Расчет выходного сигнала тензодатчика

На уровень выходного сигнала датчика, установленного в конструкцию влияет множество факторов. Для получения надежной оценки уровня выходного сигнала необходимо выполнить простые вычисления на базе изменения максимальной нагрузки внутри конструкции и в области поперечного сечения элемента или балки, в которой установлен тензодатчик.

Минимальный выходной сигнал.

Необходимо убедиться, что датчик воспринимает достаточные нагрузки во всем рабочем диапазоне для обеспечения достаточного и применимого уровня сигнала. Практическое правило: тензодатчик должен подвергаться изменениям нагрузки на единицу площади поперечного сечения не менее 15Н/мм2 для стали (5Н/мм2 для алюминия).

Максимальный выходной сигнал.

Как правило, несущие конструкции действующих объектов в нормальных рабочих условиях не могут подвергнуть встраиваемый датчик чрезмерным нагрузкам, которые приведут к его повреждению. При встраивании датчика в металлические элементы конструкции необходимо, чтобы изменение нагрузки на единицу площади поперечного сечения не превышало 75Н/мм2 для стали (25Н/мм2 для алюминия).

Оценка выходного сигнала.

Сжатие/Растяжение.

Сдвиг.

Тензометрические датчики подразделяются:

• -по типам (балочные, S-образные, таблеточные, сдвоенная балка и т. п.);
• -по максимальной нагрузке (от нескольких грамм до десятков и сотен тонн);
• -по чувствительности (1.2.3 mV выходного сигнала на 1 V питающего напряжения);
• -по классу точности (количество поверочных интервалов) и т. д.

Основные характеристики тензодатчиков.

Наибольший предел измерения (НПИ). НПИэто максимальное усилие которое может воспринимать тензодатчик. Фактически датчик имеет дополнительный запас прочности, но при выборе тензодатчика номинальная нагрузка на него не должна превышать НПИ. Для особо ответственных конструкций рекомендуется выбирать НПИ тензодатчика с дополнительным запасом.

Конструкция тензодатчика. Наиболее распространенные конструкции тензодатчиков: балочный, мостовой, сильфонный, одноточечный (single point), колонный, шайбовый, S — образный. Выбор типа конструкции обуславливается назначением весовой системой, в которой применяется тензометрический датчик и конструктивными особенностями места его установки.

Схема подключения тензодатчика. Самая распространенная это так называемая «четырехжильная» схема подключения, такая схема используется в обычных случаях. В случаях, когда имеется существенная разница сопротивлений кабелей смежных тензодатчиков, используется «шестижильная» схема подключения, такая схема позволяет компенсировать электрическое сопротивление кабелей тензодатчиков.

Класс точности тензодатчика. В соответствии с OIML R 60 классы точности датчиков распространяются в очень широком диапазоне, но в реальности классы точности тензодатчиков соответствуют от D1 до С6. Наибольшее применение нашел класс точности C3, что примерно соответствует комбинированной погрешности 0.02%. Использование более точных датчиков требует обоснования. Также влияет на точность весовой терминал.

Материал тензодатчика. Чаще всего датчики изготавливаются из легированной стали, нержавеющей стали и алюминия. Обычно одноточечные (single point) датчики производятся из алюминия, а остальные из легированной стали. Нержавеющая сталь более дорогая и предлагается как опция, чаще применяется в пищевых производствах.

Другие характеристики тензодатчиков. Также при выборе тензодатчика следует обратить внимание на: рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи (РКП), рекомендуемое и максимальное напряжение питания, класс защиты, входное и выходное сопротивление, длину и диаметр кабеля.

Чувствительный элемент тензодатчика.

Принцип измерения деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при деформации изменяется их активное сопротивление. Конструктивно тензорезистop представляет собой элемент из тензочувствительного материала на подложке, закрепляемой с помощью связующего (клея, цемента и т. п.). При этом деформация исследуемой конструкции, переданная материалом связующего подложки на чувствительный элемент, приводит к изменению его сопротивления, функционально зависимого от деформации вдоль главной оси тензорезистора. Однако использование в качестве связующей основы с металлом полимерного материала, обладающего не только упругими, но и высокими эластичными и пластическими свойствами, приводит к зависимости констант упругости связующей основы от времени — релаксационным явлениям. При этом соответственно изменяются во времени возникающие при передаче деформации сдвиговые напряжения и их распределение по длине чувствительного элемента. Следовательно, при этом меняется коэффициент передачи деформации и выходной сигнал датчика. Причем, изменения во времени вносят заметный вклад в погрешность измерения, что затрудняет создание датчиков высокой точности. Релаксационные процессы в связующем полимерном слое определяют такие характеристики, как ползучесть и механический гистерезис, которые искажают измеряемые значения чувствительности, приводят к нелинейности статической характеристики преобразования. А при длительной деформации в полимерном материале протекают процессы перемещения внутри молекул, комплексных групп и т. д., а также перемещения самих молекул, частиц и целых комплексов, которые приводят к необратимым пластическим течениям материала и связанной с этим длительной ползучести. Из теории полимеров известно, что гистерезисные явления в них определяются различными причинами, важнейшими из которых являются релаксационные процессы, связанные с временными процессами вязкоупругости и текучести. И такой вид гистерезиса проявляется при любом цикле нагрузкиразгрузки. Кроме этих явлений гистерезис в полимерных связующих может определяться также механическими процессами, связанными о разрушением молекул и молекулярных связей, а также тепловыми эффектами при деформации. Все это в совокупности ограничивает чувствительность и точность тензодатчиков, у которых тензорезисторы прикреплены к упругому элементу с помощью полимерных материалов.

Чтобы определить степень влияния, которое оказывает приклеивание тензорезистора на точность метода оценки напряжений и деформаций, проведем следующий расчет. Пусть в результате силового воздействия в образце упругого элемента толщиной? ду появилось нескомпенсированное напряжение, которое вызывает изгибающий момент ДМ. Тогда в соответствии с теорией упругости изгибающее напряжение Ду на поверхности упругого элемента равно:

здесь J — момент инерции поперечного сечения образца, который определим из выражения:

Относительная деформация Де на поверхности, соответствующая Ду, будет равна:

При присоединении к упругому элементу с помощью клея толщиной дк тензорезистора толщиной дT общая толщина в месте приклейки составит дy + дк + дT. Деформация элемента Де1 в этом случае составит:

Здесь J1 — момент инерции для сечения сложного профиля — находится по известным соотношениям теории сопротивления материалов:

Совершенно очевидно, что относительная ошибка, обусловленная приклеиванием тензорезистора о, имеет систематический характер и определяется как.

Для различных размеров упругих элементов, толщины слоя клея и толщины тензорезисторов ошибка, рассчитанная по формулам для о, J и J1, колеблется от 4% до 10%.

Целью нашей работы является выбор тензодатчика, обладающего более высокой чувствительностью и точностью измерений.

Выбор датчиков для автомобильных весов должен быть обоснован техническими требованиям к точности взвешивания на автомобильных весах. Поэтому наиболее подходящий датчик для автомобильных весов с вышеизложенными техническими характеристиками — тензодатчик LPA.

Чертеж тензодатчика.

Характеристика тензодатчика LPA.

Встройка датчика в автомобильные весы.

Узел встройки (тип В).

Важные моменты при установке.

• 1. Датчик должен быть изолирован от воздействия моментов изгиба и кручения конструкции, если они не являются объектами измерений.
• 2. Датчик должен быть расположен кА можно ближе к нейтральной оси силы или сил, которые не являются объектом измерений.
• 3. Для дополнительной защиты места установки датчика от коррозий используется грунт, краска или другие антикоррозионные вещества.

Выбор промежуточных преобразователей.

Измерительной установкой называется совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность.

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для восприятия наблюдателем.

Измерительная установка автомобильных весов.

Выбор весового индикатора.

Под весовым индикатором понимают весоизмерительные устройства, предназначенные для измерения электрического аналогового сигнала весоизмерительных тензодатчиков и применяющиеся как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и весоизмерительных (силоизмерительных) устройствах.