Руководство по выбору тензодатчиков

Тензодатчик — это основной компонент, преобразующий массовые сигналы в измеримые электрические сигналы, широко используемый в промышленной метрологии, электронных весах, автоматизированных производственных линиях, логистике и складировании и других сценариях. Суть выбора заключается в соответствии реальным требованиям — избегая перерасхода средств из-за чрезмерного стремления к высоким параметрам, а также предотвращая недостаточность параметров, которые могут повлиять на точность и стабильность измерений. Ниже приведена систематическая и практичная процедура выбора, сочетающая ключевые параметры, адаптацию к сценариям и практические рекомендации, чтобы помочь в точном подборе.

Шаг 1: Определите основные требования и сценарии применения (основа выбора)

Перед выбором необходимо определить «что измерять, в какой среде измерять и как устанавливать», что является предпосылкой для последующего выбора параметров:

1. Основные требования к измерению

• Измеряемый объект: твердый (блок/гранулированный), жидкий или газообразный? Является ли он агрессивным или вязким (например, жидкость, прилипающая к датчику)?
• Диапазон измерения (емкость): укажите максимальное значение взвешивания (включая измеряемый объект + емкость/кронштейн и другие вспомогательные грузы) и предусмотрите коэффициент запаса 1,2–1,5 (чтобы избежать повреждения датчика из-за ударной нагрузки или перегрузки). Пример: если фактическое максимальное взвешивание составляет 50 кг, следует выбрать датчик с диапазоном 60–75 кг; для динамического взвешивания (например, материалов на конвейерной линии) рекомендуется предусматривать коэффициент запаса 1,5–2 (для компенсации ударов).
• Требование к точности измерения: предназначено ли оно для торговых расчетов (требуется официальная метрологическая сертификация), контроля технологического процесса (допускается определенная погрешность) или высокоточных лабораторных измерений? Пример: электронные товарные весы должны соответствовать классу точности OIML III (погрешность ≤ ±0,1%), промышленные системы дозирования обычно имеют требование к точности ±0,05 % ~ ±0,1 %, а для обычного складского взвешивания допустима погрешность ≤ ±0,5 %.
• Требование к динамическому/статическому режиму: статическое взвешивание (например, платформенные весы, взвешивание резервуаров) или динамическое взвешивание (например, ленточные весы, высокоскоростные сортировочные линии)? В динамических сценариях необходимо подчеркивать «скорость отклика».

2. Условия монтажа и пространственные ограничения

• Способ нагружения: растяжение (например, подвесное взвешивание), сжатие (например, опора платформенных весов) или сдвигающее усилие (например, установка консольной балки)?
• Монтажное пространство: соответствуют ли внешние размеры датчика (длина, диаметр, расстояние между монтажными отверстиями) конструкции оборудования? Например: тонкие датчики подходят для узких пространств (например, малые электронные весы), а для взвешивания больших резервуаров требуются датчики колонного или мостового типа (высокая несущая способность и компактность).
• Количество установок: одноточечное взвешивание (например, небольшие платформенные весы, 1 датчик) или многоточечное взвешивание (например, крупные силосы, платформенные весы, параллельное подключение 3~4 датчиков)? При многоточечном взвешивании необходимо выбирать датчики, допускающие объединение в мостовую схему, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки.

3. Условия окружающей среды (ключевой фактор, влияющий на стабильность датчика)

• Температура: диапазон температур рабочей среды (-40 °С ~ 85 °С — стандартный; для высокотемпературных условий, например, около печей, требуются термостойкие типы, а для низкотемпературных условий, например, в холодильных камерах, — типы с компенсацией низких температур). Примечание: температурный дрейф влияет на точность, поэтому выбирайте датчики с функцией "температурной компенсации" (диапазон компенсации должен охватывать фактическую температуру окружающей среды).
• Влажность/защита: используется ли в условиях повышенной влажности (например, мойка в цехе, дождь на улице), запылённости или агрессивных сред (например, химические цеха, кислотно-щелочные жидкости)? Определите по степени защиты IP: ≥IP67 (пылезащита, защита от кратковременного погружения) для уличных/влажных условий, ≥IP68 (пылезащита, защита от длительного погружения) для агрессивных сред, а также выбирайте коррозионностойкие материалы (например, нержавеющая сталь 316L).
• Факторы помех: присутствуют ли вибрации (например, на производственных линиях, рядом со станками) или электромагнитные помехи (например, рядом с частотными преобразователями, двигателями)? В случае вибраций выбирайте датчики с «антивибрационной» конструкцией; при электромагнитных помехах — датчики с экранированными проводами и сертификацией EMC.

Шаг 2: Выбор типа датчика (соответствие сценариям по принципу/конструкции)

Тип тензодатчика определяется основным принципом и конструкцией. Разные типы значительно отличаются по областям применения, поэтому выбор должен основываться на «методе нагружения, точности и условиях эксплуатации»:

Рекомендации по выбору:

• Для большинства промышленных применений (статическое взвешивание, требуемая точность ±0,01%~±0,5%) предпочтительны тензометрические датчики (наивысшее соотношение стоимости и эффективности, универсальность);
• Для динамического взвешивания (скорость отклика < 10 мс) выбирайте пьезоэлектрические или высокоскоростные тензометрические датчики;
• Для высокоточных лабораторных измерений выбирайте датчики с электромагнитной компенсацией силы;
• Для условий высоких температур, сильной вибрации или агрессивной коррозии выбирайте тензометрические датчики из специальных материалов (например, нержавеющая сталь 316L, керамическое упругое тело) или емкостные датчики.

Шаг 3: Подтверждение основных технических параметров (точное соответствие требованиям)

После определения типа уточните технические параметры, чтобы избежать «избытка параметров» или «недостатка параметров»:

1. Параметры, связанные с точностью (ключевые показатели, определяющие точность измерения)

• Суммарная погрешность (нелинейность + гистерезис + повторяемость): При выборе необходимо соблюдать условие «суммарная погрешность ≤ фактическая требуемая погрешность». Пример: если требуемая погрешность ≤ ±0,1%, то суммарная погрешность датчика должна быть ≤ ±0,05% (с запасом).
• Чувствительность: выходной сигнал, соответствующий единице веса (например, 2 мВ/В), характеризует «чувствительность» датчика. Рекомендация: хорошая согласованность чувствительности (отклонение чувствительности датчиков одной партии ≤ ±0,1%) для упрощения согласования сигналов при многоточечном взвешивании; выходной сигнал должен соответствовать входному диапазону последующих усилителей и устройств сбора данных (например, входной диапазон усилителя 0–10 В, чувствительность датчика 2 мВ/В, напряжение питания 10 В, максимальный выход 20 мВ, следовательно, усилитель должен обладать функцией усиления сигнала).
• Дрейф нуля: изменение выходного сигнала датчика во времени/температуре без нагрузки (например, ±0,01% НВ/°C). Чем меньше дрейф, тем выше долгосрочная стабильность.

2. Параметры адаптации к окружающей среде

• Диапазон компенсации температуры: должен охватывать фактическую рабочую температуру (например, -10 ℃~60 ℃), в противном случае точность значительно снизится.
• Степень защиты (IP): выбирайте в зависимости от условий окружающей среды (упоминалось ранее).
• Примечание: IP67 обеспечивает защиту от кратковременного погружения (глубина 1 м в течение 30 минут), IP68 — от длительного погружения, а IP69K — от воздействия струй высокого давления (например, при мойке в пищевых цехах).
• Устойчивость к помехам: в условиях электромагнитных помех выбирайте датчики со экранированными проводами (например, витая пара с экраном) и сертификацией CE/EMC; при вибрационных нагрузках выбирайте датчики с уровнем «виброустойчивости» ≥ фактической частоты вибрации (например, при частоте вибрации ≤50 Гц уровень виброустойчивости датчика должен быть ≥100 Гц).

3. Выходной сигнал и питание

• Тип выходного сигнала: должен быть совместим с последующим оборудованием (усилителями, ПЛК, индикаторами):
  • Аналоговые сигналы (основные): Сигналы напряжения (например, 0~5 В, 0~10 В), токовые сигналы (4~20 мА, подходят для передачи на большие расстояния, устойчивы к помехам), дифференциальные сигналы (например, 2 мВ/В, требуют преобразования усилителем);
  • Цифровые сигналы (RS485, шина CAN, протокол Modbus): Высокая устойчивость к помехам, могут напрямую подключаться к ПЛК/компьютерам без усилителей, подходят для многоточечного взвешивания (например, 4 датчика в параллельной сети);
• Напряжение питания: Обычно 5 В, 10 В, 24 В постоянного тока. Обеспечьте стабильное питание (колебания ≤ ±5 %), чтобы избежать нестабильных выходных сигналов из-за колебаний напряжения.

4. Конструкция и монтажные параметры

• Внешняя конструкция: Выбирайте в зависимости от способа загрузки и доступного пространства:
  • Тип консольной балки: Подходит для платформенных весов, электронных настольных весов (одноточечная/двухточечная опора, простой монтаж, диапазон 1 кг~5 т);
  • Мостовой/колонный тип: Подходит для больших резервуаров, автомобильных весов (высокая несущая способность, диапазон 10 т~1000 т, хорошая устойчивость к внецентренной нагрузке);
  • Тип натяжения S-типа: подходит для подвесного взвешивания (например, краны, весы с подвесной бункерной загрузкой, диапазон 10 кг ~ 50 т, двунаправленное измерение растяжения/сжатия);
  • Тонкий/микро тип: подходит для узких пространств (например, малые электронные весы, медицинское оборудование, диапазон 1 г ~ 10 кг).
• Монтажный интерфейс: тип монтажных отверстий датчика (резьбовые отверстия, сквозные отверстия) и расстояние между ними должны соответствовать креплению оборудования, чтобы избежать «ошибки внецентренной нагрузки», вызванной отклонением при установке (неравномерное распределение усилия, влияющее на точность).

Шаг 4: Избегайте ошибок при выборе и обращайте внимание на практические детали

1. Распространённые ошибки при выборе

• Ошибка 1: Стремление к «чем выше точность, тем лучше» — датчики высокой точности имеют более высокую стоимость и предъявляют более строгие требования к окружающей среде и монтажу (например, лабораторные датчики могут терять точность из-за вибраций в промышленных цехах);
• Ошибка 2: Диапазон измерения точно соответствует требованиям — отсутствует запас прочности, что может привести к повреждению датчика вследствие ударов или перегрузки (например, мгновенная перегрузка при падении материала);
• Ошибка 3: Игнорирование влияния внецентренной нагрузки — при многоточечном взвешивании (например, платформа на 4 датчиках) отсутствие выбора датчиков «с защитой от внецентренной нагрузки» приводит к неодинаковым результатам взвешивания в разных точках платформы;
• Ошибка 4: Несоблюдение совместимости сигналов — выходной сигнал датчика несовместим с усилителем/ПЛК, что требует дополнительных модулей преобразования, увеличивая затраты и количество потенциальных неисправностей.

2. Практические рекомендации

• Для многоточечного взвешивания требуется «совместимость по мостовой схеме»: при параллельном подключении нескольких датчиков необходимо выбирать датчики с одинаковой чувствительностью и выходным сопротивлением (отклонение ≤ ±0,1%) и использовать специальную распределительную коробку (для балансировки сигналов);
• Адаптация материала к окружающей среде: выберите нержавеющую сталь 304 для обычных условий, 316L или керамику для агрессивных сред и сплав инконель для высокотемпературных условий;
• Калибровка и обслуживание: для случаев торгового расчета выбирайте датчики, поддающиеся «калибровке» и прошедшие официальную сертификацию, например OIML и NTEP; для промышленных применений учитывайте цикл калибровки (например, один раз в год) и выбирайте датчики с простым процессом калибровки;
• Квалификация поставщиков: отдавайте предпочтение поставщикам с опытом в отрасли и технической поддержкой (например, руководство по установке, настройка сигнала), чтобы избежать недорогих и низкокачественных датчиков (пригодных для краткосрочного использования, но с большим долгосрочным дрейфом и коротким сроком службы).

Типовые примеры выбора по сценариям (быстрый справочник)

Резюме: Основная логика выбора

Суть выбора тензодатчика — это пошаговое согласование «требования → тип → параметры → детали»: сначала определите, «что измерять, где измерять и как устанавливать», затем выберите подходящий тип датчика, а в конце точно реализуйте его с помощью основных параметров (диапазон, точность, защита, сигнал), избегая ошибок и обращая внимание на практические детали (например, монтаж, калибровка, совместимость).

Если вы не уверены в конкретных параметрах, вы можете предоставить следующую информацию для консультации с поставщиком:

① Максимальное значение взвешивания (включая вспомогательный вес);

② Требование к точности;

③ Рабочая температура/влажность/состояние коррозии;

④ Способ установки (на растяжение/сжатие/размер пространства);

⑤ Последующее подключенное оборудование (например, модель ПЛК, тип усилителя), и поставщик может предоставить целевые рекомендации.