Тензометрический датчик (тензодатчик) – датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический).
Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента. Применяются следующие виды датчиков: из фольги; пленочные и из проволоки.
Датчик из фольги применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах. Фольговые тензорезисторы обладают несомненными преимуществами по сравнению с проволочными и фактически вытеснили последние из обращения. Наличие широких перемычек делает фольговые тензорезисторы практически нечувствительными к поперечной деформации детали.
Преимущества:
- более чувствительны, чем проволочные;
- могут пропускать больший ток;
- лучше передают деформацию;
- нечувствительными к поперечной деформации;
- имеют более прочные выводы.
Недостатки:
- датчики легко повреждается.
Пленочные датчики изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Помимо полупроводниковых материалов применяются и искусственные составы («тензолиты»):
1. Графит + тонкий кварцевый песок и смола.
2. Графит + мел + шеллак (или канифоль).
3. Уголь (или сажа) + бакелитовый лак.
Датчики изготавливаются обычно или в виде полосок (длиной l = 40–60 мм, шириной b = 4–6 мм, толщиной h = 1–30 мм), или в виде нитей (d = 1–2 мм), или в виде слоя на изолирующей подкладке. Датчики из тензолитов обладают большей чувствительностью (до S = 300), но часто имеют нестабильные характеристики, малую механическую прочность и большой гистерезис.
Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.
Преимущества:
- чувствительность приблизительно в 100 раз выше проволочных;
- возможность использование датчиков без усилителей
Недостатки:
- хрупкость;
- большая зависимость от окружающей температуры;
- значительный разброс параметров.
Проволочный тензодатчик может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки.
Проволочный датчик–тензометр представляет собой ряд петель (от 2 до 40) длиной 5–25 мм, реже до 100 мм, шириной 0,8–10 мм, из проволоки с d=0,002 – 0,05 мм, который наклеивается на бумажную подкладку, а сверху заклеивается защитной бумажной полоской. Проволочный датчик–тензометр наклеивается на тщательно защищенную часть конструкции при помощи клея (целлюлозного, бакелитового, карбинольного, резинового, воскового) или какого–либо цементирующего состава. Проволочные датчики обладают малой инерционностью и не имеют гистерезиса. Включение датчиков обычно производится по схеме моста или потенциометра.
Низкая чувствительность тензорезистора привела к необходимости увеличения длины проволоки на небольшом участке измерения. Для этого его делают в виде спирали (решетки) из проволоки, оклеенной с обеих сторон пластинками изоляции из пленки лака или бумаги. Для подключения к электрической цепи устройство снабжено двумя медными выводными проводниками. Они привариваются или припаиваются к концам проволочной спирали и достаточно прочны, чтобы подключиться к электрической схеме. Тензорезистор крепится на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея.
Достоинства:
- простота конструкции;
- линейная зависимость от деформации;
- небольшие размеры;
- малая цена.
Недостатки:
- низкая чувствительность;
- влияние температуры среды;
- потребность в защите от влаги;
- применение только в области упругих деформаций.
Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:
- Тактильные.
- Резистивные.
- Пьезорезонансные.
- Пьезоэлектрические.
- Магнитные.
- Емкостные.
Тактильные тензодатчики
Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из–за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.
Пример тактильного датчика представлен на рисунке 2.50. Конструктивно состоит из двух пластин 1 и 2, между которыми находится прокладка 3 с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.
Резистивный тензодатчик
Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Датчик представлен на рисунке 2.51 и состоит из подложки 1, на которой крепится чувствительный элемент 2 в виде фольги, плёнки или проволоки. Через контакты 3 резистивный тензодатчик подключается в плечо мостовой схемы. Вся конструкция покрывается защитной пленкой. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.
Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.
Пьезорезонансный тензодатчик
В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.
Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке 2.52 изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.
Пьезоэлектрические датчики
Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.
Суть эффекта состоит в действии силы на материал, при этом возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик, представленный на рисунке 2.53, состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала. Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.
Магнитные тензометрические датчики
Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.
Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. Магнитные тензодатчик состоит из катушки индуктивности, расположенной на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности. Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.
Температурные погрешности при этом доходят до 1 % на 1 ºС. Поэтому часто для компенсации температурных влияний два одинаковых датчика, находящихся в одинаковых температурных условиях, включают в смежные плечи мостовой схемы. Питание мостовых схем с подобными датчиками осуществляют от источника переменного тока повышенной частоты (f = 5 000 –50 000 Гц).
Величина относительного изменения магнитной проницаемости является функцией следующих параметров:
а значение чувствительности датчика по отношению к механическим напряжениям рх
где Н – величина напряженности намагничивающего поля; 
– изменение температуры датчика.
Максимальная чувствительность датчика 
будет иметь место при 
которая соответствует 
В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от величины механических напряжений
В качестве материала для датчика можно рекомендовать также сплав 65% Nі и 35% Fе. Часто датчики-тензометры предварительно тренируют путем многократных деформаций.
Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.
Емкостные датчики
Для ряда материалов существует зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений 
Эта зависимость может быть использована для построения
емкостных датчиков, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления определяется как 
Чувствительность датчика будет равна:
Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. Составляя столб из ряда (n) датчиков так, чтобы на них воздействовала одна и та же сила Рх, соединяя обкладки параллельно, можно получить достаточно большое значение емкости датчика 
и увеличить значение
проводимости датчика 
Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.
Литература
Элементы и функциональные устройства судовой автоматики - Авдеев Б.А. [2018]
