Модели
Ассортимент современной бытовой техники пестрит разнообразными предложениями электронных измерительных приборов. Но самый большой спрос на небольшое количество моделей от разных производителей.
Medisana 40419 TargetScale
Ладонь рук занимают многофункциональные весы Medisana 40419 TargetScale. Купить их может позволить себе не каждый, цена доходит до 15 тысяч рублей. Ими можно управлять с помощью мобильного телефона или другого подобного гаджета на платформе Android или IOS, достаточно их синхронизировать.
Принцип работы электронных весов можно оценить сразу, показания будут перед глазами, а не где-то внизу у ног. Можно будет отображать графики, показывающие динамику веса, жировых отложений, артериального давления, температуры тела и уровня сахара. Комфорт в управлении сочетается с великолепным внешним дизайном. Простыми словами, «не весы, а приключение».
SUPRA BSS-6200GN
На втором месте в рейтинге популярности весы электрические SUPRA BSS-6200GN. Это самый бюджетный вариант, он дает возможность узнать не только массу тела, но и содержание в нем жира и мышц. Пользуется спросом у женщин, ведущих здоровый образ жизни и правильное питание.
Beurer BF-100
Третью позицию занимает модель Beurer BF-100. Погрешность измерения практически исключена. Этот экземпляр имеет восемь электродов, которые считывают и передают данные на компьютер, имеет возможность запоминать информацию более чем об одном пользователе.
Платформа этой модели выполнена в сочетании металла и пластика, оснащена пультом дистанционного управления. Стоят они около восьми тысяч рублей. Они не пользуются большой популярностью, поскольку, по отзывам покупателей, имеют крайне неудачную схему измерения состава тела.
Принцип устройства и работы датчиков давления
Выше мы уже говорили, что тензометрические датчики, которые используются для измерения давления или веса, реагируют на возникающую деформацию, образуя электросигнал.
Электросигнал в свою очередь может быть либо цифровым, либо аналоговым, но в независимости от типа электрического сигнала, они оба возникают когда изменяется форма чувствительного элемента. Из чего же состоят эти элементы?
Кроме чувствительного элемента, в корпусе тензометрического могут располагаться аналого-цифровые преобразователи, формирователи питания и прочие дополнительные элементы.
Более широкое применение нашли тензорезистивные компоненты, давайте попробуем на их примере разобраться в принципе работы тензометрических датчиков.
Тензорезистивные датчики состоят из специальной гибкой пленки или подложки, на которую нанесен резистивный слой.
Такой слой может быть из фольгированного материала, пленки очень маленькой толщины или гибкой проволоки, все они укладываются в виде извилистой линии.
Если на датчик оказывается механическое воздействие, то гибкий слой изгибается, чувствительные элементы растягиваются. При растяжении поперечное сечение пленки становится меньше и следовательно, сопротивление увеличивается.
После прекращения воздействия все возвращается на свои места, гибкий слой принимает первоначальный вид, поперечное сечение проволоки возвращается в исходное положение и сопротивление уменьшается.
По обратному принципу работают пьезоэлектрические датчики. При механическом воздействии на кристалл пьезоэлектрического датчика возникает электродвижущая сила.
Принцип работы пьезорезистивных датчиков схож с принципом работы тензорезисторных датчиков и основывается на изменении сопротивления полупроводников.
Устройство и принцип работы
Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.
Тактильные
Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал.
Механические
Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении.
Резистивные
Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды.
Струнные
Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.
Индуктивные
Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором.
Пьезорезонансные
Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.
Пьезоэлектрические
По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу.
Магнитные
Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях.
Емкостные
Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.
Как используется
Тензометрический прибор вставляется упорами между удаляемым зубом и заранее зафиксированной насечкой в базисе. Вращающаяся баранка раздвигает ножки аппарата, производя некоторое давление на перемещаемый зуб. Значение показателя в килограммах отображается на индикаторе. После этого элемент(ы) приводится в активное состояние.
Гнатодинамометр измеряет давление, производимое им. Медик записывает данные шкалы и нониуса в карте заболевания для дальнейшего контроля.
Показатели на тензометрическом оборудовании в среднем варьируются в пределах 15-35 для передних зубов и 45-75 кг для коренных.
Тензометрирование даёт возможность снизить количество посещений у стоматолога и уменьшить сроки лечения.
Принцип работы тензометрического датчика
Тензометрический датчик — это устройство, использующее принцип работы тензорезисторов для измерения механической деформации. Он состоит из тонких металлических полосок, нанесенных на специальную пластиковую или металлическую основу, такую как фольга или пластинка. Когда на такой датчик действует механическая нагрузка, полоски подвергаются растяжению или сжатию, что вызывает изменение их электрического сопротивления.
Основой работы тензометрического датчика является эффект пьезорезистивности – способность некоторых материалов изменять свое сопротивление при механическом воздействии. Такие материалы обладают пьезорезистивными свойствами, что позволяет использовать их для создания датчиков напряжения или силы.
При деформации полосок тензометрического датчика происходит изменение их геометрических размеров. Это приводит к изменению электрического сопротивления полосок, которое можно измерить и использовать для определения механической нагрузки. При увеличении нагрузки сопротивление датчика увеличивается, а при уменьшении нагрузки – уменьшается.
Чтобы измерить изменение сопротивления тензометрического датчика, нужно подключить его к измерительной системе, которая может измерять сопротивление с высокой точностью. Обычно для этой цели применяют специальные усилители или мостовые схемы, которые позволяют усилить и дифференцировать сигнал датчика для точного измерения механической нагрузки.
Преимущества тензометрических датчиков:
- Высокая чувствительность к механической деформации;
- Широкий диапазон измеряемых нагрузок;
- Высокая точность и стабильность измерений;
- Простота в использовании и внедрении в различные системы.
Тензометрические датчики широко применяются в инженерии, медицине, науке и промышленности. Они используются для контроля напряжений и деформаций в конструкциях, измерения силы, веса и давления, а также для тестирования материалов и оборудования.
Принцип работы
В большинстве случаев тензодатчик функционирует не от одного тензорезистора, а включает в себя мостовую измерительную схему. Такой принцип получил название моста Уитстона и реализуется следующим образом (рисунок 2):
Как видите на рисунке, в плечи моста включены четыре тензорезистора, которые расположены на гибкой подложке, что обеспечивает им упругую деформацию в ходе измерений. Все резистивные элементы тензодатчика подбираются равнозначными, что обеспечивает на выходе в состоянии покоя нулевое значение разности потенциалов в точках + S и – S. Это обозначает, что в ненагруженном идеальном тензодатчике не будет протекать ток в выходной цепи измерительного прибора. В реальном устройстве, все равно существует токовая нагрузка из-за конструктивных отличий резистивных деталей, температурных колебаний.
Как только к измерительному органу прибора будет приложена механическая нагрузка, гибкое основание деформируется, от чего изменятся рабочие параметры всех резисторов в цепи моста тензодатчика. В большинстве случаев попарно происходит сжатие и растяжение тензорезисторов (рисунок 3):
Как видите, на рисунке два резистора сжимаются, а другие два растягиваются, в результате чего происходит искажение моста. Электрическая цепь выходит из равновесия и через выход тензодатчика начинает протекать электрический ток. О чем будет свидетельствовать отклонение стрелки гальванометра или дисплей оборудования, реагирующий на изменение разности потенциалов. Как только нагрузка перестанет воздействовать на тензодатчик, гибкая пластина вернется в исходное состояние, а измерительный мост снова перейдет в состояние равновесия.
На данном примере мы рассмотрели простейший вариант четырехпроводного тензометрического датчика. Но на практике также используются пяти и шестипроводные весоизмерительные сенсоры, что обусловлено типом конкретного устройства.
Сфера применения тензометрических датчиков охватывает ряд устройств самого различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия применяются тензодатчики разных типов. Разделение сенсоров по видам осуществляется на основании нескольких факторов.
Так, в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют:
- Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.;
- S-образные – применяются для измерения поднимаемых грузов;
- Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.;
- Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой;
В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на:
- Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. В соответствии с п.1.1 ГОСТ 21616-91 разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки.
- Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия.
- Пьезорезонансные – основаны на полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным.
- Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика.
- Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния.
- Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится.
В соответствии с п.1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру прилагаемого усилия тензодатчики можно разделить на те, которые реагируют на сжатие, растяжение и универсальные.
Виды тензодатчиков
Существуют различные виды тензодатчиков
. Одноточечные датчики, преобразуют механическую деформацию изгиба, в сигнал, который пропорционален, этой деформации. Тензоризисторные, консольные датчики, преобразуют механическую деформацию сдвига, в электрический сигнал, пропорциональный степени этой деформации. Они, представляют, из себя, консольную балку. S-образные датчики, преобразуют в электрический сигнал, механическое усилие, сжатия или растяжения, направленное вдоль оси датчика.
Параметры сигнала, соответствуют величине, приложенной к объекту исследования, силы. Цилиндрические тензорезисторные датчики, осуществляют, преобразование усилия сжатия, в электрический сигнал, пропорциональный энергии сжатия. Эти датчики, в различных источниках, также, называются – шайбами или бочками. Существует ряд направлений, для применения тензорезисторных датчиков. Они используются, для исследования напряжений в строительных конструкциях.
Привариваемые датчики, служат, для контроля за металлическими составляющими, зданий и сооружений. Датчик крепится к объекту исследования, методом точечной сварки. Для защиты, от неблагоприятных факторов внешней среды, он защищается, слоем гарметика. Для защиты от случайного механического разрушения, сверху его прикрывают, металлическим кожухом. В случае невозможности использования, сварки, могут использоваться привинчивающиеся датчики. Также, возможно крепление, с помощью специального клея, на каменные, бетонные, кирпичные и другие подобные поверхности. Тензометрические датчики, используются во всех типах электронных весов, например на бетонных заводах. В зависимости от конструктивных особенностей и характера, решаемых оборудованием задач, могут применяться все типы датчиков. Используются тензодатчики, также, в системах пожарной и охранной сигнализации и контроля доступа. Датчики измерения моментов, используются в строительной технике, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте и в авиации. Для осуществления контроля, за износом оборудования, тензорезисторные датчики служат в машиностроении, металлообработке, сталелитейной промышленности. Датчики S-образного типа, широко применяются в такелажном оборудовании. Они крепятся на металлические тросы, для определения, степени приближения к опасным перегрузкам. Для работ связанных с измерением механических нагрузок, в условиях повышенных или пониженных температур, используются специальные типы тензодатчиков. Они проходят специальную калибровку, позволяющую учитывать, изменение сопротивления датчика, связанного с изменением температуры и отфильтровывать эти помехи, от истинного сигнала. При работе датчиков при особо высоких температурах или в агрессивных средах, датчики оборудуются защитой. Используются датчики, также, при проведении, неразрушающего контроля за различными изделиями. Высокая точность измерений и низкая себестоимость тензодатчиков, позволяет широко использовать их в космической технике, для оснащения разгонных блоков, ракет-носителей. Небольшая масса тензодатчиков и возможность их установки в труднодоступных местах, позволяет использовать их, также, для оборудования пилотируемых и беспилотных космических кораблей.
Как подключить
Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками, если под рукой есть схема. Для начала Вам нужно будет купить устройство, при этом, учитывайте, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно будет удлинить при острой необходимости, но тогда у индикатора значительно упадет точность. Нормализовать этот параметр путем встройки поможет контроллер se 01 тензодатчика, работающий как модуль-усилитель.
Если в весах используется несколько индикаторов, то их при помощи соединительных коробок нужно подключить параллельно. Независимо от типа питания также нужно заземлить провода датчиков. Монтаж заземления должен производиться в одной общей точке, для этого также может использоваться разветвительная коробка, например, CAS.
Будет интересно Применение тензометра: тензометрирование конструкций, принцип действия и устройство
После производится исследование датчиков на правильность соединения. Перед выходом рекомендуется проверить все контакты и заземляющие петли. Установка приборов производиться при помощи экранированного кабеля, который глушит помехи, поэтому дополнительные модули не понадобятся. Аналогичным путем подключается преобразователь в дозатор.
От чрезмерного усилия преобразователь может сломаться, в таком случае не пытайтесь проводить его ремонт вручную.
Очень популярны модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, Ацп, KELY (Кели), HBM (НВМ), НСК К-Б-12А и ДСТ. У моделей разные технические характеристики и применение, поэтому перед покупкой внимательно изучайте параметры.
Схемы подключения
На практике применяются различные способы подключения тензодатчика в общую цепь. Наиболее простой вариант – схема четырехпроводного подключения, которая приведена на рисунке 6 ниже:
В данном случае схема подключения подразумевает строгое соблюдение цветовой маркировки проводов: красного и белого для подачи напряжения питания, а черного и зеленого для съема получаемого сигнала. Пятый провод используется для заземления корпуса оборудования, в некоторых моделях используется экран для устранения помех. Такой вариант применяется для силовых датчиков, слаботочного оборудования, устанавливаемого непосредственно в месте измерения и фиксации результата. На практике может реализоваться следующим образом:
Когда весоизмерительный блок удален от контрольного блока, используется шестипроводная схема для исключения влияния омического сопротивления проводов питания на результат измерений.
Выводы + E и – E применяются для подачи напряжения питания на тензодатчик. С клемм + Sen и – Sen снимается падение напряжения на проводах, которое затем вычитается из результирующего сигнала. Контакты + S и – S используются для съема показаний, функция вычитания реализуется следующим образом:
Сферы применения
Кроме определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензометрические датчики могут применяться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент их релаксации, это явление происходит при высверливании или разрезке некоторых конструктивных деталей и узлов.
Тонкопленочные датчики давления, которые изготавливаются путем осаждения из паровой фазы или распыления, используются для определения усилий, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, которые размещаются непосредственно на полированных мембранах. Для калибровки резистивных элементов используется лазерная подгонка, повышающая точность замеров. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать в кремниевую чувствительную к давлению диафрагму, и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в технологиях миниатюрного тензометрирования.
Технология тонких пленок считается более современной и обеспечивает превосходную стабильность при нулевом температурном режиме и полной чувствительности, а также высокую долговечность.
Часто применяемые условия для использования тензодатчиков перечислены далее.
Измерение веса
Необходимо в системах напольного типа, при помощи которых определяют массу груза. Характеризуются минимальными требованиями к точности монтажа и наладки.
Измерение давления
Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. Одновременно производится также измерение рабочих сил и упругих деформаций. Датчики снабжаются силоизмерительным устройством с цифровой индикацией.
Определение ускорения
Иногда используется в экспериментальных лабораториях, где занимаются проектированием и испытаниями высокоскоростной рельсовой и безрельсовой техники.
Контроль перемещения
Самые распространенные отрасли применения – сейсмологические станции и фундаменты высокоточного массивного оборудования, преимущественно энергетического.
Как подключить тензодатчик к Ардуино
Для этого занятия потребуется:
- Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- модуль тензодатчика hx711;
- провода «папа-папа», «папа-мама»;
- паяльник и немного фантазии.
Для датчика потребуется придумать и собрать некую конструкцию весов, а также иметь под рукой весы, чтобы сравнивать данные с модуля с эталоном. Для сборки весов на Ардуино в датчике имеются отверстия с резьбой. Основным элементом модуля (см. картинку ниже) является 24 битный аналого-цифровой преобразователь для весов — микросхема HX711, к которой подключается тензодатчик.
Схема подключения тензодатчика HX711 к Arduino Uno
| HX711 | Arduino Uno | Arduino Nano | Arduino Mega |
| GND | GND | GND | GND |
| VCC | 5V | 5V | 5V |
| DT | 2 | 2 | 2 |
| SCK | 3 | 3 | 3 |
После сборки весов на Ардуино, необходимо откалибровать тензорезистивный датчик. Подключите датчик к модулю HX711, согласно схеме размещенной выше, а сам модуль необходимо подключить к плате Ардуино. Порты DT и SCK можно подключить к любым цифровым портам микроконтроллера (в примере кода мы использовали 2 и 3 порт). После сборки схемы загрузите скетч для калибровки датчика в плату Arduino.
Счетч для калибровки тензодатчика HX711
#include "HX711.h"
HX711 scale(2, 3); // порты DT, CLK
float calibration_factor = -3.7; // калибровка датчика
float units;
float ounces;
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("HX711 calibration sketch");
Serial.println("Remove all weight from scale");
Serial.println("Press + or a to increase calibration factor");
Serial.println("Press - or z to decrease calibration factor");
scale.set_scale();
scale.tare(); // сбрасываем датчик на 0
long zero_factor = scale.read_average();
Serial.print("Zero factor: ");
Serial.println(zero_factor);
}
void loop() {
scale.set_scale(calibration_factor); // применяем калибровку
Serial.print("Reading: ");
units = scale.get_units(), 10; // выполняем замеры 10 раз
if (units < 0)
{
units = 0.00;
}
ounces = units * 0.035274; // переводим усредненные значения в граммы
Serial.print(ounces);
Serial.print(" grams");
Serial.print(" calibration_factor: ");
Serial.print(calibration_factor);
Serial.println();
if (Serial.available())
{
char temp = Serial.read();
if (temp == '+' || temp == 'a')
calibration_factor += 1;
else if (temp == '-' || temp == 'z')
calibration_factor -= 1;
}
}Пояснения к коду:
- на монитор порта будет выведен поправочный коэффициент, который следует использовать далее в работе с датчиком для весов;
- при необходимости корректировки коэффициента, через монитор порта следует отправлять «+» или «-» на плату Ардуино.
Счетч для тензодатчика (hx711) Ардуино
#include "HX711.h"
HX711 scale(2, 3); // порты DT, CLK
float calibration_factor = -3.7; // калибровка датчика
float units;
float ounces;
void setup() {
Serial.begin(9600);
scale.set_scale();
scale.tare(); // сбрасываем датчик на 0
scale.set_scale(calibration_factor); // применяем калибровку
}
void loop() {
Serial.print("Reading: ");
for(int i=0; i<10; i++) { units =+ scale.get_units(), 10; } // выполняем замеры 10 раз
units / 10; // делим значения на 10
ounces = units * 0.035274; // переводим значения в граммы
Serial.print(ounces);
Serial.print(" grams");
Serial.println();
}Пояснения к коду:
- используя поправочный коэффициент из первой программы, ваши весы должны показывать довольно точные показания в граммах;
- скачать библиотеку hx711.h Arduino с описанием команд можно на нашем сайте на странице Библиотеки Ардуино.
