Тензодатчик - измерительный преобразователь деформации твёрдого тела, вызываемой механическими напряжениями, в сигнал (обычно электрический), предназначенный для последующей передачи, преобразования и регистрации. Наибольшее распространение получили тензодатчики сопротивления, выполненные на базе тензорезисторов, действие которых основано на их свойстве изменять под влиянием деформации (растяжения или сжатия) своё электрическое сопротивление, что является проявлением тензорезистивного эффекта, а именно изменения удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации.

Конструктивно тензорезисторы представляет собой либо решётку (рис.1), изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе Ni, Mo, Pt), либо пластинку из полупроводника, например, Si.

Тензорезисторы механически жестко соединяют (например, приклеивают, приваривают) с упругим элементом тензодатчика (рис.2), либо крепят непосредственно на исследуемой детали. Упругий элемент воспринимает изменения исследуемого параметра (давления, деформации узла машины, ускорения и т. п.) и преобразует их в деформацию решётки (пластинки), что приводит к изменению сопротивления тензорезистора на величину ∆R (ε) = ± k×R₀×ε, где R₀ – начальное сопротивление, k – коэффициент тензочувствительности (для проволочных тензодатчиков k ≤ 2-2,5, для полупроводниковых k ~ 200).

Тензодатчики сопротивления обычно работают в области упругих деформаций – при ε ≤ 10-3.

Величина ∆R зависит не только от ε, но и от температуры упругого элемента: ∆R (θ) = α×∆θ × R0, где ∆θ – изменение температуры упругого элемента, α – температурный коэффициент относительного изменения сопротивления: для проволочных и фольговых тензорезисторов α = (2-7)×10-3 K-1. Для уменьшения погрешности требуется автоматическое введение поправок на температуру либо термокомпенсация.

 

Используются как измерительный элемент в устройсте весов. До появления тензорезисторов для взвешивания в промышленности применялись в большинстве случаев весы, основанные на механических рычагах. В 1843 году английский физик Чарльз Уитстон изобрел мост для измерения электрического сопротивления проводников. Мост Уитстона стал идеальным прибором для измерения изменений сопротивления, происходящих в тензорезисторах.

Несмотря на то, что первый тензорезистор был изобретен в 40-х годах прошлого века, его производство стало экономически и технически возможно только после того, как развитие электроники это позволило. С тех пор тензорезисторы зарекомендовали себя как неотъемлемые компоненты механических весов и как независимые датчики нагрузки. На сегодняшний день, тензометрические датчики нагрузки доминируют в весоизмерительном оборудовании. Исключением являются некоторые лаборатории, где все ещё используются точные балансирующие весы.

Тензорезисторы могут давать показания с точностью до 0,03-0,25%, они совместимы с любым весоизмерительным оборудованием и их можно использовать в любой отрасли промышленности.

Многие тензорезисторы обладают определённой степенью защиты от пыли и влаги. Для характеристики защиты тензорезистора от воды, пыли и других внешних факторов используется рейтинг IP (Ingress protection rating), так же известный как International Protect или IP.

Наиболее распространён метод «схемной» термокомпенсации с использованием мостовых цепей. На рис.1 показан пример включения в мостовую цепь двух идентичных тензорезисторов, воспринимающих деформацию упругого элемента; при этом ∆R₁(ε) и ∆R₂(ε) имеют разные знаки, тогда как ∆R₁(θ) и ∆R₂(θ) – один и тот же знак. Ток в диагонали моста (выходной сигнал тензодатчика) при условии определяется выражением i_аб = М (R₁ × R₄ - R₂ × R₄), где М – коэффициент пропорциональности, R’₁ и R'₂ – сопротивления тензорезисторов, равные соответственно R₁ + ∆R₁(ε) + ∆R₁(θ) и R₂ – ∆R₂(θ) + ∆R₂(θ). Мостовая цепь с двумя тензорезисторами позволяет повысить чувствительность тензорезистора в 2 раза, а с четырьмя – в 4 раза по сравнению с мостовой цепью с одним тензорезистором и обеспечивает полную термокомпенсацию.

Несмотря на обилие производителей, ассортимент их продукции весьма узок, и ограничивается консольными балками изгиба и сдвига, датчиками сжатия, датчиками типа «платформа» и S-образными датчиками растяжения и сжатия (рис.1).

Помимо данного типового набора тензодатчиков выпускаются также различные датчики для измерения натяжения троса, датчики для измерения нагрузки, приложенной к крюку крана, всевозможные железнодорожные и автомобильные весы. Однако в своем большинстве эти изделия построены на базе все этих же типовых тензодатчиков. Как правило, все эти тензодатчики состоят из цельного металлического упругого элемента, который одновременно является корпусом. В наиболее чувствительном месте такого элемента располагаются тензорезисторы, закрываемые снаружи, как правило, металлическими крышками. В корпусе датчика располагается разъем либо кабельный ввод для подключения к вторичной аппаратуре.

Каждый такой тензодатчик обычно имеет четыре тензорезистора, включенных в мостовую схему. Некоторые производители включают в схему несколько дополнительных тензорезисторов, обеспечивающих температурную стабильность показаний датчика. Выводы с питающей и измерительной диагоналей моста подключаются к вторичной аппаратуре через кабель, длина которого может составлять до нескольких десятков метров. Вторичная аппаратура представляет собой электронные блоки, имеющие дисплей, клавиатуру, входы для подключения нескольких тензодатчиков и интерфейсные разъемы для подключения к ЭВМ. Таким образом, оператор может наблюдать на дисплее численное значение приложенной к каждому тензодатчику нагрузки и передавать эту информацию в ЭВМ. Главным недостатком таких тензодатчиков является пассивный выход. Тензорезисторный мост связан с источником питания и измерительной схемой длинным кабелем, что делает датчик восприимчивым к влиянию всевозможных электромагнитных наводок и помех.