Об одноточечных тензодатчиках

Наиболее популярным типом тензодатчиков является одноточечный тензометрический датчик. Ежегодно производятся сотни тысяч единиц весового и дозирующего оборудования, в котором используется одноточечный тип тензодатчиков. Название данного типа датчика исходит из специфики его установки: один одноточечный датчик устанавливается в весах под центральной частью грузоприемной платформы, таким образом изменение усилия (веса) измеряется в одной точке — в центре платформы.

Преимущества одноточечных тензодатчиков:

• широкий диапазон измеряемых нагрузок, благодаря чему одноточечные тензодатчики веса используются как в устройствах для взвешивания небольшой массы (ювелирные, лабораторные, бытовые кухонные весы), так и для определения веса в пределах тонны, что применимо в торговых весах или промышленных системах взвешивания и дозирования;
• простота конструкции и крепления в весы: одноточечные тензодатчики представляют собой металлический прямоугольник, крепление которого производится при помощи соответствующих болтов. Монтаж одноточечных датчиков не требует дополнительных аксессуаров в виде узлов встройки или проведения трудоемких строительных работ;
• доступная стоимость по сравнению с другими типами тензометрических датчиков;
• экономия средств, так как используется один тензодатчик, а не три либо четыре, когда датчики устанавливаются не по центру, а под каждую опору весов

Рассмотрим конструкцию одноточечного тензодатчика (рисунок 1). Как и в других тензометрических преобразователях основным элементом измерения деформации в этом датчике являются соединенные в мостовую схему тензорезисторы, приклеенные на поверхность упругого элемента. Сам упругий элемент представляет собой металлический брусок прямоугольной формы, в центре которого расположено сквозное фигурное отверстие. В качестве материала для изготовления упругого элемента чаще всего используется алюминиевый сплав, также распространены датчики из конструкционной или нержавеющей стали. Один конец одноточечного датчика закреплен к неподвижной конструкции весов, другой — к грузоприемной платформе.

Рисунок 1.- Одноточечные тензометрические датчики веса

Для точного измерения прилагаемой нагрузки размещение тензорезисторов на поверхности одноточечного датчика производится в местах возникновения максимального напряжение в материале упругого элемента. При цельной конструкции датчиков данного типа измеряемая нагрузка будет равномерно распределяться по всей поверхности металла, что вызовет трудности с определением деформации. Поэтому в упругом элементе одноточечных тензодатчиков предусмотрено сквозное поперечное отверстие, что делает некоторые из зон максимально тонкими и наиболее подходящими для размещения тензорезисторов ( рисунок 2).

Рисунок 2.- Размещение тензорезисторов на одноточечном тензодатчике

При размещении веса на грузоприемную платформу весов к свободному концу одноточечного датчика веса прилагается соответствующая нагрузка, в результате чего происходит деформация упругого элемента

Как было описано выше, при приложении нагрузки к незафиксированной части одноточечного датчика максимальное напряжение металла возникает в четырех основных зонах: две из них, расположенные по диагонали, будут растягиваться, две другие — сжиматься (рисунок 1). Подверженные деформации металлической основы тензорезисторы будут изменять свои параметры в зависимости от места их наклейки: в зонах растяжения упругого элемента тензорезисторы становятся тоньше и длиннее и их электрическое сопротивление увеличится, а в зонах, подверженных сжатию, тензорезисторы станут шире и короче, что приведет к уменьшению значения сопротивления.

Тензорезисторы электрически соединены между собой по схеме моста Уитстона. Без нагрузки механические  напряжения в зонах отсутствуют, электрические сопротивления тензорезисторов примерно равны, т.е.  мост сбалансирован и электрический сигнал имеет значение, близкое к нулю. При  увеличении  нагрузки возникающая  деформация упругого элемента приводит к изменению электрического сопротивления тензорезисторов, соответственно, к разбалансу моста и появлению на его выходе пропорционального деформации электрического сигнала.

Кроме физической деформации тензочувствительного элемента на значение его оммического сопротивления также оказывает влияние температура. Погрешность измерения нагрузки, вызванную влиянием колебаний температуры, возможно частично скомпенсировать. Для этого на поверхности упругого элемента перпендикулярно активным чувствительным элементам дополнительно размещают тензорезисторы для термокомпенсации .

Для подбора требуемого одноточечного тензодатчика, предварительно требуется определится:

1. Из какого материала должен быть тензодатчик: алюминий, нержавеющая или констркуционная сталь.
2. Какая требуется максимальная грузоподъемность с полуторакратным запасом.
3. Какие габаритные размеры грузоприемной площадки.