Датчик измерения давления: принцип работы. Пьезорезистивный датчик давления принцип работы

описание, ускорение, принцип работы и особенности

Для получения данных о температуре либо давлении атмосферной среды применяются специальные датчики пьезоэлектрического типа. К основным параметрам устройств относится не только рабочая частота, но проводимость, а также сопротивление. Стандартная модификация состоит из мембраны, которую окружают кварцевые пластины. Корпус в основном делается из металлических дисков. Для подключения к измерительной аппаратуре применяются выводы, которые подсоединены к подпятнику.

Принцип работы элемента

Существуют различные пьезоэлектрические датчики. Принцип работы элементов построен на изменении разрядности мембраны. Кварцевые пластины в данном случае играют роль проводников. Для преобразования частоты у моделей используется экранированная пластина. Передача сигнала на мембрану осуществляется через подпятник. Разница разрядов фиксируется в измерительных приборах. Через выводы на датчиках данные могут быть обработаны и сохранены.

Типы датчиков

По назначению выделяют датчики силы, давления, вибрации и ускорения. Также существуют модификации для замера температуры. Еще разделение модификаций происходит по частотности. Модели до 3 Гц отличаются компактными размерами. Модификации с высокой проводимостью способны работать в условиях повышенной влажности.

Датчики силы

Пьезоэлектрические датчики силы в последнее время принимают активное участие в лабораторных исследованиях. Они отличаются повышенной точностью и неплохой проводимостью. Однако важно отметить, что рабочая частота в данном случае находится на уровне 4 Гц.

Многие модификации производятся с обычными контактными мембранами. Также стоит отметить, что в магазинах представлены проводные устройства с кварцевыми пластинами. Показатель проводимости у таких датчиков составляет примерно 5 мк. Многие модификации разрешается применять в условиях повышенной влажности. Емкость проводников в данном случае равняется 55 пФ. Модели у датчиков данного типа отсутствуют.

Датчики давления

Пьезоэлектрические датчики давления производятся с мембранами разных типов. Если верить отзывам экспертов, то наиболее востребованными устройствами считают контактные элементы, показатель проводимости у них равняется 8 мк. При этом рабочая частота максимум достигает 5 Гц. Контактные мембраны у датчиков встречаются довольно редко. Кварцевые пластины устанавливаются через выводы. Емкость проводников в среднем равняется 120 пФ.

Отдельного внимания у модификаций заслуживают компактные втулки. Как правило, они применяются экранированного типа. Для измерительной аппаратуры датчики данного типа подходят замечательно. Довольно часто их подключают к осциллографам. Подпятники у модификаций применяются переходного типа. Некоторые модели способны похвастаться высокой точностью замеров.

Особенности датчиков температуры

Пьезоэлектрические датчики температуры работают на низкоомных модулях. Если верить отзывам экспертов, то мембраны в основном применяются контактного типа, и переходники под них используются низкой проводимости. Кварцевые пластины способны работать в условиях повышенной влажности. Если говорить про недостатки, то важно отметить, что модели производятся в основном без подпятников. Вместо них на мембраны устанавливаются специальные изоляционные пленки. Показатель диэлектрической проницаемости лежит в районе 50 %.

Датчики ускорения

Пьезоэлектрический датчик ускорения довольно часто используется в промышленности. Выводы у моделей подключаются через мембраны. Некоторые устройства производятся специально под приводные агрегаты. Мембраны в данном случае устанавливаются контактного типа. Также стоит отметить, что в магазинах представлены элементы, которые работают на полированных пластинах.

Подпятники в основном используются компактных размеров. Изоляция у моделей применяется высокого качества. Металлические подкладки встречаются довольно редко. Также надо отметить, что существуют устройства, которые способны работать при частоте 3 Гц. Показатель проводимости у них, как правило, не превышает 44 мк. Емкость проводников у моделей данного типа находится в районе 40 пФ.

Элементы серии VM-6360

Датчики представленной серии способны очень быстро определять температуру окружающей среды. Если верить мнению экспертов, то проводимость у них довольно высокая. Среди недостатков стоит отметить малое сопротивление на выводах. Также специалисты часто указывают на модуль, который работает при частотности в 3 Гц. Таким образом, точность измерения у модификации не очень высокая. Мембрана в данном случае применяется только одна. Выводы к ней подсоединяются через подпятник. Если верить мнению экспертов, то проблемы с модуляцией данному датчику не страшны. Кварцевые пластины установлены надежно.

Особенности датчиков Arduino

Arduino - пьезоэлектрический датчик вибрации, который способен эксплуатироваться в разных климатических условиях. Мембрана у элемента применяется только одна. При этом пластины установлены с двумя подкладками. Если верить экспертам, то проводимость у них довольно высокая. Диэлектрическая проницаемость пластин равняется 55 мк.

Многие специалисты говорят о том, что датчик обладает высокой точностью замеров. Если говорить про минусы, то эксперты указывают на низкий параметр сопротивления в мембране. За счет этого есть проблемы с передачей сигнала. Утечка зарядов данному датчику не страшна. Рабочая частота поддерживается на уровне 5 Гц.

Описание элементов серии Master 300 CT

Указанный пьезоэлектрический датчик необходим для точного определения давления. Модуль в системе применяется волнового типа. Многие эксперты говорят о том, что модель можно использовать в среде с влажностью не более 55 %. Диск у модификации применяется сферического типа.

Также стоит отметить, что рабочая температура элемента максимум равняется 45 градусам. Подпятник отличается высокой проводимостью. При этом у него есть определенные проблемы с проницаемостью. Подключение к измерительным приборам происходит через два вывода.

Элементы серии Master 330 CT

Это качественные и высокоточные пьезоэлектрические датчики. Принцип действия элемента построен на изменении разрядности. Специалисты полагают, что у модификации установлен качественный проводной вывод. Мембрана в данном случае используется с кварцевыми пластинами.

Параметр диэлектрической проницаемости располагается на отметке в 3 %. Минимальная частота поддерживается на уровне 3 Гц. Система защиты у данного датчика отсутствует, однако изоляция предусмотрена. Также стоит отметить, что у модификации имеется только одна подкладка, которая изготовлена из меди.

Особенности датчиков Master 350 CT

Указанный пьезоэлектрический датчик произведен для определения температуры в агрессивных средах. Многие эксперты указывают на высокий параметр выходного сопротивления. При этом модуль применяется контактного типа, и изоляция у него используется третьего класса. Всего в устройстве имеется две кварцевые пластины. Показатель проводимости у них составляет 4 мк. Рабочая частота, как правило, равняется 3 Гц. Сферическая пята у этой модификации отсутствует. Емкость полупроводников равняется 40 пФ.

Описание элементов серии Master 380 CT

Данный пьезоэлектрический датчик выделяется быстрой передачей положительного потенциала. Также стоит отметить, что у модели используется только один модуль контактного типа. Многие эксперты говорят о том, что модель разрешается использовать в среде повышенной влажности. Однако недостатки у датчика также есть. В первую очередь стоит упомянуть о низкой диэлектрической проницаемости. Проблемы с сопротивлением возникают довольно редко.

Подпятник не способен работать при частоте в 3 Гц. Система защиты у модификации производителем не предусмотрена, и изоляция установлена второго класса. Подключение к измерительной аппаратуре осуществляется через два вывода. Пята сферического типа способна работать при частоте 5 Гц. Передача отрицательного потенциала много времени не отнимает.

Элементы серии MLh300

Данный пьезоэлектрический датчик способен быстро замерить давление окружающей среды. Если говорить про особенности модификации, то важно отметить неплохой параметр выходного сопротивления. Диэлектрическая проницаемость элемента равняется только 40 %. Пята сферического типа установлена вместе с контактной мембраной.

Также стоит отметить, что модель способна быстро передавать положительный потенциал. Система защиты у модификации не предусмотрена, а изоляция установлена третьего класса. Подключение к измерительной аппаратуре может осуществляться через два вывода. Втулка у модификации подсоединена к кварцевым пластинам. Также стоит отметить, что емкость полупроводников равняется 30 пФ.

Особенности датчиков MLh320

Указанный пьезоэлектрический датчик вибрации производится с двумя контактными мембранами. При этом кварцевые пластины применяются повышенной проницаемости. Рабочая частота модификации находится на уровне 4 Гц. Если верить мнению экспертов, то корпус способен выдерживать большие нагрузки. Также стоит отметить, что сопротивление на выходных контактах равняется приблизительно 30 Ом. Система защиты у элемента, к сожалению, не предусмотрена.

Однако изоляция производителем установлена первого класса. Экранированная втулка в данном случае зафиксирована на мембране. Многие эксперты говорят о том, что модель способна похвастаться быстрой передачей положительного потенциала. Также стоит отметить, что у модели есть специальный модуль, который отвечает за проводимость сигнала. Емкость проводника равняется 50 мк. При этом диэлектрическая проницаемость элемента составляет не менее 60 %. Утечка зарядов представленному датчику не страшна.

Описание элементов серии MLh355

Данный датчик (пьезоэлектрический, искробезопасный) производится с одной переходной мембраной, у которой очень высокий параметр отрицательного сопротивления. С повышенной влажностью проблемы возникают нечасто, и изоляция используется третьего класса. Всего у датчика имеется три кварцевые пластины.

Также стоит отметить, что модель отличается неплохой проводимостью на выходе. Металлические подкладки под мембраной производителем не предусмотрены. Отдельного внимания заслуживает качественный проводник, емкость которого равняется 4 пФ. Система защиты у элемента не предусмотрена. При этом скорость передачи отрицательно потенциала оставляет желать лучшего.

Элементы серии MLh365

Датчик представленной серии производится с двумя мембранами, которые обладают проводимостью на уровне 4 мк. Кварцевые проводники способны работать при влажности 55 %. При этом рабочая температура максимум равняется 40 градусов. Система защиты у этого датчика отсутствует, а изоляция применяется второго класса. Минимальная частота у элемента поддерживается на уровне 5 Гц.

fb.ru

описание и устройство, принцип работы, классификация

В современной промышленности различной направленности широко применяются датчики измерения давления. Служат они для максимально точного измерения показаний в разных средах и дальнейшего получения данных в электрической или цифровой форме. Основные датчики делятся на оптические, резистивные, магнитные, пьезоэлектрические, ёмкостные, ртутные пьезорезонансные

.

Устройство датчика

У этого прибора параметры могут изменяться в зависимости от изменения параметров в измеряемой среде, например, жидкости, газа, или пара. В датчике, характеристики измеряемой среды преобразуется в унифицированный код для вывода показателей на указательный прибор.

Датчик состоит из первичного преобразователя, который включает в себя чувствительный элемент — получатель давления, схемы второстепенной обработки сигнала, и различные части корпуса. В некоторых случаях оборудуется деталями герметизации для условий работы во влажных и агрессивных средах.

Классификация приборов по принципу действия

От принципа действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной, датчики измерения классифицируют:

• Тензометрический метод. Чувствительные детали производят измерение сопротивления при воздействии на тензорезистор, прикреплённый к упругому элементу, который при воздействии давления деформируется.
• Пьезорезистивный метод. Работает на основе интегральных чувствительных деталей из кремния. Преобразователи из кремния обладают высокой чувствительностью благодаря возможности изменения сопротивления полупроводника. Для измерения характеристик в неагрессивных средах используется Low cost — метод исполнения оборудования, когда чувствительный элемент не оборудован какими-либо степенями защиты. В случае работы в среде где, возможно, оказания на датчик агрессивного вещества, чувствительный элемент оборудуется герметичным корпусом с разделяющей диафрагмой из стали, которая передаёт давление посредством кремниевой жидкости.
• Ёмкостный метод. Главной частью датчика, работающего по такому методу является ёмкостная ячейка. Её работа заключается в изменении электрической ёмкости между укладкой конденсатора и измерительной мембраны в зависимости. Главным плюсом можно отметить защиту от деформации, при отсутствии давления мембрана восстанавливает свою форму, при этом калибровка такого датчика не требуется. А также высокая стабильность характеристик обусловлена малым влиянием погрешности температуры за счёт небольшого объёма жидкости, которая заполняет внутренний объем ячейки.
• Резонансный метод. За основу работы по такому принципу взято изменение частоты резонансы колеблющегося элемента при его деформации. Из недостатков можно выделить большое время отклика, и невозможность работы в агрессивных средах без потери измерительной точности.
• Индуктивный метод. Основывается на регистрации вихревых оков. Измерительный элемент состоит из двух изолированных катушек металлическим экраном. Преобразователь проводит измерение смещения мембраны при отсутствии фактического контакта между двумя поверхностями. Электрический ток генерируется в катушках таким образом, что заряд и разряд катушки происходит на равных отрезках временного промежутка. При изменении положения мембраны создаётся ток в зафиксированной катушке, после чего следует изменение индуктивности системы. Смещение данных основной катушки даёт возможность о преобразовании данных в стандартный сигнал, который по своим параметрам пропорционален оказанному давлению.
• Ионизационный метод. Работает по принципу регистрации поток ионизированных частиц, как ламповый диод. Лампа оборудуется двумя электродами, катодом, анодом, и нагревателем в некоторых случаях. Преимуществом является возможность регистрировать данные в средах с низким давлением, в том числе и вакуума, но при атмосферном давлении такое оборудование эксплуатировать нельзя.
• Пьезоэлектрический метод. Задумка основывается на основе пьезоэлектрического эффекта, в котором пьезоэлемент создаёт электрический сигнал, пропорционально воздействию измеряемой среды на него. Используется для измерения постоянно изменяющихся акустических и импульсных сред. Обладает широким диапазоном динамического и частного измерения данных. Обладает небольшой массой, габаритами и высокой надёжностью при эксплуатации в тяжёлых условиях.

Виды датчиков

Ёмкостный. Обладает самой простой конструкцией, которая включает в себя два плоских электрода с зазором между ними. Один из них выполнен в виде мембраны на которую, оказывается влияние измеряемой среды, в результате чего изменяется зазор между электродами. По сути, этот тип похож на конденсатор с изменяемым зазором. Такой датчик в силах зафиксировать даже маленькое изменение показаний.

Пьезоэлектрический. Основным конструктивным элементом является пьезоэлемент, материал который выводит сигнал при оказании на него измеряемых характеристик. Находится он в измеряемой среде, и выделяет ток в зависимости от величины изменения давления. Но по причине того, что этот элемент изменяет свои выводимые данные только при изменении среды, то при постоянных параметрах он никакие данные показывать не будет, и пригоден для работы только в среде где давление периодически изменяется.

Оптический.

Устройство работы таких датчиков может заключаться на основе двух принципов работы:

• Волоконно-оптическом. Является наиболее точным и работа по измерению не зависит от изменения температурного режима. Основной частью для измерения приходится оптический волновод. О величине измерения давления у такого рода приборах делают заключение по изменению амплитуды и полярности проходящего света через чувствительную часть.
• Оптоэлектронном. Состоит из многослойной прозрачной структуры, чрез которую проходит свет. При этом один из этих слоёв может изменять показатель преломления и толщину слоя в зависимости от оказываемого давления.

На иллюстрации ниже схематично изображены оба метода работы. Рисунок, А — изменение преломления, рисунок Б — изменение слоя в толщине.

Ртутный.

Элементарный и технически простой датчик. Работает на основе двух сообщающихся сосудов, на один из который, оказывается давление, а на второй аналоговым способом выводятся данные, и определяется по параллельно совмещённой измерительной шкале.

Магнитный.

Работает на основе индуктивного метода. Чувствительная часть заключается в Е-образной планке, посередине которой расположена катушка, и чувствительная мембрана, по ней передаются измеряемые параметры. Располагается мембрана около пластины, на небольшом расстоянии от края. Катушка при включении, создаёт магнитный поток, который в свою очередь, следует через планку, зазор и мембрану. Проницаемость магнитного зазора в несколько сотен раз меньше проницаемости планки и мембраны, поэтому изменение индуктивности происходит даже при небольшом изменении величины зазора.

Пьезорезонансный.

Работает на основе пьезоэффекта, но с одним отличием — в этом случае используется обратный эффект пьезоэлемента, основанный на изменение формы материала в зависимости от поступающего тока. В этом датчике применяется резонатор, на котором расположены два электрода по разные стороны, на них попеременно подаётся ток разной полярности, и вследствие этого пластина выгибается в различные стороны с учётом поступаемой частоты.

Отличие от манометра

Главным отличие такого рода датчиков, от манометра — то что это прибор, предназначающийся для измерения характеристик без его преобразования. В манометре от измеряемых характеристик зависит показание прибора, которые выводятся на его аналоговый прибор или дисплей.

220v.guru

7. Пьезоэлектрические датчики » СтудИзба

Глава 7

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 7.1. Принцип действия

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физи­ческом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффек­том. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде по­явления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В  зависимости  от значения  силы

сжатия ^или растяжения; меняется ко­личество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная меж­ду гранями. Пьезоэлектрические датчи­ки относятся к генераторному типу. Ши­роко известны пьезоэлектрические звуко­сниматели: игла звукоснимателя воспри­нимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокрис-талл. Выходное напряжение с пьезокрис-талла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжа­тия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани крис­талла изменяются его размеры (он сжи­мается или разжимается). Обратный пье-зоэлемент (наряду с магнитострикцион-ным, упомянутым в § 6.6) нашел приме­нение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используют­ся в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 7.1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шести­гранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось, называемая оптической осью; X— поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продоль­ной оси; У—поперечная ось, проходящая через грани призмы пер­пендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось У—механической илинейтральной.

 Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 7.3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, ис­пользуемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерцион­ной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей

на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относи­тельно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента / и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляцион­ную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота вибро­ускорений 5 Гц.

§ 7.3. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому кон­денсатору. Количество электричества q, появившееся под воздейст­вием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соеди­ненные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U—q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как прира­щение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае

где п — количество пластин; Ко — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины; Свх — емкость измерительной цепи; С0 — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной  d и площадью   s можно определить как емкость  плоскопараллельного     конденса-

где ео — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ео=8,8510-12 Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=SnF, где F— измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R0и сопротивление измерительной це­пи /?вх. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Т= (Ro/n+Rbx) X Х(nСо + СВх). При практически реализуемых значениях сопротив­ления датчика Ro (десятки и сотни МОм) и его емкости Со (десят­ки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электрон­ные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной це­пи до 1013 Ом. Для увеличения постоянной времени разряда парал­лельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измери­тельных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) удар­ных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преи­мущество перед датчиками других типов.

studizba.com

Пьезорезистивные датчики

АрхеологияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБотаникаБухгалтерский учётВойное делоГенетикаГеографияГеологияДизайнИскусствоИсторияКиноКулинарияКультураЛитератураМатематикаМедицинаМеталлургияМифологияМузыкаПсихологияРелигияСпортСтроительствоТехникаТранспортТуризмУсадьбаФизикаФотографияХимияЭкологияЭлектричествоЭлектроникаЭнергетика

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мем­брана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорцио­нален приложенной силе F (уравнение (10.1)). Оба эти элемента могут быть из­готовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистив-ных преобразователей в виде резисторов [5]. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком дат­чике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэф­фициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника [6]. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение та­ких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их вы­ходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обла­дают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи темпера­турной компенсации. Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается меха­ническое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину DR[7]: (10.10) где ptи pt — пьзорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направ­лениях, а sl и st — напряжения в продольном и поперечном направлениях. Пьезо-резистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для дифузионного резистора p-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис. 10.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимацион-ного соотношения [7]: (10.11) Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому на­пряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагают­ся на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензо-чувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений ре­зисторов также будут иметь разные знаки: (10.12) При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряже­ния возбуждения Е, выходной сигнал будет равен выражению: (10.13) Взяв частные производные от Vout, можно найти чувствительность датчика к давлению аpи его температурный коэффициент bT: (10.14) (10.15) Поскольку коэффициент дp44/дТ имеет отрицательное значение, температурная чувствительность также будет отрицательной, что означает, что при увеличении температуры чувствительность падает. Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов [8] используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентраци­ей примесей, равной 3x1018 в одном кубическом сантиметре. Один из них (R1) параллелен, а дру­гой (R2)перпендикулярен ориентации диафраг­мы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие ком­поненты схемы датчика: резисторы и р-n пере­ходы, используемые в цепях компенсации тем­пературы, располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагиру­ют на давление, действующее на диафрагму. дифузионные резисторы вентиляционное отверстие Рис. 10.4. Расположение пьезорези-сторов на кремниевой диафрагме активный элемент рамка кремниевого кристалла граница вытравленной диафрагмы тензорезистор 1 земля 2 положительный вывод выходного сигнала 3 питание 4 отрицательный вывод выходного сигнала На рис. 10.5 показана схема еще одного мо­нолитного микродатчика давления, выпускае­мого фирмой Motorola. В этом датчике пьезо-резистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной им­плантации на кремниевой диафрагме. К выво­дам резистора 1 и 3 подводится напряжение воз­буждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диаф­рагмы, которое, в свою очередь, формирует в ре­зисторе поперечное электрическое поле, сни­маемое в виде напряжения с выводов 2 и 4. Та­кой тензодатчик является механическим анало­гом датчика Холла, рассмотренного в разделе 3.8 главы 3. Использование одного тензоэлемента устраняет необходимость точного согласования четырех тензо- и температурно- чувствительных резисторов, формирующих мост Уитстона, как это было в предыдущей конструкции. Одновременно с этим здесь существенно упро­щены дополнительные цепи, необходи­мые для проведения калибровки и тем­пературной компенсации. Тем не менее схема одноэлементного тензодатчика яв­ляется электрическим аналогом мосто­вой структуры. Балансировка этой схе­мы определяется не точным подбором резисторов, как это было в обычной мо­стовой схеме, а тем, насколько хорошо отрегулировано расположение выход­ных выводов. Рис. 10.5. Схема некомпенсированного пье-зорезистивного элемента датчика давления Motorola MPX (напечатано с разрешения Motorola, ]nc) Для формирования тонкой диаф­рагмы площадью 1 мм2 используются традиционные травильные реагенты (например, анизотропый раствор гид­разина в воде: N2h5 • Н20). В качестве маскирующих слоев применяется Si02, для формирования защитного слоя с ниж­ней стороны подложки —Si3N4. Скорость травления при 90°С составляет 1.7 мкм/ мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30 мкм. Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления крем­ния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллическо­го кремния без применения промежуточных слоев [9]. Этот способ дает возмож­ность формирования микродатчиков (более чем в восемь раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменного типа), которые могут исполь­зоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских ис­следований. Такой микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней под­ложек (рис. 10.6А). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней под­ложки составляет 0.5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глу­биной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавле­ния нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем л-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует за­данной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует ди­афрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисто­ры, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой тол­щины устройства — порядка 140 мкм. Несмотря на то, что размеры такого дат­чика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразовате­ля давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис. 10.6Б показано сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, получен­ное методом сплавления почти на 50% меньше. вытравленная полость верхняя кремниевая подложка эпитаксиальный слой гидратированные нижняя кремниевая подложка традиционная технология соединение, полученное сплавлением метод сплав­ления резисторы, сформированные методом ионной имплантации поверхность, полученная методом контролируемого травления Рис. 10.6. Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния: А — технологические этапы изготовления, Б — сравнение двух диаф­рагм, полученных по разным технологиям   Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной ка­мере, которая может быть как встроенной (рис. 10.7А), так и внешней. Диффе­ренциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расхо­домерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафраг­мы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонно­го значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчи-ков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифферен­циального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 10.7Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внут­ренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует по­верхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздейство­вать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 10.8). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозион­ными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устрой­ства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудша­лись частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти все­гда заполняется силиконовой мазкой типа Dow Corning DS200. диффузионный тензодатчик металлизация крышка из нержавеющей стали кожух из термопластика силиконовый гель соединительный провод кремниевая подложка вытравленная полость стеклянный герметик направляющая рамка герметичная эталонная камера Рис. 10.7.Устройство корпусов датчиков: А - абсолютного, Б - дифференци­ального давлений (напечатано с разрешения Motorola Inc) монтируется за один прием (не требуется дополнитель­ных зажимов) два входных порта имеют противопо­ложные направления два входных порта имеют практически одинаковое направление Рис. 10.8.Примеры корпусов дифференциальных датчиков давления. (Напечатано с разрешения Motorola Inc)   Для всех кремниевых датчиков характерна зависимость их характеристик от температуры. Коэффициент температурной чувствительности таких датчиков, определяемый выражением (10.15), обычно отрицательный, и для получения точ­ных результатов его необходимо компенсировать. В разделе 5.7.3 главы 5 описаны основные методы температурной компенсации мостовых схем. Без осуществле­ния температурной компенсации передаточная функция датчика будет выглядеть, как показано на рис. 10.9А. Рис. 10.9. Температурные характеристики пьезорезистивного датчика давления: А — передаточная функция при трех разных температурах, Б — приве­денная погрешность для трех значений компенсационных резисторов   На практике часто достаточно бывает простой температурной компенсации, выполняемой при помощи подключения к датчику последовательного или па­раллельного резистора. Подбирая соответствующее значение резистора, настра­ивают рабочий диапазон выходного напряжения датчика (рис. 10.9Б). Однако для осуществления более надежной температурной коррекции в широком диапазоне температур необходимо применение более сложных компенсационных цепей, в которых часто используются детекторы температуры. Альтернативой аппаратной коррекции температуры выступает программная. Для этого используется встро­енный детектор температуры, измеряющий температуру датчика давления. Дан­ные обоих датчиков поступают в процессорную систему, где проводится их соот­ветствующая цифровая корректировка. Емкостные датчики Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меня­ет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих харак­теристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оциф­ровки результатов измерений (см. раздел 5.5 главы 5). В то время как для диафрагм, Рис. 10.10. Отклонение центральной ча­сти планарной и гофрированной диаф­рагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений используемых в пьезорезитивных датчи­ках, необходимо обеспечивать макси­мальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных дат­чиках существенным является переме­щение их центральной части. Диафраг­мы в емкостных датчиках могут быть за­щищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для диф­ференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за не­больших перемещений такой способ за­щиты, к сожалению, работает недоста­точно эффективно, поэтому для них оп­ределяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает мак­симальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова­телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это осо­бенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески вы­сокого давления. Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, что­бы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда пе­ремещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улуч­шения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовлен­ных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и тол­щины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к суще­ственному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 10.10).

studopedya.ru

Пьезорезистивные датчики

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе F (5.1). Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включается по схеме моста Уинстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сотен милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.

Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину бR.

бR\R=п1б1+п2б2, (5.10)

где п1,п2- пьезорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направлениях, а б1,б2- напряжения в продольном и поперечном направлениях. Пьезорезистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для диффузионного резистора p-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис 5.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимационного соотношения(7):

п1=-п1=0,5п44 (5.11)

Изменение сопротивления пропорцинально приложенному механическому напряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагаются на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений резисторов также будут иметь разные знаки:

бR1/R1=бR2/R2=0,5п44(б1y-б1x) (5.12)

При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряжения возбуждения E, выходной сигнал будет равен выражению:

Vout=0,25Eп44(б1y-б1x) (5.13)

Взяв частные производные от vout можно найти чувствительность датчика к давлению ap и его температурный коэффициент br:

 

ap=dvout/E dp=п44d(б1y-б1x)/4dp (5.14)

 

br=dap/apdT= dп44/п44dT (5.15)

Поскольку коэффициент dп44/п44dT имеет отрицательное значение, температурная чувствительность также будет отрицательной, что означает, что при увеличении температуры чувствительность падает.

Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентрацией примесей, равной 3x1018 в одном кубическом сантиметре. Один из них (R1) параллелен, а другой (R2) перпендикулярен ориентации диафрагмы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие

 

компоненты схемы датчика: резисторы и p-n переходы, используемые в цепях компенсации

температуры, Располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагируют на давление, действующее на диафрагму.

 

 

Рис. 5.5 Схема некомпенсированного пьезорезистивного элемента датчика давления Motorola MPX

 

 

На рис. 5.5 показана схема еще одного монолитного микродатчика давления(Motorola). В этом датчике пьезорезистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной имплантации на кремниевой диафрагме. К выводам резистора 1 и 3 подводится напряжение возбуждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диафрагмы, которое в свою очередь, формирует в резисторе поперечное электрическое поле, снимаемое в виде напряжения с выводов 2 и 4. Такой тензодатчик является механическим аналогом датчика Холла. Использование одного тензоэлемента устраняет необходимость точного согласования 4 тензо- и температурно- чувствительных резисторов, формирующих мост Уинстона. Одновременно с этим здесь существенно упрощены дополнительные цепи, необходимые для проведения калибровки и температурной компенсации. Тем не менее схема одноэлементного тензодатчика является электрическим аналогом мостовой структуры. Балансировка этой схемы определяется не точным подбором резисторов, а тем, насколько хорошо отрегулировано расположение выходных выводов.

Для формирования тонкой диафрагмы площадью 1мм2, используются традиционные травильные реагенты. В качестве маскирующих слоев применяются SiO2, для формирования защитного слоя с нижней стороны подложки – SiN4. Скорость травления при 90 С составляет 1,7 мкм/мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30 мкм.

Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления кремния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллического кремния без применения промежуточных слоев. Этот способ дает возможность формирования микродатчиков( более чем в 8 раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменнтго типа), которые могут использоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских исследований. Такой микродатчик состоит из 2 частей: верхней и нижней подложек (рис. 5.6а). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0,5 мм, а требуемая длина диафрагмы – 250мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния p-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем n-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства – 140 мкм. Несмотря на то, что размеры датчика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразователя давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис.5.6б показано сравнение 2 диафрагм, полученным по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, полученное методом сплавления почти на 50% меньше.

 

 

Рис. 5.6 Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния:

Похожие статьи:

poznayka.org

Электронный датчик давления

просмотров 3 625 Google+

Применяемость электронных датчиков.

Электронный датчик давления, как и аналоговый датчик, служит для преобразования давления жидкости или газа в электрический сигал. На сайте рассматривались резисторные датчики давления, применяемые с аналоговыми приборами. Но с развитием электроники на автомобилях широко начали применяться электронные панели приборов, для роботы которых необходимы датчики с другим принципом действия и большей точности. Это  привело к разработке ионизационных, тензометрических, ёмкостных, резонансных, пьезорезистивных и ионецонных датчиков. Все эти датчики имеют свои преимущества и недостатки.

Tензометрические и пьезорезистивные датчики.

В автомобилях широко стали применяться тензометрические и пьезорезистивные. Главным преимуществом этих датчиков  является их низкая стоимость,  достаточная точность, хотя показания тензометрических датчиков и зависит от перепада температуры, но на автомобильном двигателе это большого значения не имеет.

Tензорезисторный датчик давления

Рассмотрим как устроен тензометрический электронный датчик давления. Его конструкция почти такая же, как и резисторного датчика старого образца. Корпус, поделён на две части мембранной, с одной стороны к которой подходит среда, давление которой замеряется. На другой стороне мембраны припаяна сапфировая подложка, на которой собственно и располагаются кремниевые или металлические тензорезисторы, сформированные в эпитаксиальной плёнке, соединённые в мостовую схему. Принцип работы такого датчика основан на разбалансировке моста при пригибании мембраны под воздействием измеряемой среды. Чем больше прогибается мембрана, тем вше степень разбалансирования моста. Кристаллы монокремня обладают большой упругостью, что способствует устойчивости показаний при любом давлении. Но тензорезисторы чувствительны к изменению температуры. Поэтому при разработке датчиков  приходится добавлять цепи термокомпенсации. Собственный выходной сигнал с датчика очень мал, примерно 100 мВ, поэтому в конструкции используется усилитель.

Пьезорезистивный датчик.

Последнее время большое распространение получают пьезорезистивный электронный датчик давления. Это обусловлено большей их стабильностью и высокой температурно-временной стабильностью по сравнению с тензометрическими датчиками. Выполнение пьезорезистивных датчиков возможно двух типов. Для работы в агрессивной и неагрессивной среде. Отличие  исполнения в передаче давления на чувствительный элемент. При работе  в неагрессивной среде воздействие производится непосредственно на чувствительный элемент, либо чувствительный элемент заливается силиконовым гелем, который передаёт воздействие давления. Для агрессивных сред используются датчики с мембраной из нержавеющей стали. Полость между мембраной и чувствительным элементом заполняют кремнийорганической жидкостью. Чувствительный элемент датчика представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами на диэлектрическом основании.

Пьезоризисторы, как и в тензорезисторном датчике давления соединены в мост Уинстона. Принцип  работы датчиков так же идентичен работе датчиков. Подключение в пьезоризисторном датчике так же возможно по аналогии с датчиком Холла. Это упрощает конструкцию, так как нет необходимости в согласовании элементов между собой. В этом случае при прогибании мембраны будет изменяться изменение напряжения. Давление прикладывается перпендикулярно напряжению и под его воздействием в резисторе образуется электрическое поле прямо пропорциональное приложенному давлению, значение которого  снимается.

 

«Если Вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста выделите это место мышкой и нажмите CTRL+ENTER»

 

admin 04/08/2015"Если статья была Вам полезна, поделитесь ссылкой на неё в соцсетях"

avtolektron.ru

Датчик давления — ТеплоВики - энциклопедия отопления

Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении

Датчики давления ТМ Danfoss

Датчик давления (преобразователь давления) — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

Класификация

Класификация по типу измеряемого давления

• Датчики абсолютного давления - предназначены для измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — вакуум. Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Например, барометр – частный случай датчика абсолютного давления;
• Датчики избыточного давления - предназначены для измерения величины избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление — атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.
• Датчики дифференциального давления - предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.
• Датчики гидростатического давления - предназначены для преобразования гидростатического давления контролируемой среды в сигнал постоянного тока. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости.
• Датчики вакууметрического давления (разрежение) - предназначены для измерения величины вакуумметрического давления жидких и газообразных сред. Опорное давление в этих датчиках также атмосферное. Однако, в отличие от датчиков избыточного давления, измеряемое давление меньше атмосферного, т.е. существует разрежение относительно атмосферы.
• Датчики избыточного давления-разрежения - представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

Класификация по конструктивному исполнению

• Наружные датчики давления;
• Встроенные датчики давления.

Класификация по принципу действия

• Датчики прямого действия - преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление;
• Составные датчики давления - включают несколько преобразователей энергии.

Класификация по принципу преобразования давления в электрический сигнал

• Тензорезистивный датчик давления;
• Пьезорезистивный датчик давления;
• Ёмкостной датчик давления;
• Резонансный датчик давления;
• Индуктивный датчик давления;
• Ионизационный датчик давления;
• Пьезоэлектрический датчик давления

.

Тензорезистивный датчик давления

Упрощенный вид тезорезистивный датчика давления

В настоящее время основная масса датчиков давления выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

Пьезорезистивный датчик давления

Пьезорезистивный датчик давления

Практически все производители датчиков проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Принцип действия сенсора для пьезорезистивного датчика давления, как следует из названия, основан на пьезорезистивном эффекте – изменении сопротивления при наложении механического давления. Резисторы размещают на мембрае таким образом, чтобы продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности были разных знаков, тогда и изменения сопротивлений резисторов будут противоположными. Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Ёмкостной датчик давления

Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма

Емкостный датчик давления представляет собой конденсатор, составленный из двух пластин, разделенных диэлектриком. Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный датчик давления

Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. Частным примером может служить кварцевый резонатор. При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают - наступает резонанс.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный датчик давления

Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

Ионизационный датчик давления

В основе работы датчика лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, - а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла. Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал

Достоинства Недостатки Тензометрический метод (КНС-преобразователи) Пьезорезистивный метод (на монокристаллическом кремнии) Емкостной метод Резонансный метод Индукционный метод Ионнизационный метод

Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство Низкая стоимость	Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Высокая стабильность характеристик Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты Высокая точность Низкая цена Возможность измерять давление различных агрессивных средств	Ограничение по температуре (до 150ºC)
Высокая точность Высокая стабильность характеристик Возможность измерять низкий вакуум Простота конструкции	Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов
Высокая стабильность характеристик Высокая точность измерения давления	При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения Высокая цена Длительное время отклика Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью Незначительное влияние температуры на точность измерения	Сильное влияние магнитного поля Чувствительность к вибрациям и ударам
Возможность измерение высокого вакуума Высокая точность Стабильность выходных параметров	Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления Высокая хрупкость Необходимо сочетать с другими датчиками давления

Выбор датчика давления

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам:

• для промышленности - надежность и стабильность характеристик;
• для лабораторных измерений и расходометрии – точность измерения давления и т.д.

Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

Отличие от манометра

В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.

Производители датчиков давления

Торговые марки производители датчиков давления

Литература

• Преображенский В. П Теплотехнические измерения и приборы. — Москва: Энергия, 1978. — 704 с.
• Г. М. Иванова, Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков Теплотехнические измерения и приборы. — Москва: МЭИ, 2005. — 460 с. — ISBN 5-7046-1046-3

Источники

ru.teplowiki.org

---

• 
  Размер субсидий на оплату коммунальных услуг в 2018 году
• 
  Подключение эл счетчика
• 
  Светодиодная лента в алюминиевом профиле
• 
  Температура в офисе по санитарным нормам
• 
  В чем измеряется ток напряжение и мощность
• 
  Расчет сопротивления по мощности
• 
  Когда включат тепло в московской области
• 
  Освещение мансардного этажа
• 
  Когда начнется в этом году отопительный сезон
• 
  Энергосбережения закон
• 
  Нрп расшифровка