Виды
Ассортимент тензометрических датчиков очень большой, их выбирают с учетом сферы использования: измеряют силу и нагрузку; контролируют давление; контролируют момент для станков, моторов автомобилей.
Чаще всего для определения веса используются следующие модели:
- мембранные — широко используются в вагонных и автомобильных весах, для взвешивания цистерн, баков;
- колонные — для многотонных весов — автомобильных, вагонных, бункерных, а также для модернизации механического весового оборудования;
- S-образные — для подвесных, бункерных измерительных приборов, дозаторов массы.
Кроме классификации по форме, тензорезисторы различают по конструкционному чувствительному элементу. Рассмотрим эти разновидности подробнее.
Получили наибольшее распространение. Производят методом фотохимического травления.
Решетка тензорезистора выполняется из разных металлосплавов, обеспечивающих достаточную чувствительность и в то же время имеющих хорошую адгезию с изоляционной основой, на которой выполняется устройство. Толщина проводящего покрытия 3–15 мкм. Сопротивление находится в пределах 30–2000 Ом. Для защиты от внешней среды датчик покрывается специальным слоем.
Основные преимущества изделий — наибольшая чувствительность по сравнению с проволочными устройствами, прочные выводы и сложная конфигурация решетки.
Изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.
Малая толщина таких тензодатчиков (15–30 мкм) предоставляет существенный плюс при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур. Тензометрический коэффициент преобразователя равен 2–4, а его сопротивление варьируется в пределах 100–1000 Ом.
Представляет собой тонкую проволоку диаметром d 0 002н–0 5 мм, которая укладывается в виде петель длиной 5–25 мм, шириной 8–10 мм и приклеивается к бумаге. К ее концам припаиваются выводы 3 из более толстой проволоки, при помощи которых тензорезистор включается в цепь измерительной системы. Проволока должна соответствовать высокому удельному сопротивлению и малому температурному коэффициенту.
Принцип действия тензодатчиков
Суть работы довольна проста: на вход подается питание, с выхода снимается сигнал. Выходное напряжение зависит от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов.
На практике используют несколько типов весоизмерительных датчиков — четырех-, и шестипроводные. Предлагаем рассмотреть подробнее принцип действия на самом простом — первом варианте.
Четырехпроводной и шестипроводной тензодатчик работает по принципу моста Уитстона. Измерительная схема следующая: на гибкой подложке расположены четыре тензорезистора. Для обеспечения на выходе в состоянии покоя нулевого значения разности потенциалов в точках + S и – S все элементы имеют равное сопротивление. Ток не протекает в выходной цепи измерительного прибора, если считать тензорезистор идеальным. На практике из-за конструкционных особенностей и температурных перепадов все равно наблюдается токовая нагрузка.
При механическом воздействии нагрузки на тензодатчик гибкое основание деформируется. В результате в мостовой измерительной схеме изменяются рабочие параметры 4 резисторов, в том числе сжатие и растяжение. Обратите внимание на рисунок ниже.
Стрелка гальванометра отклоняется, что свидетельствует о том, что равновесие электроцепи нарушается, и ток начинает протекать через выход тензорезистора. Гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост придет в равновесие, как только нагрузка прекратится.
По факту, тензорезистор меняет параметр омического сопротивления по отношению к прилагаемой силе. На практике устройства широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах.
Принцип действия датчиков силы
Специальные устройства предназначены для измерения показателей силы или получения параметров момента действующей силы. Они определяют усилие либо силу, с которой один объект действует на другой.
Наличие датчиков силы в весах обуславливает возможность автоматизировать техпроцесс на производстве. Они востребованы в различных сферах — в с/х, строительстве и металлургической промышленности.
Принцип работы: весовая нагрузка деформирует упругий элемент. В месте возникновения деформации возрастает сопротивление, что приводит к изменению силы тока. Последняя пропорциональна величине деформации и, соответственно, действующей на датчик силе. Модели тензометрических датчиков характеризуются высокой точностью, обладают минимальными габаритами и весом.
Высокоточные малогабаритные устройства предназначены для измерения усилий сжатия и расширения. Самое широкое распространение получили датчики с металлическими тензометрами за свою универсальность, достаточную точность, простоту обработки выходного сигнала и приемлемую цену. Кроме того, они универсальны — подходят для измерения статических и динамических сил.
Преимущества тензометрических датчиков
К преимуществам тензодатчиков следует отнести:
- малый вес и размеры. Современные устройства компактные и не такие громоздкие, как раньше;
- простоту конструкции и крепления датчиков к изделиям. Процесс взвешивания гораздо упростился, а фиксация возможна как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
- способность измерять статические и динамические деформации. Это очень востребовано при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
- возможность проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -50 до +50 ˚С.
У нас вы можете купить тензометрические датчики для различных, в том числе больших нагрузок — до 200 т. Устройства работают результативно и обладают максимальной точностью измерения показателей. Подберем для вас нужную конструкцию исходя из области использования — S-образный, колонный, консольный, мембранный, балочный.
Подключение тензометрических датчиков к индикатору веса
В зависимости от пожеланий заказчика и технического задания мы можем изготовить устройства, которые могут иметь 4-х проводный или 6-ти проводный кабель для подключения к весовому индикатору.
Посмотрите на рисунок, где указаны эти две схемы:
Если промышленные весы имеют сразу несколько тензодатчиков, то они должны быть подключены параллельно, желательно с использованием специализированных соединительных коробок. Также они позволят сбалансировать систему, состоящую из множества устройств.
Например, для автовесов используют сборную конструкцию грузоприемного устройства. Платформа состоит из двух полуплатформ. Каждая платформа размещается на четырех тензодатчиках. Для подключения группы тензометрических датчиков применяют соединительные коробки. Они позволяют не только объединить сигналы с тензометрических датчиков, но и произвести выравнивание угловых нагрузок за счет добавочных резисторов, которые включаются в цепь сигнала датчиков.
В комплектацию устройств входит кабель. Если изменить его длину, то требуется обязательная калибровка весового индикатора, иначе показания могут быть недостоверными. Например, удлинение и укорачивание кабеля всегда приводят к потере точности определения массы. Отметим, что сколько бы проводов не было, датчик должен соответствовать требованиям ГОСТ.
Виды
Применяемость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого выполнен датчик. Чаще всего исходным материалом служит сплав константан, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константана k ≈ 2; таким же порядком значений (1. 5…3,5) обладают и другие сплавы постоянного электросопротивления.
Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих добавок значения коэффициента достигают 50…70. В связи с этим полупроводниковые тензометрические датчики более чувствительны, и их применяют для оценки малых удлинений. Вместе с тем полупроводниковые датчики характеризуются повышенными отклонениями своего удлинения в диапазонах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных датчиков этот показатель не превышает 0,5%.
Конструкции тензометрических датчиков проволочного типа разрабатываются с учетом следующих ограничений:
- С целью получения достаточной точности измерений величина сопротивления проволочного элемента должна находиться в пределах 100…1000 Ом;
- Диаметр проволоки целесообразно иметь в диапазоне 0,01…0,03 мм;
- Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.
В некоторых случаях приведенные ограничения не позволяют устанавливать тензометрические датчики в виде проволок, поэтому измерительные устройства изготавливают из фольги или плоских измерительных решеток. Для предохранения от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или сборке таких датчиков, для их крепления в напольном исполнении применяют подложку из бумаги или тонкого пластика.
Чтобы обеспечить электрический контакт с измерительной решеткой, на подложке размещают проволочные выводы, которые затем присоединяются к датчику при помощи пайки.
Виды тензодатчиков, включающих в себя активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:
- Плоский проволочный.
- Фольговый.
- Полупроводниковый, с одним или двумя стержнями.
- Трубчатый.
Краткая характеристика наиболее распространённых исполнений тензодатчиков приводится далее.
- Консольные. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в метах наибольшего прогиба конструкций.
- Цилиндрические. Наименее компактны, зато позволяют определять значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести лимитирующего материала.
- S-образные. Дают возможность оценивать трехмерные деформации при объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще других нуждаются в поверке.
Устройство и принцип работы
По типу воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистивные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики.
Тактильные
Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.
Резистивные
Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.
Пьезорезонансные
Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.
Пьезоэлектрические
По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.
Магнитные
Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.
Емкостные
Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.
Характеристика
Для изготовления тензометрических датчиков необходимо использовать материалы проволок, относительное изменение сопротивления которых пропорционально удлинению в максимальном диапазоне деформаций. При этом коэффициент пропорциональности k должен иметь большие значения. Для компактных устройств со значительной чувствительностью приходится применять материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением. При этом температурная зависимость удельного сопротивления при изменении внешних условий должна быть незначительной, а лучше и вовсе отсутствовать.
Условия оптимального использования тензорезисторов:
- Малое различие между коэффициентами теплового расширения материала конструкции (или узла) и измерительной проволоки устройства.
- Нечувствительность к термическим напряжениям, которые возникают при соединении измерительного элемента с контролируемой частью оборудования или конструкции (для такого присоединения чаще всего используют пайку).
- Хорошая обрабатываемость паяных соединений, которая не изменяет эксплуатационные параметры оборудования.
- Надежность соединения, учитывающая возможные динамические удары и перемещения.
На параметр пропорциональности k влияют коэффициент Пуассона ε (представляющий собой условную меру изменения поперечного сечения детали при приложении к ней растягивающих напряжений) и теплофизические параметры материала, из которого изготовлен тензометрический прибор.
Схемы подключения
Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.
Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.
Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:
- Высокое сопротивление ползучести.
- Отсутствие гистерезиса.
- Влагостойкость.
- Адгезионная способность.
- Температуростойкость.
Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.
Сферы применения
Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.
Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.
Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.
Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.
Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.
Измерение веса
Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.
Измерение давления
Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.
Измерение крутящего момента
Применяется для испытательного оборудования станций технического обслуживания автомобильного транспорта.
Определение ускорения
Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.
Контроль перемещения
Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.
Схемы датчика движения, принцип их работы, виды и инструкции
Датчики движения достаточно распространенное оборудование, потому как эта система полезна не только в рамках обеспечения специализированных компаний или офисных помещений, но и в домашнем обиходе. Классический датчик движения может использоваться в качестве выключателя для освещения в какой-либо комнате, что достаточно удобно.
Таким образом отпадает необходимость постоянно щелкать выключателем, и при этом можно не переживать, что, уходя из комнаты забылось выключить освещение. Это приводит к серьезной экономии электроэнергии, что положительно скажется на итоговом счете, полученном в конце месяца. Однако датчики движения кроме бытового имеют более широкое.
Датчик движения и принцип действия
На сегодняшний день, подобные датчики чаще всего можно встретить в рамках комплексного подхода для обеспечения безопасности помещения или конкретного участка, предмета. Подобное оборудование используется в системах сигнализации, потому как оно невидимо для злоумышленника, и при этом эффективно, потому что чувствительность можно настраивать самостоятельно. Если выставить максимальное значение, датчик будет реагировать даже на малейшее изменение обстановки, будто упавший лист с дерева, или маленькая ветка. В рамках обеспечения безопасности, рекомендуется выставлять самую высокую чувствительность датчика. Потому как лучше лишний раз проверить по камерам состояние периметра из-за сработавшего датчика, чем допустить нарушение безопасности.
Виды датчиков движения
Существует несколько основных разновидностей датчиков. Главным отличием среди них стоит отметить принцип действия и само устройство оборудования. При этом каждый конкретный вид проектировался и разрабатывался как для конкретных условий использования, так и в качестве универсального оборудования. Однако стоит отметить, что для повышения уровня безопасности, лучше всего использовать специализированное оборудование, настроенное на конкретные условия. Все потому, что универсальные датчики не обладают большой гибкостью настроек в конкретном диапазоне, что может негативно сказаться на итоговом результате работы.
Контактные
На примере будет удобнее рассмотреть работу датчика для освещения. Контактные датчики максимально простые. Они состоят из двух частей. Одна из которых крепится на дверь, другая крепится на косяк, прямо напротив датчика, закрепленного на двери. Таким образом, пока датчики замкнуты друг с другом, т. е когда дверь закрыта — освещение выключено.
При открывании двери, датчики размыкаются, подается сигнал и включается освещение. Это самая простая и одна из бюджетных схем организации умной системы освещения. Основное преимущество этих датчиков в том, что они обладают исключительной надежностью и эксплуатационным ресурсом. Все потому, что нет необходимости настраивать электроприборы, при этом они состоят всего из нескольких компонентов. Работа может быть основана на внутреннем блоке питания (батарейках), либо с подклчением к навесным блокам питания повышенного объема.
Однако, как показывает практика, использование классических, небольших моделей с батарейками значительно удобнее. В первую очередь потому, что они компактнее и незаметнее. В среднем заряда батареи хватает на 4-6 недель эксплуатации, что достаточно много. Затем, по необходимости батарейки можно просто заменить на новые, что в достаточной степени удобно.
Инфракрасные датчики движения
Более сложная модель, принцип действия которой заключается на срабатывании от теплового излучения. Фактически принцип работы датчика движения — это реакция на изменение температуры в определенном диапазоне. В том случае, если датчики зафиксируют скачок температуры, они подадут сигнал на блок управления. Такой тип датчика нельзя назвать отличным способом организовать умную систему освещения или включить его в систему сигнализации.
Такой датчик движения принцип действия, заключающийся в том, что при использовании велик шанс большого количества ложных срабатываний, потому как тепловое излучение присуще фактически всему окружающему, что считается главным минусом. Единственные оптимально подходящие условия для использования этого датчика заключаются в полной изоляции помещения, соответственно эти датчики лучше всего можно применить в рамках обеспечения безопасности.
При отсутствии полного доступа можно свести к нулю ложные срабатывания, при условии полного соблюдения заданного температурного режима в комнате. А в случае резкого изменения из-за прорыва периметра — датчик незамедлительно сработает. Подобные типы датчиков также используются в качестве обеспечения противопожарной безопасности, однако настраиваются совершенно по-другому.
Такой тип датчиков не рекомендуется устанавливать на улице, потому, что система может сработать из-за порывов теплого ветра, а исключить эту вероятность невозможно.
Ультразвуковые
Особенностью таких датчиков является излучатель, он работает на достаточно высоких частотах, от 20 до 60 кГц. Однако это одновременно является и проблемой. В том случае, если дома присутствуют домашние животные, использование такого датчика противопоказано, потому как домашние питомцы очень остро реагируют на этот диапазон звуков.
При этом стоит знать, что подобный диапазон звуков используется для отпугивания и дрессировки животных, также он может вызвать агрессию, это тоже важно учитывать.
Принцип работы датчика движения для включения света достаточно простой, такие приборы работают на эффекте Допплера, излучаемая волна отражается от объекта, находящегося в движении, затем возвращается в приемник с небольшим изменением длины волны. Приемник фиксирует изменение волны и происходит срабатывание, в результате чего подается сигнал.
Подобные датчики точечно распознают движение, однако проблема заключается в том, что при очень медленных движениях длина волны, которая будет отражать от объекта не изменится, либо будет меняться настолько незначительно, что датчик не сработает.
Лазерные датчики
Особенностью этой модели датчиков представляется использование лазера в качестве основного элемента для определения движения. Такие модели также состоят из двух составляющих элементов, равно как и контактные. Однако при этом количество датчиков этого типа в системе не ограничено, они могут составлять целую замыкающую цепь не только по периметру, но и напрямую через углы.
Принцип действия предельно простой, одна часть датчика отправляет лазер, другая часть его принимает. До тех пор, пока датчики замкнуты, ничего не происходит. Однако в том случае, если лазер будет нарушен, приемник не получит лазер, он отправит сигнал о срабатывании о нарушении периметра. Удобство этого оборудования заключается в том, что у него очень низкий процент ложных срабатываний, за исключением использования этих датчиков на открытом воздухе. В этом случае аппаратура может сработать случайно от упавшей ветки, которая пересечет лазер. Однако даже в этом случае, этот тип датчиков остается одним из наиболее оптимальных для организации системы безопасности как частных, так и государственных предприятий. При использовании полной системы подобных датчиков особое внимание стоит уделить детальной настройке каждого из них, важно чтобы лазеры не пересекали друг друга, потому как из-за этого может случиться ложное срабатывание или будет произведена некорректная настройка всей системы. Допускается максимально близкое расположение лазеров.
Возможно-ли собрать ик-датчик самостоятельно
Датчики инфракрасного излучения считаются одними из самых востребованных, несмотря на то, что у них очень большой процент ложных срабатываний из-за сложности обеспечения подходящих условий эксплуатации. Тем не менее собрать самостоятельно подобный датчик движения без инструкции для бытовых целей достаточно просто.
Наиболее популярным вариантом используются датчики движения Schneider Electric, их можно купить в шоуруме магазина, либо заказать на сайте.
Схема подключения датчика движения
На изображении клеммы, к которым подсоединяются питающие провода.
Отдельное внимание стоит обратить на тот факт, что эта основа может использоваться как в качестве самостоятельного элемента, так и в паре с микроконтроллером. Сама основа состоит из печатной платы с микросхемой, обвязкой и одним пир-сенсором. Сенсор накрыт линзой, также на плате есть два потенциометра. Один из них предназначен для регулирования чувствительности поступающего сигнала, а второй предназначен для регулирования времени, через которое подается сигнал на включение. В случае срабатывания, появляется сигнал, который будет работать определенное время, заданное ранее.
В качестве источника питания подойдет напряжение от 5 до 20 вольт, это полностью безопасное напряжение для человека. Радиус действия, в зависимости от комплектации и настройки может составлять от 3 до 7-8 метров, что достаточно много и этого вполне хватит для бытового использования. Время, которое будет держаться сигнал срабатывания, может составлять от 5 секунд до 4 минут при необходимости. Если нужно продлить этот период еще больше, приходится использовать дополнительное оборудование. Либо микроконтроллер или реле для задержки времени. Максимальный угол обзора такого датчика будет составлять порядка 120 градусов.
