Огляд силовимірювальних датчиків

Общий принцип силоизмерительных датчиков состоит в том, что измеряемое усилие передается на чувствительный упругий элемент, вызывая его деформацию. По способу измерения деформации упругого элемента силоизмерительные датчики делятся на несколько категорий.

Тензорезисторные силоизмерительные датчики

Среди силоизмерительных датчиков наибольший диапазон измерения имеют тензорезисторные силоизмерительные датчики. Диапазон измерения тензорезисторных силоизмерительных датчиков от 5 Н до 5 МН. Но основным фактором выбора тензорезисторных силоизмерительных датчиков является высокая точность измерения. В зависимости от затрат, уровня техники и производительных возможностей погрешность может быть, меньшей 0,03 % и даже 0,00 % .

Конструктивное исполнение, основные типы
В простейшем виде упругий чувстительный элемент тензорезисторного силоизмерительного датчика представляет собой стержень, нагруженный вдоль оси. Чувствительные элементы этого типа применяют для измерений в диапазоне от 10 кН до 5 МН. При нагружении стержень сжимается, причём в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его периметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включаются в схему моста Уитстона так, что в двух противоположных его плечах оказываются тензорезисторы, решётки которых направлены вдоль оси стержня или перпендикулярно ей.
Кроме тензорезисторов, в схему моста Уитстона входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих от температуры эффектов, таких, например, как нестабильность нуля, изменение модуля упругости и теплового расширения материала чувствительного элемента, изменения чувствительности тензорезистора, а также линеаризации характеристики тензорезисторного силоизмерительного датчика
В целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.

Некоторые характерные особенности
1. Класс точности тензорезисторных силоизмерительных датчиков составляет от 0,00 до 1 % .
2. Тензорезисторные силоизмерительные датчики пригодны как для статических, так и для динамических измерений.
3. Тензорезисторные силоизмерительные датчики всегда работают на базе моста Уитстона с использованием не менее четырёх активных тензорезисторов.
4. Для суммирования отдельных сил тензорезисторные силоизмерительные датчики можно в большом количестве включать параллельно.

Индуктивные силоизмерительные датчики
Индуктивные силоизмерительные датчики имеют другие по сравнению с тензорезисторными силоизмерительные датчики области применения, которые соответствуют конструкции и типичным характеристикам этих динамометров.
В индуктивных силоизмерительных датчиках измеряют изменение расстояния между двумя точками упругого элемента под действием на него силы. Измерительным элементом служит индуктивный датчик перемещения. Для уменьшения несимметричного воздействия силы чувствительный элемент выполняется вращательно-симметричным. Для очень малых сил применимы простые или двойные балки, работающие на изгиб.

Некоторые характерные особенности
1. Индуктивные силоизмерительные датчики характеризуются большим измерительным сигналом. Уже при нагрузке 1% от номинальной можно получить полное показание; при этом измеряемая деформация составляет около 1-2 мкм. Использование этой высокой чувствительности должно быть ограничено при при динамических и кратковременных статических измерениях.
2. Индуктивные силоизмерительные датчики выпускаются в классах точности от 0,2 до 1 %.
3. Они могут быть изготовлены с расчётом на номинальные силы (растяжения или сжатия) до 10 мН и ниже; верхний предел  от 200 кН до 1 МН.
4. Их чувствительность к поперечным силам невелика.
5. Их температурная погрешность больше, чем у тензорезисторных силоизмерительных датчиков; в зависимости от типа допустимо их применение до 200 С.
6. Индуктивные силоизмерительные датчики сравнительно недороги.
7. Индуктивные динамометры должны работать с усилителем несущей частоты (обычно несущая частота  от 4 до 10 кГц).

1.3 Магнитоупругие силоизмерительные датчики
Ферромагнитные материалы, особенно железоникелевые сплавы, изменяют свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на них силы растяжения или сжатия. Этот магнитоупругий эффект используют для измерения сил.
Конструктивное исполнение и основные типы
Магнитоупругий силоизмерительные датчики может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала. Изменение индуктивности, возникающее при нагружении, может быть измерено с помощью известных электрических схем

Некоторые характерные особенности
1. Магнитоупругие силоизмерительные датчики предназначены преимущественно для грубых квазистатических промышленных измерений.
2. Вследствие не очень большой удельной нагрузки деформация чувствительного элемента меньше 0,1 мм.
3. Измерительные элементы силоизмерительных датчиков могут быть в любом количестве наложены один на другой или расположены рядом. Они могут быть выполнены в виде четырёхугольных измерительных пластин для сил до 50 МН. Равным образом могут быть также изготовлены круглые и кольцевые силоизмерительные датчики. Поэтому эти магнитоупругие силоизмерительные датчики обычно пригодны для применения в тяжёлой промышленности, особенно в прокатных цехах, для измерения больших сил. Особым их преимуществом является малая высота. Класс точности  от 0,5 до 2 % .

1.4 Пьезоэлектрические силоизмерительные датчики
Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения динамических и квазистатических сил; они непригодны для измерения статических сил. Чувствительными элементами в них являются пластинки из пьезокварца. При нагружении на их поверхностях образуется пропорциональный нагрузке электрический заряд.
Конструктивное исполнение
Между двумя стальными кольцами размещены по кольцу кварцевые пластинки; между ними находится электрод для снятия заряда. В зависимости от мощности динамометра чувствительный элемент может быть выполнен в виде одного кварцевого кольца или из некоторого числа кварцевых пластинок, заделанных в изолирующую массу.
Некоторые характерные особенности
1. Пьезоэлектрические силоизмерительные датчики отличаются большой жёсткостью и поэтому при их нагружении деформируются всего на несколько микрометров.
2. Принципиально можно измерять динамические силы до самых высоких частот (выше 100 кГц). Статические величины или их составляющие не могут быть измерены.
3. Высокая чувствительность позволяет исследовать незначительные по величине динамические составляющие нагрузки.
4. Необходимо обеспечить хорошую изоляцию токоведущих от пьезоэлемента к усилителю проводников.
5. Класс точности 1% .