Tenzometrické snímače: Princip funkce a aplikace

Tenzometrický snímač síly, známý také jako tenzometr, je klíčovým prvkem v oblasti elektrického měření mechanických veličin. Jeho základní princip spočívá ve změně elektrického odporu v závislosti na působící síle, což umožňuje převádět sílu, tlak, pnutí, hmotnost a další podobné veličiny na měřitelný elektrický signál.

Jak název napovídá, tenzometry se primárně používají k měření pnutí. V technickém kontextu pnutí zahrnuje jak tah, tak i přítlak (stlačení), což se obvykle rozlišuje pozitivním a negativním znaménkem. Deformační napětí může být vyvoláno různými faktory, včetně sil, tlaků, momentů, teplotních změn nebo strukturálních změn v materiálu. Za splnění určitých podmínek lze z hodnoty měřeného deformačního napětí odvodit celkový souhrn nebo hodnotu působících sil.

Experimentální silová analýza využívá měřené deformační síly na povrchu zkušebního vzorku nebo na části konstrukce. Cílem je stanovit deformační sílu v materiálu a předurčit bezpečnost a dobu trvání konstrukce. Existují speciální převodníky, které lze vyvinout pro měření sil nebo dalších odvozených veličin, jako jsou momenty, tlaky, zrychlení, posunutí nebo vibrace.

Historie a typy tenzometrů

První nalepovací drátový tenzometr byl vyvinut v roce 1938. Princip jeho funkce spočívá v tom, že když působí síla na povrch, dochází ke změně délky povrchu, a tím i k odpovídající změně délky nalepeného drátového odporu. Odpovídající elektrický odpor tohoto foliového odporu se lineárně mění s deformační silou.

Při výběru tenzometru je důležité zohlednit nejen jeho citlivost na pnutí, ale také jeho stabilitu a teplotní citlivost. Bohužel, většina vhodných materiálů pro tenzometrické snímače je zároveň citlivá na teplotní změny a má tendenci měnit odpor s časem.

Moderní tenzometry se často vyrábějí jako nalepovací fóliové tenzometry. Tyto tenzometry se skládají z tenkých vodivých pásků, které jsou nalepeny na pružném nosiči. Když se nosič deformuje, mění se i rozměry vodivých pásků, což vede ke změně jejich elektrického odporu. Tento princip se uplatňuje například u tenzometrických snímačů síly, kde jsou fóliové tenzometry nalepeny na pružná tělesa tvaru jednoduchého nosníku, písmene S (pro kombinované měření tahu a tlaku) nebo knoflíku (pro měření tlakové síly v ose).

Kromě kovových (drátových a fóliových) tenzometrů existují i polovodičové tenzometry. Ty využívají piezorezistivní efekt, kdy se měrný elektrický odpor polovodiče mění v závislosti na působeném mechanickém napětí. Polovodičové tenzometry nabízejí vyšší citlivost než kovové, ale jejich vlastnosti jsou více závislé na výrobním procesu a okolních podmínkách.

Měřicí obvody a zapojení

Aby bylo možné měřit napětí - pnutí (deformační sílu) s nalepenými tenzometry, musí být připojeny k elektronickému obvodu, který je schopen odpovídající změny odporu měřit. Počet aktivních tenzometrů připojených do můstku závisí na konkrétní aplikaci.

Často se používá zapojení do Wheatstonova můstku. Tenzometry jsou typicky zapojeny po čtyřech do každé větve můstku. Tato konfigurace umožňuje efektivně převést relativně malou změnu odporu tenzometru na použitelný elektrický signál. Ke snímači vedou obvykle čtyři vodiče: dva napájecí a dva signálové. Některé snímače mohou mít další pár vodičů označený jako "Sense", který slouží k přesnější kompenzaci poklesu napájecího napětí na delších přívodních kabelech.

Napájecí napětí tenzometrických snímačů se pohybuje obvykle v rozsahu 5-15 V ss. Signál ze snímače je pak v řádu milivoltů (mV), často vyjádřený jako mV/V. To znamená, že při určitém napájecím napětí bude výstupní signál při plném zatížení úměrný této hodnotě v milivoltech.

Teplotní kompenzace

Jedním z klíčových problémů při měření tenzometry je jejich citlivost na teplotu. Při instalacích, kde jsou do všech větví můstku zapojeny tenzometry, může být teplotní kompenzace automatická. Změny odporu tenzometrů s teplotou jsou ve všech větvích můstku stejné a vzájemně se vyruší.

Při výběru tenzometrických snímačů je vhodné zvážit i jejich robustnost a odolnost vůči vnějším vlivům. Ne zcela ojedinělým problémem, se kterým se lze setkat, je vniknutí vody do snímače, což může být způsobeno nevhodnou volbou krytí (např. IP krytí). Moderní tenzometrické snímače tlaku často disponují krytím IP65 až IP68, což zaručuje vysokou úroveň ochrany proti prachu, vlhkosti a vodě.

Aplikace tenzometrických snímačů

Tenzometrické snímače nacházejí široké uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích a oblastech.

Snímače síly a zatížení

Tenzometrické snímače síly jsou základem mnoha vážních systémů. Jejich úkolem je převod mechanické síly na elektronické zobrazení. Měřicí rozsahy se pohybují od několika Newtonů (N) až po stovky kiloNewtonů (kN). Tyto snímače se používají při vážení těžkých nákladů, kontrole mechanického napětí ve strukturálních komponentech a v průmyslových procesech vyžadujících přesné měření sil.

Příklady zahrnují:

• Snímače síly s pružným tělesem ve tvaru jednoduchého nosníku, písmene S nebo knoflíku.
• Kompaktní tenzometrické snímače síly určené pro plošinové váhy.
• Snímače s pružným tělesem tvaru dvojitého nosníku, často používané v závěsných a jeřábových vahách.

Snímače tlaku

Tenzometrické snímače tlaku jsou často vyrobeny z nerezové oceli a jsou nezbytné pro měření tlaku v nádržích, potrubí a dalších systémech. Díky své robustnosti a přesnosti hrají klíčovou roli v bezpečnostních protokolech a procesech řízení kvality v chemickém průmyslu, stavebnictví a zpracovatelském průmyslu.

Snímače hmotnosti

Tenzometrický snímač hmotnosti (síly) převádí mechanickou veličinu - hmotnost - na elektrický signál. Jsou klíčovou součástí všech vážních systémů, od malých kuchyňských vah až po velké průmyslové váhy.

Snímače krouticích momentů

Pro zjišťování hodnot krouticích momentů lze využít různé fyzikální principy, včetně tenzometrických snímačů (DMS). Tyto snímače se hodí pro různá použití v oblasti šroubovací techniky. Hlavní výhodou DMS-snímačů je jejich cenově výhodná výroba.

Specifické vlastnosti a problémy

Při výrobě tenzometrických snímačů jsou deklarovány hodnoty výstupního signálu při nulovém zatížení. Tyto signály se uvádějí jako procenta ze signálu, které snímač produkuje při nominální kapacitě. U nových snímačů by tato hodnota měla být nižší než 1 %. Pokud hodnota přesáhne 10 % (ale je nižší než 20 %), může to signalizovat trvalé poškození snímače, které sice ještě umožňuje měření, ale snižuje jeho přesnost.

Dalším potenciálním problémem je znečištění tenzometru, například difuzí jiného materiálu. Znečištění může ovlivnit chování nosičů náboje a tím i měrný odpor materiálu tenzometru, což vede k nežádoucí změně odporu. Proto je důležitá i ochrana snímače před vnějšími vlivy a jeho pravidelná údržba.

Vzhledem k tomu, že tenzometry jsou citlivé na deformaci, je důležité správně je nalepit na povrch měřeného objektu pomocí speciálního lepidla. Správná instalace a výběr vhodného typu tenzometru pro danou aplikaci jsou klíčové pro dosažení přesných a spolehlivých výsledků měření.

tags: #tenzometricke #snimare #vut