Тензометрия - что это в медицине, тензометрическое оборудование, метод измерения деформаций zdorovinform.ru

Внутреннее устройство

Схема электронных весов в корне отличается от его механического аналога. Платформа весов оборудована специальными рамами, которые реагируют на любое движение или действие. Иными словами, когда человек встает на весы или кладет туда что-либо, рамы незаметно для человеческого глаза деформируются и показывают значение.

К раме устройства на клей прикрепляется тензодатчик, представляющий собой своеобразную микроскопическую пластинку. Уже от нее идут три провода, отвечающих за сопротивление. Под нагрузкой рамы деформируются и распределяют между собой излишнюю массу. Информация с каждого прибора складывается и высчитывается общее значение.

Имеется еще мост четырехугольной формы, с прикрепленным к каждой стороне резистором. По одной диагонали моста идет питание, а по другой – передача параметров. Через провода соответственно проходит электричество. Такая конструкция весов гарантирует защиту датчиков от механических повреждений.

Тензодатчик — основные сведения

Тензометрический датчик или тензодатчик , предназначается для измерения деформации, тех или иных объектов исследования. Флуктуации геометрических характеристик образца, приводят к изменению, каких-либо физических свойств датчика, которые могут быть замерены. Используются тензодатчики, для измерения: силы, давления, ускорения, перемещения, крутящего момента. Наиболее простыми, являются механические тензодатчики. Считывание показаний в них, осуществляется со специальной линейки. Также существуют, пьезорезистивные, оптико-поляризационные, волоконно-оптические датчики. Наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики. Это связано, с относительной простотой и надёжностью их работы.

Принцип работы тензорезистивного датчика, основывается на законе, который в 1856 году, открыл лорд Кельвин. Он заключается в том, что под действием растягивающего усилия, которое меняет геометрические характеристики проводника, изменяется, его электрическое сопротивление. Это изменение, можно замерить и сопоставить со степенью деформации датчика, которая в свою очередь, может быть сопоставлена со степенью деформации, исследуемого образца. В состав измерительного моста, как одно из сопротивлений, включён тензодатчик. Производится калибровка моста, при которой сопротивление между контрольными точками, равно нулю. Одна из проводящих ветвей, снабжена тензодатчиком, а другая уравновешена резистором. При изменении физических параметров тензодатчика, его сопротивление изменяется, а сопротивление резистора на свободной ветви, остаётся неизменным. Это приведёт к тому, что изменится напряжение, между контрольными точками. Закон изменения этого напряжения, будет точно сопоставляться, с изменениями физических параметров, воздействующих на объект исследования, на котором установлен тензодатчик. Вплоть до восьмидесятых годов прошлого века, показания обрабатывались, с помощью бумажных самописцев. В настоящее время, используются электронные методы. Сигнал передаётся на компьютер, где его исследуют специальные программы.

Устройство и принцип работы

Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.

В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.

Тактильные

Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.

Механические

Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.

Резистивные

Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.

Струнные

Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.

Индуктивные

Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.

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.

Грамотный подход к выбору тензодатчиков

В связи с тем, что тензометрические устройства не являются особо сложными по своей конструкции, то при покупке лучше ориентироваться именно на цену, а не на производителя. Таким образом, сегодняшний рынок хоть и полон различными ценовыми и брендовыми предложениями, но большой разницы между эконом-классом и премиум не наблюдается. Дорогие датчики следует приобретать только в том случае, когда они действительно нужны для высокоточных измерений, к примеру, в пищевой промышленности или для производства лабораторных экспериментов. В остальном же, данная покупка не будет требовать больших затрат и вполне обойдется в стандартную цену относительно стандартных показателей погрешности в измерениях.

Касательно азиатского производителя рассматриваемой продукции. Как показывает анализ, точность измерения датчиков из Тайваня, Китая, Кореи ничуть не уступает самым популярным фирмам. Однако, материал их изготовления зачастую не долговечен и бывает так, что деформацию балки на китайских устройствах видно невооруженным взглядом сразу после проведения пары-тройки нескольких измерительных процедур.

Тензорезистивный метод

Сейчас это наиболее удобный и чаще других используемый метод. При деформации электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) происходит изменение их удельного электрического сопротивления и, как следствие, — изменение сопротивления чувствительного элемента датчика. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические плёнки, напылённые на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики. Сопротивление чувствительного элемента измеряется тем или иным способом.

Конструкция типичного металлического датчика

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

На диэлектрическую подложку (например, полимерную плёнку или слюду) в вакууме через напыляют плёнку металлического сплава, либо формируют проводящую конфигурацию на подложке фотолитографическими методами. В последнем случае на предварительно напылённую сплошную плёнку металла на подложке наносят слой фоторезиста и засвечивают его ультрафиолетовым излучением через фотошаблон. В зависимости от вида фоторезиста, либо засвеченные, либо незасвеченные участки фоторезиста смываются растворителем. Затем незащищённую фоторезистом металлическую плёнку растворяют (например, кислотой), формируя фигурный рисунок металлической плёнки.

В качестве материала плёнки обычно используются сплавы, имеющие низкий температурный коэффициент удельного сопротивления (например, манганин) — для снижения влияния температуры на показания тензометра.

При использовании тензорезистор подложкой приклеивают к поверхности исследуемого на деформации объекта или поверхности упруго-деформируемого элемента в случае применения в весах, динамометрах, торсиометрах, датчиках давления и др., так, чтобы тензорезистор деформировался вместе с деталью.

Чувствительность к деформации такого тензорезистора зависит от направления приложения деформирующей силы. Так, наибольшая чувствительность при растяжении и сжатии — по вертикальной по рисунку оси и практически нулевая при горизонтальной, так как полоски металла в зигзагообразной конфигурации сильнее изменяют своё сечение при вертикальной деформации.

Тензорезистор включается с помощью электрических проводников во внешнюю электрическую измерительную схему.

Измерительная схема

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x.

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R₂ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R₁ / R₂ = R_x / R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие сервисные функции.

Область применения тензодатчиков

Изо дня в день тензометрические датчики все больше применяются в различных сферах современной промышленности. Они являются оптимальным решением в области производства весоизмерительных систем. Для того чтобы Вам было легко определить сферы, где применяются тензометрические датчики, мы условно обозначили их и кратко описали конструкцию.

Ассортимент тензометрических датчиков, выпускаемых компанией «ZEMIC USA Inc» достаточно разнообразный и имеет классификацию.

Рассмотрим балочный тип тензометрических датчиков. Данный тип датчиков применяется для производства платформенных электронных весов, а также для весоизмерительных систем. Балочные тензодатчики зарекомендовали себя одним из массовых конструктивных устройств, применяющиеся в весоизмерении многих промышленных предприятий современности. Вследствие низкого профиля и высоких метрологических характеристик именно балочные тензометрические датчики массово применяются в промышленных системах, где важным процессом является весовое взвешивание и дозирование.

Стержневой тип тензометрических датчиков. Данный тип датчиков применяется для производства и модернизации бункерных, автомобильных, вагонных весов с большой грузоподъёмностью, а также в контрольно-измерительном оборудовании, испытательных стендах.

Следующий тип датчиков: мембранный. Он массово применяется при производстве вагонных, бункерных, автомобильных весовых системах. Также мембранные датчики используются в тех весодозирующих системах, где обыкновенные датчики не могут быть внедрены в конструкцию из-за своих габаритных размеров. В процессе взвешивания дозаторов, бункеров и прочих конвейерных весовых систем нашли свое применение S-образные тензометрические датчики. Следует отметить, что такие датчики превосходно подойдут для разрывных машин и испытательных стендов.

Одноточечные тензометрические датчики. Они предназначены для весового измерения небольших нагрузок (до 1 – 2 тонн) и применяются в производстве торговых, фасовочных, товарных, платформенных, бункерных, монорельсовых весов и дозаторов, а также фасовочного оборудования. При этом тензометрический датчик выступает единственным в системе и размещается под центральной частью грузоприемной весовой платформы.

Балочный двухопорный тип тензометрических датчиков. При его рассмотрении хочется отметить, что преимущественно его используют для производства и модернизации вагонных и автомобильных весовых систем. Имеет место их применение для изготовления систем взвешивания цистерн, систем взвешивания на автотранспортных средствах, для замера осевой нагрузки транспортных средств и в разных электронных весовых приборах.

Существует специальный тип тензометрических датчиков. Такие датчики используются в системах для специального назначения. Например, для измерения натяжения тросов, козловых и мостовых кранах, в крановых весах, подкладных весах и прочих. Данный тип тензометрических датчиков производится по спецзаказу.

Мы надеемся, что данная публикация расширит Ваши знания в этой области и поможет легко ориентироваться в широком разнообразии тензометрических датчиков. Наши специалисты всегда дадут Вам правильный совет и окажут профессиональную помощь при выборе тензодатчиков.

Что это такое

Тензодатчики веса и давления – это устройства, которые могут преобразовать механическую деформацию тела в электрический сигнал, который позволяет определить уровень растяжения и сжатия конкретного предмета. Он является резистивным преобразователем и считается одним из главнейших составляющих высокоточного весового оборудования.

Устройство изготовлено из чувствительного тензорезистора, который производится из тензоматериалов. Чаще всего это фольга или алюминиевая проволока с небольшим сечением. Как и прочие весовые приборы, резистор реагирует на изменение постоянного сопротивления на контактах, которое происходит в результате воздействия всестороннего сжатия.

Фото – тензодатчик шайбового типа

Бывают самые разные датчики, которые могут использоваться в любых отраслях: атомной, фармацевтической, металлургической и прочих. Виды тензодатчиков:

Приборы для измерения нагрузки и силы (динамометры);
Измерители давления;
Модели, фиксирующий ускорение;
Устройства для контроля перемещения;
Тензодатчики крутящего момента для автомобильных и станочных двигателей.

Несмотря на такое разнообразие моделей, в повседневной жизни используется только один тип датчика – для взвешивания, его можно увидеть в разных исполнениях. S-образный, бочковой, консольный и шайбовый — нужная конструкция подбирается исходя из области использования. Иногда используются балочные модели.

Тензодатчики веса

Прежде всего, это тензодатчики веса. Будь то напольные весы в спальне посадивших себя на диету женщин, неизменные электронные атрибуты современных магазинов, промышленные установки взвешивания автомобилей на стройплощадках или балочные платформенные весы, без тензорезисторов не обойтись. В настоящее время ассортимент тензодатчиков веса настолько велик, что любой заинтересованный потребитель сможет без особого труда выбрать требуемую именно для его случая комплектацию. Остановимся на нескольких конструктивных типах промышленных тензодатчиков веса.

Консольные устройства в алюминиевом или стальном исполнении. Диапазон весовых нагрузок этих приборов достаточно широк, а разнообразие вариантов корпусного решения позволяет использовать их во многих хозяйственных и бытовых сферах.

Стальные тензодатчики типа «бочка» или «шайба». Обладают хорошими показателями по герметичности и защите устройства от внешних воздействий. Это касается и материала оболочки и изоляции электропровода.

Балочные весовые регистраторы. Область применения – измерение весовых нагрузок на мостовые и платформенные конструкции. Регистрируют деформации изгиба и сдвига. Фиксировать натяжение крепежных элементов помогут тензодатчики на растяжке, а допустимость подвесного груза на стройке S-образные.

Описание

Принцип действия устройств основан на преобразовании деформации упругих элементов весоизмерительных датчиков (далее — датчиков), возникающей под действием силы тяжести взвешиваемого груза в аналоговый электрический сигнал, изменяющийся пропорционально его массе. Аналоговый электрический сигнал датчика преобразуется и обрабатывается аналого-цифровым преобразователем, расположенным в корпусе преобразователя весоизмерительного ТВ (далее — преобразователь) или самого датчика. Результаты взвешивания выводятся на табло индикации, расположенное на самом преобразователе и могут быть переданы через выходной разъем для связи с внешними электронными устройствами.

Конструктивно устройства состоят из одного или нескольких узлов встройки, выполненных на базе датчиков в комплекте с установочной оснасткой, соединительной коробки (при необходимости), кабеля питания и связи и преобразователя.

Соединительная коробка представляет собой контейнер из ударопрочного пластика и предназначена для параллельного соединения проводов кабеля датчика. Коробка общим кабелем соединена с преобразователем.

Преобразователь выполнен в виде прямоугольного герметичного контейнера. Для удобства монтажа преобразователя на задней панели предусмотрены крепежные резьбовые отверстия.

В устройствах используются датчики весоизмерительные М (Госреестр № 53673-13), С и Н (Госреестр № 53636-13), Т (Госреестр № 53838-13), МВ (Госреестр № 53637-13), МВ150 (Госреестр № 44780-10), МК2 (государственный реестр СИ № 55199-13), Н2 и Н11 (Госреестр № 55200-13) и преобразователи ТВ (все — производства ЗАО «Весоизмерительная компания «Тензо-М»). Внешний вид преобразователей представлен на рис. 1 — 12, датчиков на рис. 13 — 27.

Устройства выполняют следующие сервисные функции:

— полуавтоматическая установка нуля;

— сигнализация о перегрузке;

— предварительное задание массы тары;

— уравновешивание тары.

В зависимости от типа преобразователя устройства выполняют следующие сервисные функции:

— задание массы порции взвешиваемого продукта,

— подача звукового сигнала при достижении заданной массы,

— индикация общего количества взвешиваний,

— индикация массы нетто и брутто и т.д.

Устройства выпускаются в модификациях, отличающихся метрологическими характеристиками, конструктивными особенностями и имеют обозначение:

ТВЭУ-Н-N, где:

ТВЭУ — обозначение типа устройств,

Н — максимальная нагрузка устройства в тоннах,

N — количество узлов встройки (датчиков с установочной оснасткой) (от 1 до 10 в зависимости от типа преобразователя).

Тип преобразователя, а также тип датчика(датчиков) и руководстве по эксплуатации в разделе «Сведения о приемке».

На маркировочной табличке указывают:

— наименование предприятия-изготовителя;

— обозначение устройства в виде ТВЭУ-Н-N,

— заводской номер;

— значение минимальной нагрузки в виде Мт=……;

— значение максимальной нагрузки в виде Мах=……;

— действительная цена деления d в виде d=………;

— год выпуска;

— знак утверждения типа.

Лист № 2 Всего листов 9 их количество указываются в

Рисунок 7 — Внешний вид Рисунок 8 — Внешний вид преобразователя ТВ-006С преобразователя ТВИ-003/05Д

Рисунок 10 — Внешний вид Рисунок 11 — Внешний вид Рисунок 12 — Внешний вид преобразователя ТВИ-024 преобразователя ТВИ-025 преобразователя ТВ-015

Рисунок 25 — Внешний Рисунок 26 — Внеш- Рисунок 27 — Внешний Рисунок 28 — Внешний вид вид датчиков Т60АМ1 и ний вид датчика МК2 вид датчика Н2 датчика Н11

Т60АМ2

Выбрать тензометрический датчик

Как и у любого другого точного прибора, у тензодатчиков веса есть ряд важных технических и пользовательских критериев, которые должны соблюдаться покупателем, который хочет правильно подобрать себе это устройство:

Материал. Основная роль материала, из которого изготовлен корпус и компоненты датчика, сводится к его долговечности и способности выдерживать механические нагрузки. Большинство разновидностей устройств сделано из стали, будь то легированной или нержавеющей. Исключение составляют недорогие одноточечные классы тензодатчиков, которые производятся из алюминия, что не убавляет их технических качеств. Тем не менее, тот или иной вид материала имеет влияние на итоговую стоимость устройства.
Схема подключения тензометрического датчика. Тут выбирать придется между четырех- и шестижильной схема подключения датчика. Как правило, последняя требуется в случае, если установка устройства происходит на измерительный прибор с большим количество смежных датчиков, чей уровень сопротивления заметно отличается от устанавливаемой модели.
Наибольший предел измерения

Самое важное, что нужно знать об этом критерии — он определяет механическую прочность и грузоподъемность весов под управлением тензометрического датчика. Если замеряемый груз серьезно превышает НПИ, есть риск порчи и деформации самого датчика

Потому следует учитывать то, для каких целей собираются конкретные весы и какие предметы будут проходить замеры на них.
Класс точности измерения. Этот параметр обозначается буквами латинского алфавита и цифрами от D1 до С6. Большинство востребованных тензодатчиков обладают погрешностью в пределах указанных классов. При этом, самым распространенным классом является С3, в который входит большинство доступных измерительных устройств.
Способ закрепления. По этому критерию выбор довольно разнообразен и должен опираться на удобство пользователя. Среди вариантов есть датчики с фланцевым, линейным и боковым фиксациями. Также возможна установка тензодатчиков через внутреннюю или внешнюю резьбу, в зависимости от того, что позволяет конструкция устройства, в которому он крепится.
Тип защиты корпуса от вредных воздействий окружающей среды. Если измерительному прибору предстоит работать в экстремальных условиях или в иной среде, наполненной агрессивными факторами, стоит позаботиться о наличии соответствующей защиты на тензодатчике. Например, подбирать устройство с устойчивостью к химическому воздействию, перепаду температур, грязи и пыли, электромагнитного воздействия и так далее.
Номинальный выходной сигнал выражается в mV/V. Именно этот сигнал посылается и преобразуется тензодатчиком в момент, когда происходят замеры груза и его деформации.
Гистерезис является максимальным показателем разницы между значениями измерения одной нагрузки при ее увеличении с нуля и отклонении от номинального уровня.

Таким образом, выбор тензодатчика веса требует тщательного изучения его технических параметров и понимания принципов работы устройства, чтобы иметь представления о том, какие показатели обладают наибольшей важностью и при отборе