Главная / Полезная информация / Тензодатчик и мост Уитстона

Как устроен тензодатчик: мостовая схема Уитстона, распиновка 4 и 6 проводов и проверка мультиметром — справочник 2026 года

Опубликовано: 2026-05-05 · Обновлено: 2026-10-26 · Интермера

Тензодатчик — это тензорезисторный датчик силы и веса. Он преобразует упругую деформацию металлической балки или мембраны в электрический сигнал за счёт изменения сопротивления наклеенных на неё тензорезисторов, которые соединены в измерительный мост Уитстона. При подаче стабилизированного напряжения питания, обычно 5–10 В, на выходе моста появляется дифференциальное напряжение порядка нескольких милливольт, строго пропорциональное приложенной нагрузке. Это справочник 2026 года для инженеров КИПиА и наладчиков весового оборудования.

Ниже разберём, как устроен тензодатчик и почему меняется сопротивление тензорезистора, зачем нужна мостовая схема, как по паспортному параметру мВ/В рассчитать выходное напряжение, что означают цвета проводов 4- и 6-проводного кабеля и как проверить тензодатчик мультиметром по сопротивлению, изоляции и нулевому балансу.

Устройство тензодатчика и физика тензоэффекта

Тензодатчик состоит из двух главных частей: упругого чувствительного элемента и тензорезисторов, наклеенных на него.

• Упругий элемент под нагрузкой немного деформируется, а после её снятия возвращается в исходную форму. По форме различают консольные балки, S-образные, шайбовые и колонные датчики. Корпус делают из стали или алюминиевого сплава.
• Фольговые тензорезисторы — тонкие решётки из константана или нихрома на полиимидной подложке. Тензорезистор приклеен к упругому элементу, поэтому его решётка растягивается или сжимается вместе с металлом.

Почему меняется сопротивление

Сопротивление проводника описывает формула R = ρ·l/S, где ρ — удельное сопротивление материала, l — длина проводника, S — площадь его сечения. При растяжении дорожка тензорезистора удлиняется и одновременно сужается: l растёт, S уменьшается, и сопротивление увеличивается. При сжатии всё наоборот: дорожка укорачивается и расширяется, и сопротивление падает.

Насколько сильно сопротивление откликается на деформацию, показывает коэффициент тензочувствительности K = (ΔR/R) / ε, где ΔR/R — относительное изменение сопротивления, а ε — относительная деформация. У металлических сплавов, константана и нихрома, K ≈ 2,0–2,1: относительное изменение сопротивления примерно вдвое больше относительного удлинения. У полупроводниковых тензорезисторов коэффициент достигает 100–150, но их сопротивление сильно зависит от температуры.

Зачем нужна мостовая схема Уитстона

Деформация упругого элемента мала, поэтому мало и изменение сопротивления. При полной нагрузке сопротивление тензорезистора номиналом 350 Ом меняется лишь на доли Ома. Изменение того же порядка даёт температурный дрейф металла. Если измерять сопротивление одного тензорезистора напрямую, нагрев или охлаждение датчика будут неотличимы от нагрузки.

Мостовая схема решает обе задачи: выделяет крошечное изменение сопротивления и отсекает влияние температуры, общее для всех плеч. Мост Уитстона — это четыре резистора, соединённые в кольцо. На одну диагональ, Ex+ и Ex−, подают напряжение питания, с другой, Sig+ и Sig−, снимают сигнал. По сути это два резистивных делителя напряжения, включённых параллельно: каждый состоит из пары последовательно соединённых резисторов, а Sig+ и Sig− — их средние точки. Как делитель распределяет напряжение между резисторами, подробно разобрано в статье о последовательном соединении резисторов и делителе напряжения.

Пока все четыре плеча одинаковы, обе средние точки находятся под одним потенциалом, равным половине напряжения питания, и разность между Sig+ и Sig− равна нулю: мост сбалансирован. Стоит сопротивлению плеча измениться, как потенциал средней точки сдвигается, и на выходе появляется напряжение. Мост измеряет разность двух потенциалов, а не абсолютное значение, поэтому полезный сигнал в милливольтах не приходится выделять на фоне нескольких вольт питания.

Полумост и полный мост

В полумосте работают два тензорезистора в одной ветви: один на растяжение, другой на сжатие. Два оставшихся плеча — постоянные резисторы, поэтому смещается только одна средняя точка.

В полном мосте все четыре плеча — тензорезисторы: два работают на растяжение и два на сжатие, причём одинаково работающие стоят в противоположных плечах моста. Под нагрузкой обе средние точки смещаются в разные стороны, и полезный сигнал по сравнению с полумостом удваивается.

Второй выигрыш полного моста — температурная компенсация. Когда балка нагревается или остывает, сопротивления всех тензорезисторов меняются одинаково и в одну сторону. В каждом делителе верхнее и нижнее плечо меняются вместе, соотношение между ними сохраняется, и средняя точка остаётся на месте. Температурное расширение балки взаимно компенсируется, а деформация от нагрузки — нет, потому что растянутые и сжатые тензорезисторы меняются в противоположные стороны.

Рабочий коэффициент передачи (мВ/В) и расчёт выходного напряжения

Главный паспортный параметр тензодатчика — рабочий коэффициент передачи, РКП, его также называют чувствительностью. Он показывает, сколько милливольт выдаёт мост на номинальной нагрузке на каждый вольт питания. Стандартное значение — 2,0 мВ/В, реже встречаются 1,0; 1,5 и 3,0 мВ/В. Рекомендуемое напряжение питания — 5–12 В постоянного тока.

Выходное напряжение рассчитывают по формуле Uвых = Uпит · РКП · (F / Fном), где Uпит — напряжение питания моста, F — приложенная нагрузка, Fном — номинальная нагрузка датчика.

Пример: датчик с РКП = 2,0 мВ/В питается от 10 В.

• На номинальной нагрузке: 10 В · 2,0 мВ/В · 1 = 20 мВ.
• При нагрузке в 50 % от номинала: 10 В · 2,0 мВ/В · 0,5 = 10 мВ.
• Без нагрузки — около 0 мВ.

Из расчёта следуют два практических вывода. Во-первых, весь рабочий диапазон такого датчика укладывается в два десятка милливольт, поэтому вход весового терминала или измерительный прибор должен уверенно различать доли милливольта. Во-вторых, выход прямо пропорционален напряжению питания: если до моста дойдёт меньше вольт, чем рассчитано, сигнал уменьшится в той же пропорции. Это важно для длинных кабелей, о которых речь пойдёт ниже.

Для контрольных замеров малых напряжений и точных сопротивлений моста подходит прецизионный 6,5-разрядный цифровой мультиметр Keysight 34401A.

Распиновка тензодатчика: 4 и 6 проводов по цветам

Кабель тензодатчика бывает 4-проводным и 6-проводным. В обоих есть пара питания и пара сигнала, в 6-проводном добавлены две линии обратной связи по напряжению. Цвета в таблице типовые: у конкретного датчика сверяйте их с паспортом. Если паспорта нет, диагонали питания и сигнала можно найти по сопротивлению, об этом — в разделе о проверке.

Чем 4-проводная схема отличается от 6-проводной с линиями Sense

В 4-проводной схеме напряжение питания приходит к мосту по проводам Ex+ и Ex−, по которым течёт ток моста. У кабеля есть собственное сопротивление, и на нём падает часть напряжения: до моста доходит меньше, чем выдаёт терминал. По формуле Uвых = Uпит · РКП · (F / Fном) сигнал уменьшается в той же пропорции. Кроме того, сопротивление жил меняется с температурой, и показания начинают плыть вместе с ней. Чем длиннее кабель между весовым терминалом и датчиком, тем заметнее оба эффекта.

В 6-проводной схеме линии обратной связи Sense+ и Sense− передают терминалу напряжение непосредственно на мосте. Терминал учитывает именно его и так компенсирует и падение напряжения на кабеле, и температурное изменение сопротивления кабеля.

Как подключить 6-проводный датчик к 4-проводному входу

Если у терминала нет входов Sense, линии обратной связи соединяют с одноимёнными линиями питания прямо на клеммнике: Ex+ с Sense+, Ex− с Sense−. Датчик при этом работает как 4-проводный, без компенсации кабеля.

Отдельно о длине кабеля. В весах с несколькими датчиками, сигналы которых объединяет сумматор, нельзя обрезать заводской кабель одного из датчиков: изменится сопротивление его линии питания, и нарушится угловая калибровка весов.

Как проверить тензодатчик мультиметром

Исправность тензодатчика можно оценить мультиметром за три шага, не снимая датчик с весов: достаточно отключить его кабель от терминала. Проверяют сопротивление диагоналей и плеч моста, сопротивление изоляции и нулевой баланс под питанием. Как выбрать режим и предел измерения и правильно подключить щупы, мы разбирали в статье о том, как пользоваться мультиметром.

Шаг 1. Сопротивление диагоналей и плеч

На отключённом датчике переведите мультиметр в режим измерения сопротивления и по очереди измерьте пары проводов моста.

• Выходное сопротивление (Sig+ — Sig−) равно номиналу плеча: обычно 350 ± 3 Ом или 1000 ± 10 Ом. Встречаются и мосты на 700 Ом.
• Входное сопротивление (Ex+ — Ex−) чуть выше выходного, потому что в цепь питания включены термокомпенсирующие резисторы. Для 350-омного моста это обычно 380–410 Ом.
• Четыре боковых плеча (Ex+ — Sig+, Ex+ — Sig−, Ex− — Sig+, Ex− — Sig−) должны быть строго одинаковыми: для датчика 350 Ом около 260–290 Ом, с разбросом не более 0,5–1 Ом. Значение ниже номинала здесь не ошибка: между соседними выводами мультиметр видит одно плечо, параллельно которому включены три остальных.

Тот же замер помогает, если цвета проводов неизвестны. Пара с наибольшим сопротивлением, около 400 Ом у 350-омного датчика, — диагональ питания. Пара, сопротивление которой равно номиналу 350 Ом, — диагональ сигнала. Остальные пары дают меньшие и одинаковые значения.

Шаг 2. Сопротивление изоляции

Переключите мультиметр на предел мегаом и измерьте сопротивление между каждым проводом моста и металлическим корпусом датчика, а затем экраном кабеля. У исправного датчика мультиметр должен показывать бесконечность, то есть обрыв. Любое конечное значение означает утечку между мостом и корпусом или экраном.

Шаг 3. Баланс нуля и реакция на нагрузку

Подайте на Ex+ и Ex− напряжение 5 В или 10 В от лабораторного блока питания. Источник должен быть стабильным: выходной сигнал пропорционален питанию. Мультиметр в режиме постоянного напряжения на пределе милливольт подключите к Sig+ и Sig−.

• Без нагрузки сигнал должен быть близок к нулю: не более ±1–2 % от РКП. Для датчика 2 мВ/В при питании 10 В это до ±0,2–0,4 мВ.
• При нажатии на датчик сигнал должен расти пропорционально усилию, а после снятия нагрузки возвращаться к исходному значению. Для ориентира: на номинальной нагрузке тот же датчик при 10 В даст около 20 мВ.

Сведём нормы в одну таблицу.

Итог

• Тензодатчик преобразует упругую деформацию балки или мембраны в изменение сопротивления фольговых тензорезисторов; у металлической фольги коэффициент тензочувствительности K ≈ 2.
• При полной нагрузке сопротивление меняется лишь на доли Ома из 350 Ом, поэтому тензорезисторы включают в мост Уитстона. Полный мост удваивает сигнал по сравнению с полумостом и компенсирует температурное расширение балки.
• Выходное напряжение считают по формуле Uвых = Uпит · РКП · (F / Fном): датчик 2,0 мВ/В при питании 10 В на номинальной нагрузке выдаёт 20 мВ.
• Типовые цвета: Ex+ красный, Ex− чёрный, Sig+ зелёный, Sig− белый; в 6-проводной схеме добавлены Sense+ синий и Sense− коричневый, которые компенсируют сопротивление длинного кабеля.
• У исправного датчика 350 Ом выход 350 ± 3 Ом, вход 380–410 Ом, четыре боковых плеча одинаковы с разбросом не более 0,5–1 Ом, изоляция — бесконечность, ноль без нагрузки — в пределах ±1–2 % от РКП.