МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФГБОУ ВО «ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет физики и информационно-коммуникационных технологий
Кафедра «Физическая электроника
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: “ Датчики давления: физические основы работы, конструктивно-технологические особенности”
Выполнил:
Альбекхаджиев Аюб Абуевич
группа: 5 «Д»
отделение: ОЗО
Руководитель:
Наскалова Олеся Викторовна
Грозный 2019г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................................... 3
Глава 1. Датчик давления............................................................................. 4
1.1 Классификация датчиков давления...................................................... 4
1.2 Виды датчиков давления. Конструкция и принцип их работы............ 5
1.2.1 Кремниевые датчики........................................................................ 5
1.2.2 Датчики давления на основе двухслойной
металлической пленки...................................................................... 7
1.2.3 Электронный барометр.................................................................. 10
Глава 2. Общая характеристика датчика давления.................................... 15
2.1 Емкостный датчик............................................................................... 15
2.2 Пьезоэлектрический датчик................................................................ 15
2.3 Тензорезистивный датчик................................................................... 16
2.4 Датчики уровня жидкости.................................................................. 17
Глава 3. Методы преобразования давления............................................... 22
3.1 Тензометрический метод.................................................................... 22
3.2 Пьезорезистивный метод.................................................................... 24
3.3 Емкостный метод................................................................................ 25
3.4 Резонансный метод............................................................................. 26
Заключение................................................................................................. 28
Список литературы.................................................................................... 29
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие электроники и вычислительной техники позволило осуществить широкую автоматизацию различных процессов в промышленности, сфере научных исследований, в повседневной жизни. Реализация этой автоматизации в значительной степени определяется возможностью устройств получать информацию об определенном параметре или процессе, которые называются датчиками. Применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов измерительных систем.
В нынешних условиях приоритетного развития таких отраслей промышленности, как электроника, машиностроение, ракетостроение, самолетостроение, автомобилестроение невозможно обойтись без использования надежных систем управления, контроля и диагностики. Основным элементом подобных систем является первичный преобразователь неэлектрических величин (датчик). Датчики реагируют на внешние раздражители, в частности температуру, давление, свет, звук, электрический ток, магнетизм, радиацию, волновое излучение, ускорение, перемещение и т.д., превращая их в электрические сигналы.
Технология изготовления датчиков схожа с известными способами изготовления полупроводниковых интегральных схем: кремниевая, тонкопленочная и толстоплёночная технологии. Следует отметить, что все три вида технологий позволяют изготавливать датчики с высокой стабильностью, допускают миниатюризации, высокую рентабельность производства при малых затратах, а в последних двух случаях и широкий температурный интервал функционирования датчиков.
Цель данной работы заключается в ознакомлении с конструкциями различных датчиков давления, определение перспектив их развития в будущем
ГЛАВА 1. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
1.1 Классификация датчиков давления
На практике бывают случаи, когда измеряемую величину нельзя сразу превратить в электрическую. В этих случаях применяются датчики с двукратным преобразованием. Элемент датчика, который осуществляет первое превращение, называется чувствительным элементом.
Примером датчика с двукратным преобразованием может быть датчик давления, который превращает давление жидкости или газа в электрическую величину. Чувствительный элемент такого датчика преобразует давление среды в движение, которое измеряется датчиком перемещения. В качестве чувствительных элементов часто используются мембраны и сильфоны.
Устройство датчика мембранного типа показан на рис. 1.1, а.
Рис. 1.1. Датчики давления: а - мембранный; б - сильфонный для газов; в - сильфонный для жидкостей
На конце трубопровода крепится тонкая пластина. Эта пластина и называется мембраной. Под действием давления жидкости или газа центр мембраны прогибается и перемещает рычаг потенциометра, при перемещении которого меняется выходное сопротивление датчика.
Датчик сильфонного типа является тонкостенной гофрированной трубкой из упругого материала, один конец которой жестко соединен с рычагом потенциометра (рис. 1.1, б). Под действием давления газа сильфон растягивается, что приводит к перемещению рычага потенциометра.
Применяется также и другая конструкция сильфонного датчика (рис. 1.1, в), представляющая собой полый сосуд, внутрь которой встроен сильфон. Жидкость под давлением Р поступает в полость сосуда, вследствие чего сильфон, сжимаясь, перемещает рычаг потенциометра.
Давления жидкости в данном сильфоне определяется по формуле:
ScP = m + Dtp + kcl,
где m - масса жидкости в сильфоне;
l - перемещение движка потенциометра;
DТР - коэффициент вязкого трения;
kc - коэффициент упругости сильфона;
Sc - площадь сильфона.
1.2 Виды датчиков давления. Конструкция и принцип их работы
1.2.1 Кремниевые датчики
Датчики давления относят к наиболее распространенным в технике. Наиболее дешевым и относительно простым в конструкции является кремниевый датчик. Его изготавливают из пластины кремния, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране формируются резистивные элементы и соединения. Под давлением мембрана прогибается, что обусловливает деформацию резистора через отверстие в корпусе датчика давления и, как следствие этого, изменение электрического сопротивления (так называемый тензоэффект). Конструкционно толщина мембраны, геометрическая форма и количество резисторов определяются интервалом допустимых давлений. Измерительная схема датчика давления представляет собой мост из четырех однотипных резисторов (рис. 1.2, а).
Резисторы R1 - R4 соединяются так, что при деформации мембраны величины R1 и R3 увеличиваются, а R2 и R4 - уменьшаются. [2].
Рис.1.2. Измерительный мост из четырех резисторов, которые составляют датчик давления (а) и рабочая характеристика кремниевого датчика при двух температурах (б)
Это позволяет достичь высокой чувствительности измерительного моста. Выходное напряжение вычисляется по соотношению:
UB = U0 ,
где UB - выходное напряжение;
U0 - входное напряжение.
Зависимость UВ от давления Р имеет линейный характер, угловой коэффициент которой зависит от температуры измерения (1.2, б). Поскольку выходной сигнал довольно слабый (~ 10–1 В), то применяется операционный усилитель, который дает UВ ~ 1 В. Для измерения с повышенной точностью необходимо дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков. Применяются два метода компенсации: пассивная – с помощью резистора и датчика температуры, которые включаются во входной участок моста (датчик температуры - параллельно мосту), и активная - с помощью операционного усилителя, который полностью устраняет температурную погрешность.
Кремниевые датчики давления характеризуются преимуществами, такими как: высокая чувствительность; линейность шкалы; незначительный гистерезис; малое время срабатывания; компактная конструкция и экономическая планарная технология изготовления.
Недостаток, обусловленный повышенной температурной чувствительностью, можно в большинстве случаев компенсировать.
Кремниевые датчики давления применяются в стиральных машинах, аппаратах измерения кровяного давления, в автомобилях (регулирование зажигания, измерение давления при сгорании топлива, давления масла и сжатого воздуха в тормозной системе и др.).
Датчики давления, которые выпускают самые известные фирмы (Motorola, Honeywell, Volvo, Siemens и др.), позволяют перекрывать интервал давлений 0-10*105Па и температур -40 - + 125 ° С, а также работать в вакууме и различных газовых средах.
1.2.2 Датчики давления на основе двухслойной металлической пленки
Принцип работы датчика давления в полной мере определяется материалом рабочего элемента. В случае, когда используется тонкопленочный металлический резистор, его чувствительность к давлению связана с тензоэффектом. При протекании электрического тока через пленочный резистор электроны проводимости рассеиваются на фононах, границам зерен, внешних поверхностях пленки, дефектах кристаллического строения. Если резистор изготовлен в виде многослойной системы, то возникает новый механизм рассеивания на границе раздела отдельных слоев.
При деформации резистора (речь идет о деформации ~ 1%) изменение сопротивления будет происходить в результате изменения параметров: средней длины свободного пробега электронов (λ0), коэффициента прохождения электроном границы зерна (r), зеркальности поверхности (р) и прохождения границы раздела отдельных слоев (Q), возможно также некоторое изменение сопротивления в результате перераспределения и генерации новых дефектов кристаллического строения.
Таким образом, формулу для общего изменения сопротивления можно записать так:
∆R=∆Rλ0 + ∆Rr+ ∆RP+ ∆RQ+ ∆RД,
где различные составляющие дают разный по величине и даже по знаку вклад в изменение ΔR.
Рис. 1.3. Датчик давления на основе пленочной системы Cu / Ni:
1-контактная площадка Сu (электролитическое осаждение)/Сu (термическое осаждение)/Сr; 2-пленка Cr; 3- пленка Ni; 4 - пленка Сu; 5-контакт;
6- уплотнитель
Рассмотрим конструкцию пленочного датчика. Рабочей частью датчика является тонкая (0,5 - 1 мм) тефлоновая или фторопластовая мембрана, на поверхность которой термовакуумной конденсацией наносится чувствительный резистор в виде двухслойной системы Cu/Cr или (Cu/Ni)/Cr (слой Сr используется в основном для улучшения адгезии слоя Сu или Ni контактных площадок). Двухслойный резистор Cu/Ni (рис.1.3) более чувствителен к деформации, чем однослойный Сu. Материал мембраны выбирается из тех соображений, что и тефлон, и фторопласт имеют хорошие вакуумные свойства и низкую остаточную деформацию. Электрические контакты присоединяются к контактным площадкам с помощью микропайки.
Рабочая характеристика датчика давления на основе пленки Cr приведена на рис. 1.4. Где видно, что рабочая характеристика имеет два участка. На первом она немонотонная, а на втором имеет линейный характер.
Рис. 1.4. Рабочая характеристика датчика давления на основе пленки хрома [1]: Р - давление остаточной атмосферы в вакуумной камере; RП - начальное сопротивление; 1-немонотонная; 2-имеет линейный характер
Описанный датчик можно использовать и при Р> 105 Па (до 1,5 * 105 Па). В этом случае зависимость ΔR / RП также растет, что полностью согласуется с представлением о тензоэффекте.
Металлические резисторы, как и кремниевые, имеют достаточно высокую чувствительность, надежность и стабильность метрологических характеристик.
Недостатками же описанной конструкции датчика давления является то, что данная конструкция датчика не имеет защиты резистивного элемента, поэтому ресурс его работы незначительный (несколько дней) из-за процесса старения; гистерезис показателей; достаточно плохая воспроизводимость результатов.
Преимуществом данного датчика перед кремниевыми является простота технологии изготовления, кроме того, они не так чувствительны к температурным изменениям и химически активным средам.
1.2.3 Электронный барометр
Существуют интересные варианты применения датчиков давления. К их числу относится измерения атмосферного давления или высоты.
Описанный ниже барометрический прибор пригоден для точного измерения давления атмосферного воздуха, который на уровне моря равен 1013 мбар. С увеличением высоты (например, в горах) или при переменном состоянии погоды, давление воздуха сильно меняется. На высоте 10 км, например, давление воздуха падает до 264 мбар, а на 20 км - до 55 мбар. Изменение давления воздуха в зависимости от высоты (относительно уровня моря) описывается барометрическим уравнением высоты:
РL = Р0exp(-h/H) или h = Hln(P0/PL),
где РL - давление воздуха на высоте h;
Р0 - давление воздуха на уровне моря (1013 мбар)
H - константа.
Зависимость давления воздуха от высоты иллюстрируется данными табл. 1.1.
Таблица 1.1 [4] Зависимость давления воздуха от высоты
|
Высота, h, м |
Давление, РLмм. рт. ст. |
Давление, РLмбар |
|
0 |
760 |
1013 |
|
100 |
751 |
1001 |
|
200 |
742 |
989 |
|
300 |
733 |
977 |
|
400 |
724 |
966 |
|
500 |
716 |
955 |
|
600 |
707 |
943 |
|
700 |
699 |
932 |
|
800 |
691 |
921 |
|
900 |
683 |
910 |
|
1000 |
675 |
899 |
При подъеме от 0 до 500 м давление воздуха снижается примерно на 58 мбар. В среднем получается 0,12 мбар / м. В зависимости от погодных условий давление воздуха колеблется в диапазоне от ≈ 980 мбар (низкое) до ≈ 1025 мбар (высокое), то есть, перепад давления соответствует перепаду высоты около 500 м.
Принципиальная схема электронного барометра изображена на рис. 1.5. Датчик давления (например, KPY 10 фирмы Siemens) питается стабилизированным напряжением 15 В.
Рис 1.5. Электронная схема барометра с датчиком давления KPY 10. Стабилизированное напряжение питания 15 В. ОП - операционный усилитель
Выходное напряжение составляет при этом 0 ... 300 мВ для диапазона давлений 0 ... 2 бар. Диапазон измерения давления атмосферного воздуха составляет 50 мбар (± 25 мбар), следовательно, выходное напряжение должно быть усилено в 50 раз. Для этого можно применить дифференциальный усилитель (например, LM363).
При нормальном атмосферном давлении на вход усилителя подается напряжение ΔU = 150 мВ, которое повышается операционным усилителем ОР1 к ≈ 7,5 В. Вторым операционным усилителем (например, LM358) с помощью потенциометра Р1 напряжение сигнала приходится до 10 В. Сопротивление R2 и Р1 равны 1 МОм, а сопротивление R1 равно 100 кОм.
Установка нуля осуществляется делителем напряжения R3 = R4 = 20 кОм и Р2 = 10 кОм.
Точная установка (калибровки) выходного сигнала UА осуществляется на испытательном стенде, показанном на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Устройство для калибровки датчиков давления
С помощью U-образной манометрической трубки, заполненной водой, можно создать колебания давления ± 25 мбар, необходимые для регулировки чувствительности датчика давления.
Поскольку нормальное давление 1013 мбар соответствует водяному столбу 10,34 м, колебания давления ± 25 мбар соответствует изменению водяного столба ± 25,5 см. U-образный манометр состоит из двух стеклянных трубок длиной около 1 м, соединенных между собой резиновым шлангом и наполовину заполненных водой (при возможности - дистиллированной). Если давление на входе и выходе одинаковое, то и уровень воды в обеих трубках будет на одинаковой высоте. В этом состоянии выход манометра соединяют с датчиком давления резиновым шлангом и отмечают выходное напряжение UА1.
Нагнетая воздух во вход манометра, смещают уровень воды на 25,5 см. Это второе выходное напряжение UА2 также отмечают. Разница∆UА = UА1–UА2 после калибровки должна составлять 250 мВ. Если величина ∆UА очень мала, то нужно увеличить усиление с помощью настроечных потенциометра Р1. Указанная процедура повторяется до тех пор, пока не получится ∆UА = 250 мВ. Затем устанавливают нулевую точку. Для этого в местной метеорологической службы приглашают давление воздуха в данный момент. С помощью настроечных потенциометра Р2 устанавливается, например, выходной сигнал UA = 10,05 В, соответствующий измеренному в данный момент давления 1005 мбар.
После такой процедуры калибровки на выходе схемы получается значение давления воздуха в данный момент. В этом случае изменении выходного напряжения на 10 мВ соответствует изменение давления воздуха на 1 мбар.
Если ожидаются довольно большие изменения температуры (например, ΔТ ≥ 20 ° С), то с помощью соответствующей схемы следует еще дополнительно компенсировать смещение нуля и изменение чувствительности.
ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
2.1 Емкостный датчик
Датчик давления можно построить, если между пластинами конденсатора установить пружины, а на верхнюю пластину подать силовую нагрузку. Тогда, чем больше приложена сила, тем больше будут сжаты пластины, тем меньше будет расстояние между ними, тем больше емкость. Но, поскольку такие датчики зависят от факторов внешней среды, то использование этого принципа требует значительных конструктивных усилий.
Емкостные датчики довольно часто применяются как бесконтактные кнопки. Конструкция датчика силы с кнопкой показана на рис. 2.1.
Рис.2.1. Конструкция датчика силы
При нажатии на кнопку расстояние между ведущей силиконовой прокладкой и электродами меняется. Поэтому меняется и емкость между обкладками электродов на печатной плате. Микросхема контроллера превращает емкость датчика в напряжение, а затем в цифровой код. Такие датчики используются в клавиатурах компьютеров, пультах мобильных телефонов, видеокамер.
Для измерения давления используется гибкая пластина конденсатора. Если на эту гибкую пластину идет давление, она приближается к другой статичной пластине конденсатора, поэтому емкость конденсатора изменяется в зависимости от давления. На рис.2.2 изображена такая конструкция датчика давления.
Рис.2.2. Конденсаторный датчик давления.
2.2 Пьезоэлектрический датчик
Действие этого датчика основано на использовании пьезоэлектрического эффекта, при котором при сжатии кристалла на его гранях появляются электрические заряды. Такой датчик не требует внешнего возбуждения. Схема датчика показана на рис.2.3.
Рис.2.3. Пьезоэлектрический датчик давления
Под воздействием давления диафрагма нажимает на кристалл и на нем появляется напряжение, пропорциональное давлению. Эти датчики целесообразно применять, если измеряемое давление быстро меняется. Главное качество этих датчиков - высокие динамические характеристики (частоты до десятков МГц). Реальная конструкция такого датчика показан на рис.2.4.
Рис.2.4. Конструкция пьезоэлектрического датчика давления:
Р - измеряемое давление, 1 - пьезопластины, 2 - гайка с диэлектриком, 3 - электрический вывод, 4 - корпус, который является вторым выводом, 5 - изолятор, 6 - металлический электрод.
2.3 Тензорезистивный датчик
Тензорезистивный эффект - изменение электрического сопротивления резистора под влиянием растяжения или сжатия. Сопротивление любого проволоки зависит от его длины и среза в соответствии с формулой:
R = rL/S,
где r - удельное сопротивление;
L- длина проводника;
S - площадь поперечного сечения проводника
Датчик представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление. Для увеличения влияния давления проводник вкладывают в виде многих витков на непроводящей основе, как это показано на рис.2.5.
Рис.2.5. Конструкция тензорезистивного датчика
Для увеличения чувствительности тензорезистивного датчик устанавливают, как элемент моста, диагональ которого подключается к входам операционного усилителя, как это показано на рис.2.6.
Рис.2.6. Схема использования тензорезистивного датчика [20]
Изменение сопротивления тензорезистивного датчика R1 приводит к изменению напряжения в диагонали моста, которая подключена к противофазным входам операционного усилителя А1. Поэтому на выходе операционного усилителя напряжение V0 является усиленным сигналом увеличения или уменьшения сигнала тензорезистивного датчика.
Фирма Tekscan Technology производит тензодатчики в виде тонких пленок, которые можно разместить между любыми поверхностями. Сопротивление пленки максимально при отсутствии давления и уменьшается при росте давления. Если от пленки сделать несколько отводов, то можно измерять профили давления. Фирма производит также матрицы датчиков, которые позволяют исследовать двухмерные профили давления. На рис.2.7. показана схема такого датчика и интерфейсные устройства к ней. Такие датчики используются, например, для измерения давления в медицинских устройствах (протезах и т.д.).
В качестве тензорезисторов могут использоваться полупроводниковые материалы, но они имеют высокую температурную зависимость. Если в микросхеме сделать термокомпенсацию, то датчики такого типа могут работать как сканеры давления с большим количеством точек измерения и с большой скорость опроса.
Рис.2.7. Матрица датчиков для двухмерного измерения давления.
2.4 Датчики уровня жидкости
Жидкие материалы (топливо, масло, вода и т.д.) обычно хранятся в металлических емкостях. Сколько жидкости осталось в этой емкости нужно знать все время. В давние времена делали стеклянные окна, через которые можно было видеть уровень. Но эти окна разбивались, засорялись, это было самое слабое место во всей конструкции. Использовались также поплавки, расстояние до которых контролировалась. Современные средства позволяют более надежно определять уровень жидкости. Использование датчика давления показано на рис.2.8.
Рис.2.8. Датчик давления в качестве датчика уровня жидкости.
В донной части контейнера делают порт для подключения датчика давления. Понятно, что чем выше уровень жидкости, тем больше давление в донной части контейнера. Конечно, это давление надо рассчитывать в зависимости от удельной плотности жидкости.
Емкостной датчик давления показан на рис.2.9.
В жидкость устанавливается вертикальный конденсатор, длина которого равна высоте контейнера. Часть конденсатора находится в воздухе, диэлектрическая постоянная которого e = 1, а часть - в жидкости с большей диэлектрической постоянной e. Чем выше уровень жидкости, тем больше емкость конденсатора. Масла имеют диэлектрическую постоянную между 1,8 и 5, глицерин - 37, а водные растворы различных веществ - от 50 до 80. В качестве второй обкладки конденсатора можно использовать стенку контейнера. Если жидкость электропроводящая, то пластины конденсатора надо покрыть изоляционной пленкой.
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ
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 показаны на рис.3.1. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостный, индуктивный, резонансный.
Рис.3.1. Блок-схема преобразователя давления в электрический сигналю
3.1 Тензометрический метод
В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются с учетом чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальных пленках кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране.
Принцип действия тензопреобразователя основан на явлении тензоеффекта 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 от приложенного давления.
Рис.3.2. Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента
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.
3.2 Пьезорезистивный метод
Практически все производители датчиков проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильность по сравнению с приборами на основе КНС структур.
Кремниевый интегральный преобразователь давления представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уитстона рис.3.3. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.
Рис.3.3. Кремниевый интегральный преобразователь давления
Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются решения, основанные на использовании чувствительных элементов, без защиты, либо с защитой силиконовым гелем рис.3.4.
Рис.3.4. Решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия [23]
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости рис. 3.5.
Рис.3.5. Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны
Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков более высокая стабильность характеристик по сравнению с КНС преобразователями. ВПС на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается в исходное состояние, что объясняется использованием идеально-упругого материала.
3.3 Емкостный метод
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 рис. 3.6
Рис.3.6. Емкостный преобразователь давления
В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма. Преимуществом 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.
3.4 Резонансный метод
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 рис.3.7. При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему. 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.
Рис.3.7. Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце.
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, невозможностью проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполнив данную курсовую работу можно сформулировать ее результаты в виде следующих обобщающих выводов:
- Рассмотрели кремниевые датчики. Они являются наиболее дешевыми и относительно простыми в конструкции. Характеризуются следующими преимуществами, как высокая чувствительность, линейность шкалы, незначительный гистерезис, компактная конструкция и экономическая планарная технология изготовления, малое время срабатывания, а недостаток, обусловленный повышенной температурной чувствительностью, можно в большинстве случаев компенсировать.
- Преимуществом датчиков на основе тонких пленок перед емкостными является простота технологий изготовления, термическая стабильность, и их химическая стойкость к активным средам. К недостаткам относится то, что данная конструкция датчиков не имеет защиты резистивного элемента, (поэтому ресурс их работы из-за процессов старения всего несколько дней), гистерезис показателей, плохая воспроизводимость результатов.
Полный список литературы доступен в полной версии работы
Скачать: