Тензометрические датчики в системах автоматизации
Ни одна замкнутая автоматическая система управления не мыслима без датчиков, на показаниях которых формируется обратная связь.
Датчики… Такие разные по конструкции и принципу своего действия. Цифровые и аналоговые датчики давления, датчики температуры, скорости вращения, усилия, датчики тока, напряжения, перемещения… И это еще далеко не весь список всевозможных датчиков, применяемых в самых различных системах управления.
Но датчик – это всего лишь устройство, изменяющее свой сигнал пропорционально измеряемому параметру. А поскольку самый удобный для передачи и преобразования сигнал – это электрический ток, то принцип работы большинства датчиков основан на изменении собственного электрического сопротивления под воздействием внешнего фактора. Поэтому широкое распространение получили датчики со встроенными тензометрическими элементами.
Что же такое тензометрический элемент? Это, чаще всего, защищенная пленка из металлического сплава (фольга), электрическое сопротивление которого прямо пропорционально возникающей деформации. Применяемый сплав – это обычно смесь никеля и меди в определенной пропорции.
Именно сочетание этих металлов обеспечивает наиболее сильную зависимость сопротивления от внешних механических воздействий. Получается, все достаточно просто: включили в цепь тензометрический элемент-резистор, приложили к нему постоянное небольшое напряжение (несколько вольт), а по величине тока судим о деформациях, то есть об усилии, воздействующем на датчик.
Но на практике есть еще одна проблема. Заключается она в том, что даже для сплава меди и никеля изменение сопротивления под воздействием деформации очень малозначительны. Поэтому необходимо бывает применение усилителей или аналого-цифровых преобразователей.
Поскольку производить измерения проще от нулевой точки, то в составе тензометрических датчиков часто применяется схема, получившая название «мост Уитстона». Мост Уитстона – это четырехполюсник, включающий в свою схему резисторы R1, R2, R3 и R4. Резисторы располагаются в плечах моста, то есть, в его независимых ветвях.
Очень важным является то, что при равенстве всех четырех сопротивлений моста Уитстона напряжение на его выходе будет равно нулю вне зависимости от напряжения на входе. А если сопротивление хотя бы в одном плече изменится, то на выходе моста моментально появится напряжение, которое легко отследить и которое прямо пропорционально изменению сопротивления резистора.
Вот эту зависимость выходного напряжения моста Уитстона от изменения сопротивлений в его плечах и используют в тензометрических датчиках. То есть, разместив в одном или нескольких плечах моста тензометрические резисторы, мы имеем возможность отслеживать сложные деформации, возникающие в датчике.
Конструктивно датчик представляет собой упругий элемент, содержащий тензорезисторы. Обыкновенные резисторы, входящие в состав моста, могут быть размещены в АЦП или выполнены в отдельном блоке.
Просто удивительно, насколько разнообразные измерения можно проводить с помощью подобных тензометрических датчиков. Тензорезисторы позволяют контролировать усилие, вес, давление, перемещение, деформацию саму по себе, вибрацию… Безусловно, тензометрические датчики – одно из самых полезных изобретений в сфере автоматизации.
Смотрита также: Карьера в автоматизации: перспективы и возможности для успешной профессиональной деятельности
Александр Молоков
