуль Юнга, Zp – угловое сопротивление сечения. Для цельного цилиндрического стержня: .

Для цилиндрической полой трубы с внешним диаметром d2 и внутренним d1:

Поскольку ΔR очень малая величина по сравнению с R, то измерение ее производят, включив датчик в схему моста Уитстона.

Рисунок 3.

Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется чувствительный гальванометр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста. На схеме R1, R2, R3, R4 – плечи моста. R3 представляет собой неизвестное сопротивление; R1, R2 и R4 — известные сопротивления, причём значение R2 может регулироваться. Если отношение сопротивлений (R2/R1) равно отношению сопротивлений другого (R3/R4), то разность потенциалов между двумя средними точками будет равна нулю, и ток между ними не будет протекать. Сопротивление R2 регулируется до получения равновесия, а направление протекания тока показывает, в какую сторону нужно регулировать R2.

С помощью гальванометра момент равновесия можно установить с большой точностью, и если сопротивления R1, R2 и R4 имеют маленькую погрешность, то R3 может быть измерено очень точно, ведь даже небольшие изменения Rx вызывают заметное нарушение баланса всего моста. Когда мост сбалансирован:

Если известны значения всех четырёх сопротивлений, а также напряжение (Vin), то напряжение на плечах моста можно найти, используя формулы делителя напряжения, а затем вычесть их друг из друга, чтобы найти Vout:

Если наш тензорезистор (R3) будет иметь сопротивление R+ΔR, а остальные резисторы равны R, то имеем:

так как ΔR очень малая величина по сравнению с R, то напряжение на выходе будет равно:

При решении задач измерения нагрузки на те или иные конструкции обычно в измерительный мост включается один, два или четыре тензорезистора.

Первый и главнейший фактор – ‘то температура, А вернее ее влияние не только на сопротивление самого тензодатчик. Но и на линейные размеры контролируемого объекта. Существует 2 способа решения этой проблемы:

· Использование термокомпенсированных тензодатчиков.

· Включение в измерительный мост дополнительного тензодатчика.

Рассмотрим второй способ. Для компенсации температурного влияния на баланс самого измерительного моста часто используют дополнительный тензодатчик, включенный в мост таким образом, чтобы изменение его сопротивления, обусловленное дрейфом температуры, было согласованно с изменением сопротивления основного тензодатчика. При этом дополнительный датчик монтируется на балке, к которой не прикладывается усилие, но находящейся под той же температурой, что и контролируемая конструкция. Например для компенсации тензодатчика, включенного как R1 дополнительный тензодатчик ставится на место R4. В этом случае изменение сопротивления, обусловленное изменением температуры на основном тензодатчике, равно изменению сопротивления в дополнительном тензодатчике и баланс измерительного моста сохраняется.

При построении измерительного моста на практике обычно оказывается, что сами датчики находятся на довольно большом расстоянии друг от друга. При этом длина провода может составлять несколько сотен метров. При этом нужно будет также учитывать температурный эффект в проводах.

На схеме приведена схема компенсации. Как видно из рисунка, сопротивление двух проводов входят в измерительный мост и компенсируют друг друга, сопротивление третьего соединяют последовательно с выходным напряжением. При использовании измерителя с входным сопротивлением много большим сопротивления резисторов можно не учитывать.