Тензометрические датчики силы

Несмотря на значительное разнообразие принципов построения датчиков силы, наибольшее распространение получила тензометрическая технология измерений, основанная на явлении тензоэффекта в материалах, т. е. изменении электрического сопротивления материалов при деформации. На практике подобные датчики представляют собой либо автономные конструкции на упругих элементах, либо встраиваются в упругие элементы существующей конструкции.

Тензодатчик включает первичный преобразователь и несколько вторичных. Первичный элемент преобразует входное воздействие (например, силу F) в электрический параметр (сопротивление R), вторичные элементы преобразуют сопротивление в выходной сигнал (напряжение U, рис. 7.25).

Рис. 7.25. Тензодатчик:

1 – первичный преобразователь; 2 – мост Уитстона; 3 – измерительный усилитель; 4 – источник питания

Сопротивление R проводника зависит от его удельной проводимости r, длины l и площади поперечного сечения S: При деформации проводника наиболее существенно меняется длина, поэтому изменение D R сопротивления проводника оказывается практически пропорциональным изменению D l его длины. Учитывая, что сама деформация D l пропорциональна приложенной силе F, получаем близкую к линейной зависимость D R = D R (F).

В силу малости деформаций тензорезисторы включаются в мостовые схемы. Мост Уитстона позволяет выделить полезный сигнал D R (изменение сопротивления тензорезистора, обусловленное нагрузкой) на фоне большого сопротивления R тензорезистора, преобразовать сигнал в более удобную форму (напряжение U) и скомпенсировать большинство возмущений, прежде всего температурных. Мостовые схемы, как типовые решения, широко используются в датчиках, и не только в датчиках силы и момента. Схема измерительного моста Уитстона изображена на рис. 7.26.

Рис. 7.26. Измерительный мост Уитстона с тензорезисторами

Мост состоит из двух делителей (R ₁, R ₄ и R ₂, R ₃) напряжения U ₀ источника питания. Выходное напряжение моста определяется формулой

Мост сбалансирован, т. е. U ₀ = 0, если R ₄ = R ₃ и R ₂ = R ₁. Сигнал U зависит только от разности сопротивлений R ₄ и R ₃ и/или от разности R ₁ и R ₂ и не зависит от величины самих сопротивлений. Тензорезисторы датчика включают в одно, два или четыре плеча моста. Соответственно, получают четвертьмостовую, полумостовую или полномостовую схему измерений. Наибольшую чувствительность, т. е. наибольшее изменение выходного напряжения U при действии заданной силы, имеет полномостовая схема при установке резисторов в соседних ветвях так, чтобы одни (R ₄, R ₃) работали на растяжение, а другие (R ₁, R ₂) на сжатие.

Сигнал, снимаемый с моста, как правило, нужно усилить, чтобы привести к стандартному уровню в несколько вольт, и при этом не исказить. Задачу усиления выполняет измерительный операционный усилитель, который отличается большим входным сопротивлением, достаточно большим коэффициентом усиления, высокой линейностью характеристики, отсутствием электрических шумов, высокой помехозащищенностью. На выходе усилителя устанавливают компаратор.