Внутреннее устройство и принцип работы датчика веса/натяжения

Внутреннее устройство и принцип работы датчика веса/натяжения

Датчик веса - это устройство, используемое для измерения силы. При воздействии внешней силы он генерирует электрический сигнал на своем выходе. Тензометрический датчик веса является одним из наиболее распространенных типов, используемых для измерения веса. В этой статье будет представлен принцип работы датчиков веса и их различные характеристики.

**Что такое датчик веса?**

Датчик веса - это тип преобразователя силы. Датчик - это устройство, которое преобразует одну форму энергии в читаемый электрический сигнал. В частности, датчик веса преобразует силу в напряжение, которое может быть считано электронным оборудованием. Наиболее часто используемый датчик веса в повседневной жизни - это тензометрический тип, который присутствует почти во всех устройствах, измеряющих вес.

**Как работает датчик веса?**

Датчик веса содержит чрезвычайно тонкий резистивный материал, прикрепленный к гибкой подложке. Когда внешняя сила воздействует на корпус датчика веса, гибкая подложка деформируется, заставляя деформироваться и резистивный материал. При изменении размеров резистивных дорожек изменяется и их электрическое сопротивление.

Однако изменение сопротивления очень мало по сравнению с исходным общим сопротивлением материала - обычно порядка 1:100. Это делает прямое измерение абсолютного сопротивления очень сложным. Поэтому резистивный материал на гибкой подложке организован в структуру схемы, называемую мостом Уитстона. Мост Уитстона (названный в честь его разработчика, Чарльза Уитстона) представляет собой ромбовидное расположение резисторов, по одному резистору с каждой стороны, как показано на рисунке ниже:

Напряжение возбуждения подается на одну пару противоположных углов ромбовидной формы, а выходной сигнал напряжения можно считать с другой пары. Обычно, когда внешняя сила не приложена, все резисторы имеют одинаковое значение. Каждая "ножка" моста Уитстона действует как резистивный делитель напряжения. Поскольку все сопротивления равны, выходное напряжение с каждой ножки также равно - это означает, что дифференциальный выход равен 0 В, так как выходные точки находятся в середине каждого делителя. Когда прикладывается внешняя сила, сопротивление одного из резисторов изменяется, изменяя напряжение на этой ножке. Это приводит к появлению небольшой разницы напряжений на выходе.

**Как использовать датчик веса?**

Выходное напряжение датчика веса очень мало и исходит от источника с высоким импедансом (т. е. резистивных делителей). Поэтому для точного считывания напряжения необходима обработка сигнала. Схема обработки сигнала должна иметь высокое входное сопротивление, чтобы избежать нагрузки на делители, высокий коэффициент подавления синфазных помех, поскольку абсолютное напряжение на каждой ножке составляет половину напряжения возбуждения, а также высокий дифференциальный коэффициент усиления. Это требует использования инструментального усилителя, который соответствует всем вышеуказанным критериям. На рисунке ниже показан пример схемы с использованием инструментального усилителя AD620 с коэффициентом усиления 100, что означает, что на каждые 1 мВ входного напряжения выход будет 100 мВ. Например, если выход полного диапазона моста составляет ±25 мВ, выход усилителя будет ±2,5 В.

**Цифровые датчики веса**

Чтобы преодолеть технические трудности, связанные с использованием аналоговых датчиков веса, можно выбрать цифровые датчики веса с интерфейсами, такими как UART и RS485. Эти датчики поддерживают стандартный протокол связи MODBUS-RTU, обеспечивая простое подключение к таким устройствам, как ПЛК, компьютеры, модули отображения и устройства беспроводной передачи данных.