Тензодатчик - Load cell

Адатчик нагрузки это сила преобразователь. Он преобразует силу, такую как растяжение, сжатие, давление или крутящий момент, в электрический сигнал, который можно измерить и стандартизировать. По мере увеличения силы, приложенной к датчику нагрузки, электрический сигнал изменяется пропорционально. Наиболее распространенными типами датчиков нагрузки являются гидравлические, пневматические и тензодатчики.

Тензодатчик тензодатчика

Тензодатчик тензодатчики чаще всего используются в промышленных условиях. Он идеален, поскольку отличается высокой точностью, универсальностью и экономичностью. Конструктивно датчик нагрузки имеет металлический корпус, к которому прикреплены тензодатчики. Корпус обычно изготавливается из алюминия, легированной стали или нержавеющей стали, что делает его очень прочным, но при этом минимально эластичным. Эта эластичность дает начало термину «пружинный элемент», относящемуся к корпусу датчика веса. Когда на датчик нагрузки действует сила, пружинный элемент слегка деформируется и, если он не перегружен, всегда возвращается к своей исходной форме. По мере деформации пружинного элемента тензодатчики также меняют форму. Результирующее изменение сопротивления в тензодатчиках можно измерить как напряжение. Изменение напряжения пропорционально величине силы, приложенной к ячейке, таким образом, количество силы может быть рассчитано на основе выходных данных тензодатчика.

Тензодатчики

Тензодатчик изготовлен из очень тонкой проволоки или фольги, уложенной в виде сетки и прикрепленной к гибкой основе. Когда форма тензодатчика изменяется, изменяется его электрическое сопротивление. Проволока или фольга в тензодатчике расположены таким образом, что при приложении силы в одном направлении происходит линейное изменение сопротивления. Сила натяжения растягивает тензодатчик, делая его тоньше и длиннее, что приводит к увеличению сопротивления. Сила сжатия действует наоборот. Тензодатчик сжимается, становится толще и короче, а сопротивление уменьшается. Тензодатчик прикреплен к гибкой основе, что позволяет легко прикрепить его к датчику нагрузки, отражая мельчайшие изменения, которые необходимо измерить.

Поскольку изменение сопротивления, измеренного одним тензодатчиком, чрезвычайно мало, трудно точно измерить изменения. Увеличение количества применяемых тензодатчиков вместе увеличивает эти небольшие изменения до чего-то более измеримого. Набор из 4 тензодатчиков, установленных в определенной цепи, называется мостом Уитстона.

Мост Уитстона

А Мост Уитстона представляет собой конфигурацию из четырех симметричных резисторов с известным напряжением возбуждения, как показано ниже:

Напряжение возбуждения ${ displaystyle V _ { text {EX}}}$ известное постоянное и выходное напряжение ${ textstyle V_ {o}}$ изменяется в зависимости от формы тензодатчиков. Если все резисторы сбалансированы, то есть ${ displaystyle { frac {R1} {R2}} = { frac {R4} {R3}}}$ тогда ${ textstyle V_ {o}}$ равно нулю. Если сопротивление хотя бы в одном из резисторы изменения, то ${ displaystyle V_ {0}}$ также изменится. Изменение в ${ textstyle V_ {o}}$ можно измерить и интерпретировать с помощью закона Ома. Закон Ома гласит, что ток ( ${ textstyle I}$ , измеряется в амперах), проходящий через проводник между двумя точками, прямо пропорционален напряжению ${ textstyle V}$ через две точки. Сопротивление ( ${ displaystyle R}$ , измеряется в омах) вводится в этом соотношении как постоянная, не зависящая от тока. Закон Ома выражается уравнением ${ Displaystyle I = V / R}$ .

Применительно к 4 ветвям цепи моста Уитстона полученное уравнение выглядит следующим образом:

${ displaystyle V_ {o} = left ({ frac {R3} {R3 + R4}} - { frac {R2} {R1 + R2}} right) V _ { text {EX}}}$

В датчике нагрузки резисторы заменены тензодатчиками и расположены с чередованием растяжения и сжатия. Когда на датчик нагрузки действует сила, структура и сопротивление тензодатчиков изменяются и ${ textstyle V_ {o}}$ измеряется. Из полученных данных ${ textstyle V_ {o}}$ можно легко определить с помощью приведенного выше уравнения.^[1]

Общие типы тензодатчиков

Существует несколько типов тензодатчиков:

Изгибающая балка: использует тензодатчики для контроля напряжения в чувствительном элементе, когда пружинный элемент подвергается изгибающей силе.^[2]
Кнопка нагрузки: часто используются низкопрофильные датчики нагрузки, когда нагрузка сосредоточена в одной точке (кнопке).

Блин: низкопрофильные тензодатчики, часто используемые при взвешивании сосудов; может быть растяжение или сжатие.

Одноточечный датчик нагрузки с поперечной балкой: пружинный элемент, закрепленный на одном конце и нагруженный на другом.

Двусторонняя поперечная балка: пружинный элемент, закрепленный на обоих концах и нагруженный в центре.

Тензодатчик канистры: пружинный элемент цилиндрической формы; может использоваться как при растяжении, так и при сжатии.
Тензодатчик S-типа: S-образный пружинный элемент; может использоваться как при сжатии, так и при растяжении.
Миниатюрный датчик нагрузки: похож на датчик нагрузки, но с меньшей геометрией:

Зажимы для троса: узел, прикрепленный к тросу и измеряющий его натяжение; обычно используется в кранах и подъемниках.

Датчик нагрузки с натяжным звеном: часто используется в системах взвешивания кранов и подъемников. Измеряет только силу натяжения.

Нагрузочный штифт: заменяет шкивы и шкивы, обычно на кранах.

^[3]

Пневматический датчик веса

Датчик нагрузки предназначен для автоматического регулирования уравновешивающего давления. К одному концу диафрагмы прикладывается давление воздуха, который выходит через сопло, расположенное в нижней части тензодатчика. К весоизмерительной ячейке прилагается манометр для измерения давления внутри ячейки. Отклонение диафрагмы влияет на воздушный поток, проходящий через сопло, а также на давление внутри камеры.

Гидравлический датчик нагрузки

В гидравлическом датчике нагрузки используется обычное расположение поршня и цилиндра, при этом поршень помещен в тонкую эластичную диафрагму. Поршень фактически не контактирует с датчиком нагрузки. Механические упоры установлены для предотвращения чрезмерного напряжения диафрагмы, когда нагрузки превышают определенный предел. Датчик веса полностью заполнен маслом. Когда нагрузка прилагается к поршню, движение поршня и диафрагмы приводит к увеличению давления масла. Затем это давление передается на гидравлический манометр через шланг высокого давления.^[4] Датчик Трубка Бурдона чувствует давление и регистрирует его на циферблате. Поскольку этот датчик не имеет электрических компонентов, он идеально подходит для использования во взрывоопасных зонах.^[5] Типичные применения гидравлических датчиков нагрузки включают взвешивание резервуаров, бункеров и бункеров.^[6] Например, гидравлический датчик нагрузки невосприимчив к переходным напряжениям (молния), поэтому датчик нагрузки такого типа может быть более эффективным устройством на открытом воздухе. Эта технология дороже, чем другие типы датчиков веса. Это более дорогостоящая технология, и поэтому она не может эффективно конкурировать по стоимости покупки.^[7]

Другие типы

Вибрационный датчик нагрузки

Вибрирующая проволока датчики веса, которые полезны в геомеханический заявок из-за небольшого количества дрейф, и емкостные весоизмерительные ячейки где емкость конденсатор изменяется по мере того, как нагрузка прижимает две пластины конденсатора ближе друг к другу.

Пьезоэлектрический датчик веса

Пьезоэлектрические весоизмерительные ячейки работают по тому же принципу деформации, что и тензодатчики, но выходное напряжение генерируется основным устройством. пьезоэлектрический материал - пропорционален деформации тензодатчика. Полезно для динамических / частых измерений силы. Большинство приложений для пьезодатчиков находятся в условиях динамического нагружения, когда тензодатчики могут выйти из строя при длительных циклах динамического нагружения. Пьезоэлектрический эффект является динамическим, то есть электрический выходной сигнал датчика является импульсной функцией и не статичен. Выходное напряжение используется только при изменении деформации и не позволяет измерять статические значения.

Однако, в зависимости от используемой системы кондиционирования, может выполняться «квазистатическая» работа. Использование так называемого «усилителя заряда» с «большой» постоянной времени позволяет проводить точные измерения, продолжающиеся от многих часов для больших нагрузок до многих минут для малых нагрузок. Еще одно преимущество. Пьезоэлектрического датчика веса, оснащенного усилителем заряда, представляет собой широкий диапазон измерения, который может быть достигнут. Пользователи могут выбрать датчик веса с диапазоном в сотни кН и использовать его для измерения нескольких N сил с тем же отношением сигнал / шум , опять же, это возможно только с использованием кондиционера «Усилитель заряда».

Общие проблемы

Механический монтаж: ячейки должны быть правильно установлены. Вся сила нагрузки должна проходить через ту часть датчика веса, где обнаруживается его деформация. Трение может вызвать смещение или гистерезис. Неправильная установка может привести к тому, что ячейки сообщают силы вдоль нежелательной оси, которые все же могут несколько коррелировать с измеренной нагрузкой, сбивая с толку техника.
Перегрузка: в пределах своего номинального значения датчик нагрузки упруго деформируется и возвращается к своей форме после разгрузки. Если он подвергается нагрузкам, превышающим максимально допустимые значения, материал датчика веса может пластически деформировать; это может привести к смещению сигнала, потере линейности, затруднениям или невозможности калибровки или даже к механическому повреждению чувствительного элемента (например, к расслоению, разрыву).
Проблемы с проводкой: провода к ячейке могут иметь высокое сопротивление, например из-за коррозии. В качестве альтернативы, параллельные пути тока могут быть образованы из-за попадания влаги. В обоих случаях в сигнале возникает смещение (если только все провода не затронуты одинаково), и точность теряется.
Электрическое повреждение: тензодатчики могут быть повреждены наведенным или проводимым током. Молния удар по конструкции, или дуговая сварка выполняется возле клеток,^[8] могут перенапрягать тонкие резисторы тензодатчиков и вызывать их повреждение или разрушение. Для сварки поблизости рекомендуется отсоединить тензодатчик и замкнуть все его штыри на землю рядом с самим датчиком. Высокое напряжение может пробить изоляцию между подложкой и тензодатчиками.
Нелинейность: в нижней части своей шкалы тензодатчики имеют тенденцию быть нелинейными. Это становится важным для ячеек, чувствительных к очень большим диапазонам или с большой избыточной нагрузочной способностью, чтобы выдерживать временные перегрузки или удары (например, веревочные зажимы). Для калибровочной кривой может потребоваться больше точек.
Особенности применения: датчик веса, который не подходит для конкретной величины и типа давления, будет иметь низкую точность, разрешение и надежность.

Возбуждение и номинальная мощность

Мост возбуждается стабилизированным напряжением (обычно 10 В, но может составлять 20 В, 5 В или меньше для приборов с батарейным питанием). На сигнальных выходах появляется разность напряжений, пропорциональная нагрузке. Выходная мощность элемента измеряется в милливольтах на вольт (мВ / В) разности напряжений при полной номинальной механической нагрузке. Таким образом, датчик нагрузки 2,96 мВ / В будет обеспечивать сигнал 29,6 милливольт при полной нагрузке при возбуждении напряжением 10 вольт.

Типичные значения чувствительности составляют от 1 до 3 мВ / В. Типичное максимальное напряжение возбуждения составляет около 15 вольт.

Проводка

Ячейки с полным мостом обычно имеют четырехпроводную конфигурацию. Провода к верхнему и нижнему концам моста являются возбуждением (часто обозначаются E + и E− или Ex + и Ex−), провода к его сторонам являются сигналом (обозначаются S + и S−). В идеале, разница напряжений между S + и S− равна нулю при нулевой нагрузке и растет пропорционально механической нагрузке датчика веса.

Иногда используется шестипроводная конфигурация. Два дополнительных провода являются «сенсорными» (Sen + и Sen−) и подключаются к мосту с помощью проводов Ex + и Ex- аналогично четырехконтактное зондирование. С помощью этих дополнительных сигналов контроллер может компенсировать изменение сопротивления провода из-за, например, колебания температуры.

Отдельные резисторы на мосту обычно имеют сопротивление 350 Ом. Ω. Иногда встречаются другие значения (обычно 120 Ом, 1000 Ом).

Мост обычно электрически изолирован от подложки. Чувствительные элементы находятся в непосредственной близости и в хорошем взаимном тепловом контакте, чтобы избежать дифференциальных сигналов, вызванных разницей температур.

Использование нескольких ячеек

Один или несколько датчиков веса могут использоваться для измерения одиночной нагрузки.

Если сила может быть сконцентрирована в одной точке (мелкомасштабное зондирование, канаты, растягивающие нагрузки, точечные нагрузки), можно использовать одну ячейку. Для длинных балок используются две ячейки на конце. Вертикальные цилиндры можно измерить в трех точках, для прямоугольных объектов обычно требуется четыре датчика. Больше датчиков используется для больших контейнеров или платформ или для очень высоких нагрузок.

Если гарантировано, что нагрузки будут симметричными, некоторые датчики веса можно заменить на шарниры. Это экономит стоимость датчика веса, но может значительно снизить точность.

Датчики веса могут быть подключены параллельно; в этом случае все соответствующие сигналы соединяются вместе (от Ex + до Ex +, от S + до S +, ...), и результирующий сигнал представляет собой среднее значение сигналов от всех чувствительных элементов. Это часто используется, например, в персональные весы или другие многоточечные датчики веса.

Наиболее распространенное назначение цвета - красный для Ex +, черный для Ex−, зеленый для S + и белый для S−.

Менее распространенные назначения: красный для Ex +, белый для Ex-, зеленый для S + и синий для S-, или красный для Ex +, синий для Ex-, зеленый для S + и желтый для S-.^[9] Возможны и другие значения, например красный для Ex +, зеленый для Ex−, желтый для S + и синий для S−.^[10]

Звон

Каждый тензодатчик подвержен «звону» при резком изменении нагрузки. Это происходит из-за пружинящего поведения тензодатчиков. Чтобы измерить нагрузки, они должны деформироваться. Таким образом, датчик веса конечной жесткости должен иметь пружинное поведение, демонстрируя вибрации на своем собственная частота. Колебательный шаблон данных может быть результатом звонка. Звонок можно ограниченно подавить пассивными средствами. В качестве альтернативы система контроля может использовать привод для активного гашения звона тензодатчика. Этот метод обеспечивает лучшую производительность за счет значительного увеличения сложности.

Использует

Датчики веса используются в нескольких типах измерительных приборов, таких как лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы.^[11] и универсальные испытательные машины.^[12] С 1993 г. Британская антарктическая служба установлены датчики веса в стекловолокно гнезда взвесить альбатрос цыплята.^[13] Датчики веса используются в самых разных предметах, таких как шейкер с семью опорами который часто используется для настройки гоночных автомобилей.

Весоизмерительные характеристики датчиков веса

Датчики веса обычно используются для измерения веса в промышленных условиях. Их можно устанавливать на бункерах, реакторах и т. Д. Для контроля их грузоподъемности, что часто имеет решающее значение для промышленного процесса. Некоторые рабочие характеристики весоизмерительных ячеек должны быть определены и указаны, чтобы убедиться, что они выдержат ожидаемую работу. Среди этих конструктивных характеристик:

Комбинированная ошибка
Минимальный интервал проверки
Разрешение

Технические характеристики тензодатчика

Электрические, физические и экологические характеристики тензодатчика помогают определить, для каких приложений он подходит. Общие характеристики включают:

Выход полной шкалы (FSO): Электронный выход, выраженный в мВ / В. Измерено в полном масштабе.
Комбинированная ошибка:% полной шкалы выходного сигнала, представляющего максимальное отклонение от прямой линии, проведенной между холостым ходом и нагрузкой при номинальной мощности. Часто измеряется при уменьшении и увеличении нагрузки.
Нелинейность: максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между номинальной мощностью и нулевой нагрузкой. Измеряется при увеличении нагрузки и выражается в% от полной шкалы.
Гистерезис: максимальная разница между выходными сигналами весоизмерительного датчика для одинаковой приложенной нагрузки. Первое измерение можно получить, уменьшив нагрузку с номинальной мощности, а второе - увеличив нагрузку с нуля.
Повторяемость: максимальная разница между выходными измерениями для повторяющихся нагрузок в идентичных условиях. Измеряется в% от номинальной мощности.
Нулевой баланс (смещение): выходное значение тензодатчика с номинальным возбуждением без нагрузки. Отклонение выходного сигнала между истинным нулевым измерением и реальным датчиком веса при нулевой нагрузке, выраженное в процентах от полной шкалы выходного сигнала.
Компенсированный умеренный диапазон: диапазон температур, в котором тензодатчик компенсируется, чтобы обеспечить нулевой баланс и номинальную выходную мощность в указанных пределах. Выражается как ° F или ° C.
Диапазон рабочих температур: крайние диапазоны температур, в которых датчик веса может работать без постоянного отрицательного воздействия на какие-либо его рабочие характеристики. Выражается как ° F или ° C.
Влияние температуры на выход: изменение выходных показаний, вызванное температурой датчика веса. Выражается в% от полной шкалы на градус ° F или ° C.
Влияние температуры на ноль: изменение нулевого баланса, вызванное изменениями температуры окружающей среды. Выражается в% от полной шкалы на градус ° F или ° C.
Входное сопротивление: входное сопротивление мостовой схемы тензодатчика. Измеряется на положительном и отрицательном проводах возбуждения без нагрузки. Измеряется в Ом.
Выходное сопротивление: выходное сопротивление мостовой схемы тензодатчика. Измеряется на положительном и отрицательном проводах возбуждения без нагрузки. Измеряется в Ом.
Сопротивление изоляции: сопротивление, измеренное вдоль путей между мостовой схемой и элементом преобразователя, мостовой схемой и экраном кабеля, а также элементом преобразователя и экраном кабеля. Обычно измеряется при 50 вольт в стандартных условиях испытаний.
Рекомендуемое возбуждение: максимальное рекомендованное напряжение возбуждения преобразователя, чтобы он работал в пределах своих технических характеристик. Выражается в VDC.
Длина кабеля: длина стандартного кабеля, для которого откалиброван датчик веса. Длина кабеля влияет на то, как калибруется датчик веса.
Безопасная перегрузка: максимальная нагрузка, которая может быть приложена к весоизмерительному датчику, не оказывая необратимого воздействия на его рабочие характеристики. Измеряется в% от полной шкалы.
Предельная перегрузка: максимальная нагрузка, которую можно выдержать, не вызывая разрушения конструкции.
Материал: вещество, из которого состоит пружинный элемент тензодатчика.

^[14]

Калибровка тензодатчика

Весоизмерительные ячейки являются неотъемлемой частью большинства систем взвешивания в промышленной, аэрокосмической и автомобильной промышленности, выдерживая суровые ежедневные нагрузки. Со временем весоизмерительные ячейки будут дрейфовать, стареть и смещаться; поэтому их необходимо будет регулярно калибровать, чтобы гарантировать получение точных результатов.^[15] ISO9000 и большинство других стандартов определяют максимальный период от 18 месяцев до 2 лет между процедурами повторной калибровки, в зависимости от уровня износа датчика веса. Ежегодная повторная калибровка считается лучшей практикой многими пользователями весовых датчиков для обеспечения наиболее точных измерений.

Стандартные калибровочные тесты будут использовать линейность и повторяемость в качестве рекомендаций по калибровке, поскольку они оба используются для определения точности. Калибровка проводится постепенно, начиная с работы в порядке возрастания или убывания. Например, в случае 60-тонного весоизмерительного датчика могут использоваться специальные испытательные грузы, которые измеряются с шагом 5, 10, 20, 40 и 60 тонн - пятиступенчатого процесса калибровки обычно достаточно для обеспечения точной калибровки устройства. . Для получения стабильных результатов рекомендуется повторить эту пятиэтапную процедуру калибровки 2-3 раза.^[16]

Смотрите также

Весенняя шкала
Датчик растяжения
Что происходит внутри тензодатчикастатья, написанная Broadweigh (Mantracourt Electronics)