Как работает тензорезисторный датчик? Способы диагностики тензорезисторных датчиков.

  • 01 июня 2020 в 21:17:44
  • Отзывы :0
  • Просмотров: 751
  • 0
 
Здравствуйте, друзья! Немного расскажу о тензорезисторных датчиках и о том как проверить тензодатчик на исправность. Часто случается ситуация, когда приходится менять неисправные тензодатчики в весах, и когда мы отдаем неисправный тензодатчик клиенту, клиент искренне не понимает, что с датчиком не так, спрашивает: “Что в нем сгорело?” Мы отвечаем, что ничего, датчик деформирован. Клиент смотрит на деталь, но никакой деформации не видит, думает: может обмануть хотят? Но мы не обманываем, датчик действительно неисправен. Просто на глаз неисправность тензодатчика не определить. И вот почему. 
 

 
Начнем с того, что тензорезисторный датчик представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует механическое воздействие в электрический сигнал. 
 
Механическая часть состоит из тела, которое подвергается нагрузке. 
 
Измерительная часть -- это тензорезисторный мост. 
 
Чаще всего тензорезисторные датчики изготавливают из стали или алюминия. 
 
Формы тензорезисторных датчиков могут быть различными, одна из самых популярных -- консольная балка. 
 
При изготовлении балочного тензодатчика металлическая балка обрабатывается таким образом, что в теле балки создаются технологические прослабления -- полости.  
 
В местах, где создается меньшая толщина материала балка более чувствительна к механической деформации.  
 
В этих участках создается наибольшее механическое напряжение при прикладывании силы к балке. Механическое напряжение -- это мера деформации упругого тела. Если сильно упростить скажем так - там где тонко, там гнется сильнее. 
 
Для примера возьмем консольные балочные датчики, которые используются в торговых весах.  
 
Вот алюминиевая балка с полостью. Где больше всего выбрано материала, там и создаются наиболее чувствительные к деформации участки. На этих участки и наклеиваются тензорезисторы. 
 
Тензорезистор -- это тонкопленочный резистор, который растягивается или сжимается вместе с материалом на который этот резистор приклеен. Когда тензорезистор растягивается, то сечение его проводника уменьшается, а длина увеличивается, представьте резинку, если ее растянуть -- она становится тоньше, но длинее. Так и в тензорезисторе при растяжении или сжатии меняется сечение проводника и длина, в следствии чего меняется и электрическое сопротивление тензорезистора.
  
 
Как мы знаем, чем тоньше и длиннее проводник, тем току будет сложнее по нему пройти, чем толще и короче проводник, тем току проще пройти. Это как с водой в трубе, чем труба длиннее и тоньше, тем воде сложнее пройти, чем труба короче и толще, тем воде проще через нее пройти.  
 
Подытожим:  
 
Тензорезистор наклеивается на материал  
 
Материал получает упругую деформацию  
 
Тензорезистор вместе с материалом растягивается или сжимается 
 
Тензорезистор изменяет сопротивление  
 
В свою очередь изменяется и ток, который протекает по тензорезистору 
 
Так мы переходим ко второй части тензодатчика - измерительной. Как я уже сказал измерительная часть состоит из резисторов, которые соединены в мостовую схему. 
 
Изображу схему резисторного моста. Наиболее простая схема состоит из четырех резисторов. 
 
Такое соединение имеет диагональ питания. И сигнальную диагональ. На диагональ питания подается напряжение, и ток потечет от одного полюса к другому, через ветви моста, назовем их левая и правая ветви для наглядности. Тензорезисторы подобраны таким образом, что левая и правая ветвь имеет одинаковое электрическое сопротивление.  
 
Давайте упростим схему. Сложим сопротивление резисторов R1+R2 и сопротивление резисторов R3+R4 по правилу последовательного соединения. Теперь мы получили два резистора, которые соединены параллельно. Когда эти два параллельных сопротивления одинаковы, то ток будет протекать по ним одинаковый -- это так называемый делитель тока.  Поскольку ток при равных сопротивлениях ветвей моста будет протекать одинаковый, то в точках измерительной диагонали разности потенциалов возникать не будет. В таком случае мост называют сбалансированным. 
 
Как только к тензодатчику прилагается усилие, сопротивление ветвей меняется, мост получает разбаланс, по ветвям начинает протекать разный ток, в следствии перекоса тока, в точках измерительной диагонали появится разность потенциалов, которую можно измерить мультиметром. 
 
Перейдем к нашим образцам. Это два консольных балочных датчика. Они имеют одинаковые формы, размеры и электрические параметры, но при этом один из них исправен, а другой -- нет, он был подвержен необратимой деформации. Но по внешнему виду невозможно понять, где же исправный датчик, а где деформированный. 
 
Почему так происходит? Дело в том, что тензорезисторный датчик при допустимой механической нагрузке испытывает обратимые (упругие) деформации -- это значит, что когда с датчика нагрузку убирают, то он возвращается к первоначальной форме. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей). 
 
Если же к датчику приложить разрушающую нагрузку, то он выйдет за предел упругости, это значит, что когда нагрузку уберут, то датчик уже не вернется в первоначальное состояние. В основе необратимых деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение). 
 
Т.е. деформация в тензодатчике проходит на атомно-молекулярном уровне и поэтому невозможно увидеть деформацию невооруженным взглядом. Но иногда, конечно бывает, что датчик разрушается физически, для этого датчику необходимо получить нагрузку в сотни или тысячи раз больше, чем та, на которую он рассчитан. 
 
Но по каким критериям можно определить работоспособность тензорезисторного датчика? Работоспособность тензоресисторного датчика выявляют по показаниям тензорезисторного моста. Для этого используют два критерия: 
 
Замер сопротивлений тензомоста 
 
Замер выходного сигнала тензомоста (замер начального разбаланса) 
 
Замер сопротивлений тензомоста в большинстве случаев не дает стопроцентного результата в определении исправности датчика, а помогает выявить наличие/отсутствие обрыва в цепи тензомоста. Ну, если датчик очень сильно деформирован, тогда да, по сопротивлению будет понятно исправен датчик или нет. Но зачастую так бывает, что сопротивления тензомоста в норме и близки к паспортным значениям, а весы с таким датчиком не работают. Тогда на помощь приходит вторая методика -- замер начального разбаланса. 
 
Как я уже рассказывал выше, тензорезисторный мост сбалансирован, когда по его ветвям протекает одинаковый ток, в таком случае в точках сигнальной диагонали напряжение будет нулевым. Как только датчик подвергается нагрузке, мост получает разбаланс, сопротивление ветвей начинает отличаться, ток по ветвям потечет разный, и в точках измерительной диагонали появляется напряжение. 
 
Это напряжение тем больше, чем больше нагрузку получает датчик. Если вообще все очень сильно упростить, то весы это вольтметр, который замеряет напряжение на сигнальной диагонали тензомоста и пересчитывает милливольты в единицы массы. 
 
Какая допустимая величина начального разбаланса тензомоста? Как определить порог, после которого величина выходного сигнала тензодатчика считается завышенной, а датчик неисправным.  
 
Нулевой выходной сигнал -- это идеальный уровень сигнала ненагруженного исправного тензодатчика (0 милливольт).  
 
Уровень выходного сигнала ненагруженного тензодатчика, замерив который можно смело отбраковать датчик рассчитывается так: 
 
Берется напряжение питание тензодатчика, к примеру 5 вольт 
 
Перемножается на коэффициент чувствительности тензодатчика (РКП), для настольных весов это чаще всего 1.2 милливольта/вольт. 
 
Получаем 6 милливольт -- это тот сигнал, который будет выдавать тензодатчик при полной нагрузке (полный сигнал). 
 
Начальный разбаланс моста тензодатчика не должен превышать 10% от полного сигнала. Т.е. в нашем случае 0.6 милливольта. 
 
По результатам измерений параметров дву датчиков выявляем неисправный.
 
Неисправный тнзодатчик хоть и имеет завышенный почти в четыре раза начальный сигнал, но тем не менее продолжает реагировать на нагрузку. Несмотря на это, в весах его использовать уже нельзя. Но почему так делается, ведь датчик реагирует на нагрузку и при большей деформации? Почему весы уже не могут работать с таким тензодатчиком, ведь мультиметр замеряет сигнал и мы можем его видеть?  
 
Дело в том, что производитель должен гарантировать линейность показаний тензодатчика, стабильность показаний тензодатчика, и верность показаний. Если в промышленности допускать применение тензодатчиков, с начальной деформацией более 10%, то цена ошибки может быть высокой. А предсказать, как себя поведет такой деформированный датчик и что он наизмеряет никто не сможет. 

 

Оставить отзыв
Ещё никто не оставил отзывов к записи.
Оставить отзыв

Powered by module Blog | News | Reviews | Gallery ver.: 4.34.5 (Commercial) (opencartadmin.com)

 
Copyright © 2013-2020 svc-zip.ru