Тензодатчики: преобразование механического напряжения в точные электрические сигналы

Что такое тензодатчик?

Пассивный преобразователь (трансдусер), например тензодатчик, превращает механическое смещение в изменение сопротивления. Тонкое пластинчатое устройство измеряет приложенное деформацию и крепится к различным материалам подходящим клеем. При нагрузке конструкция деформируется, деформируя приклеенный тензодатчик. Увеличивается удельное сопротивление → электрический сигнал, пропорциональный деформации. Датчик смещения с тензодатчиком: конструкция, эластично деформирующаяся под нагрузкой, с прикрепленным тензодатчиком.

Статья: определение, применение, требования, части, схема, типы, принцип работы, преимущества и недостатки тензодатчика.

Суть тензодатчика

Тензодатчик (strain gauge) — прибор для измерения деформации объекта. Наиболее распространенный тип (изобретен Эдвардом Симмонсом и Артуром Руге в 1938 г.): изолирующая гибкая подложка с металлической фольговым узором. Клей (цианакрилат) фиксирует датчик на объекте. При деформации объекта фольга деформируется, меняя электрическое сопротивление. Коэффициент тензодатчика (gauge factor) связывает изменение сопротивления с деформацией, измеряется через мост Уитстона.

Инженеры используют тензодатчики для оценки влияния внешних сил на объект. Прямое измерение деформации позволяет определить напряжение, крутящий момент, давление, дефлексию и другие параметры.

Деформация — безразмерная величина: отношение изменения длины к исходной. Растяжение → положительная деформация, сжатие → отрицательная. Напряжение = сила / исходная площадь поперечного сечения (или внутренняя устойчивость объекта).

Применение

Тензодатчики — в гражданском строительстве и геотехническом мониторинге для выявления дефектов мостов, зданий, сооружений. Любая значительная деформация грозит жертвами — требуется постоянный мониторинг. Популярны за высокую точность, работу на больших расстояниях от объекта, простоту монтажа и обслуживания длительное время.

Полевые испытания отличаются от лабораторных. Ценность тензодатчиков — работа в суровых условиях с надежными высокоточными данными. Специализированные датчики нужны при тестировании изделий сложной формы в труднодоступных местах. Пример: миллионы тензодатчиков в авиакосмической отрасли для верификации CAD (Компьютерное проектирование) и КЭМ (FEA) симуляций. Тесты часто в динамике — реалистичная картина воздействия сил на самолет.

Статические испытания тоже с тензодатчиками. Некоторые мосты — беспроводная телеметрия (Ethernet). Другие — визуальный контроль или проникающий контроль дефектов поверхности. Эти методы дешевле, но не дают непрерывного мониторинга → риск катастроф как обрушение моста I-35 Minneapolis (стальной фермовой) в 2007 г., 13 погибших. Мост с 1990 г. признан «конструктивно неполноценным» — требовались ежегодные осмотры. Нехватка постоянного тензомониторинга, капитального ремонта или замены привела к трагедии.

Основные применения тензодатчиков:

• Измерение деформации
• Измерение остаточных напряжений
• Вибратный анализ
• Измерение крутящего момента
• Измерение изгиба и дефлексии
• Измерение сжатия и растяжения

Требования к материалу тензодатчика

Хороший тензодатчик должен:

• Быть компактным и легким
• Иметь высокую чувствительность к деформации
• Обладать высоким коэффициентом тензодатчика
• Легко монтироваться на образец
• Иметь быстрое время отклика и малый запаздывание
• Различать статические, переходные и динамические деформации
• Передавать и фиксировать данные с расстояния
• Не зависеть от температуры, влажности, вибраций и др. факторов среды
• Быть доступным, надежным, выпускаться в разных размерах

Типы тензодатчиков

На рынке множество типов. Основные:

• Линейные тензодатчики
• Мембранные розетки (Membrane Rosette)
• Двойные линейные
• Полно мостовые (Full bridge)
• Сдвиговые (Shear)
• Полумостовые (Half-bridge)
• Колонные (Column)
• Розетки 45° (3 измеряющих направления)
• Розетки 90° (2 измеряющих направления)

Другие типы тензодатчиков

Полупроводниковые (пиезорезистивные) — предпочтительны для малых деформаций. Коэффициент выше, чем у фольговых. Дороже, температурночувствительнее, хрупче.

Нанопartikelные — перспективное направление. Высокое сопротивление → высокий коэффициент, большой диапазон деформаций, низкое энергопотребление. Активная зона: сборка проводящих наночастиц (золото, углерод).

Ртутные в резине — биомедицина: кровоток, отек тканей. Малое количество ртути в резиновой трубке на палец/ногу. Отек → трубка удлиняется и тоннеет → сопротивление растет.

Волоконно-оптические — измерение деформации вдоль оптоволокна. В произвольных или заданных точках. Встроенные датчики на America's Cup 2010: Alinghi 5 и USA-17.

Оптические методы — спекель-интерферометрия, цифровая корреляция изображений.

МИКРО-тензодатчики (MEMS) — мониторинг напряжений от силы, ускорения, давления, звука. MEMS-акселерометры → подушки безопасности авто. Альтернатива: интегрированные оптические кольцевые резонаторы в MOEMS.

Емкостные тензодатчики — переменный конденсатор для детекции механической деформации.

Вибрационные проводники — геотехника, гражданское строительство. Натяженная вибрирующая нить. Деформация → резонансная частота (напряжение ↑ → частота ↑).

Кварцевые тензодатчики — геотехника. Ключевой датчик DART — датчик давления с резонансным кварцевым тензодатчиком и баллонной трубкой. DART детектирует цунами на максимальных глубинах. Разрешение давления ~1 мм вод. ст. на глубине километров.

Принцип работы

Работа тензодатчика интересна, проста и понятна. (Видео в оригинале отсутствует).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Нет движущихся частей → нет износа
• Экстремально высокая точность
• Компактные и дешевые
• Широкий частотный диапазон

Недостатки:

• Нелинейная система
• Высокая температурная чувствительность
• Требует регулярной калибровки
• Ручной монтаж — трудоемко и дорого. Один из главных минусов

Заключение

Тензодатчик — пассивный преобразователь, превращающий механическое смещение в изменение сопротивления. Тонкое пластинчатое устройство для измерения деформации, клеится на материалы. При нагрузке конструкция деформируется, деформируя датчик. Рассмотрены: определение, применение, требования, части, схема, типы, работа, преимущества и недостатки.

Надеемся, материал полезен — делитесь с коллегами и студентами!