Тензометрические датчики, обычно называемые тензодатчиками, являются основным элементом практически любого электронного весоизмерительного устройства. Они часто встречаются в системах автоматизации, где необходимо произвести измерение веса, например, веса резервуаров для хранения сырья, смесительных резервуаров или платформ различного назначения. Такие датчики обычно размещаются под опорами резервуара или платформы. В сочетании с соответствующими измерительными устройствами можно реализовать измерение массы, дозирование сырья и многое другое.

Рис. 1 — Пример пленочных тензрезисторов.

Использование соответствующего типа тензометра определяется условиями и требованиями измерения, связанными с материалом, формой конструктивного элемента датчика, типом нагрузок, рабочей температурой и т. д. В настоящее время наиболее широкое применение нашли тезнорезисторы и чаще всего используются в лабораторных и коммерческих измерениях. Они имеют много преимуществ, таких как:

• Высокая чувствительность и высокая точность
• Малый размер, устойчивость к вибрации и ударам
• Возможность работы при высоких температурах и давлениях
• Возможность размещения на изогнутых поверхностях

Рис. 2 — Тензодатчик с видимыми наклеенными пленочными тензодатчиками (синий контур).

Принцип работы тензорезистора основан на физическом свойстве металлической проволоки, заключающемся в изменении ее электрического сопротивления с изменением длины. Резистивная проволока (или пленка) наклеивается специальным клеем на деформирующийся под воздействием сил или моментов участок. Таким образом, деформации подвергается как сам корпус тензометрического датчика, так и наклеенный на него резистивный элемент.

Изменение сопротивления используемой проволоки или пленки происходит в результате ее деформации в соответствии с формулой:

ΔR / R = k ⋅ ε

где:ε — относительная деформация, k — коэффициент деформации тензодатчика (постоянная), R-сопротивление резистивного элемента. Из этого следует, что относительная деформация прямо пропорциональна относительному приращению сопротивления

ΔR / R

а значение константы k зависит, прежде всего, от материала, из которого изготовлен провод сопротивления. На постоянную величину влияет также способ укладки подпорной проволоки, тип клея, материал датчика и т. д. Это значение обычно определяется экспериментально. Константа k является одним из двух наиболее важных параметров, описывающих тензодатчик. Второй параметр-максимальная сила, с которой мы можем воздействовать на данный датчик.

Тензометры в измерительной технике чаще всего работают в системе так называемого моста Уитстона, схема которого показана на рисунке 3. Этот мост состоит из четырех ветвей, образованных из четырех элементов: обычно это тензодатчик с сопротивлением R1, компенсационный тензодатчик с сопротивлением R2 и два резистора R3 и R4. Компенсационный тензометр компенсирует влияние побочных факторов, особенно температуры и влажности.

Рис. 3 — Типичная схема работы тензодатчика.

Используются и другие конструкции, имеющие большее количество тензометров. В зависимости от способа измерения мост питается постоянного или переменного напряжения.

В настоящее время чаще используются измерения постоянного тока из-за более простой конструкции измерительной системы и наличия специализированных интегральных схем. При измерениях постоянного тока тензодатчик питается в точках A и B известным постоянным напряжением UZAS. Затем появляется напряжение, пропорциональное измеряемой силе. Поскольку изменения ΔR очень малы (0,01 – 1Ω), изменения напряжения в ветке также незначительны и находятся в пределах 0,1% UZAS.

Например, при питании датчика напряжением 10В выходное напряжение будет меняться в диапазоне 0-20 мВ, в зависимости от нагрузки моста. Значение изменения напряжения определяется постоянной моста «k», в мВ/В. Это означает, что для моста с постоянной 2 мВ/в при номинальной (максимальной рабочей) нагрузке датчика выходной сигнал равен 2 МВ на каждый 1 В питания моста. Например, для тензодатчика с номинальной силой 200 Н и постоянным напряжением 2 МВ / в с напряжением 10 в измеренное значение силы будет:

F [N] = (измерено[mV] / 2 [mV] ⋅ 10 [V]) ⋅ 200 [N]

При нулевой нагрузке сигнал от датчика должен составлять 0 (±1%) максимального выходного напряжения датчика. Если показания иные, это означает, что датчик неисправен. Повреждение датчика обычно происходит при превышении номинальной нагрузки на указанное в каталоге значение (например, 150% или 200% от номинальной).