Современные датчики давления

Реферат

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении. Датчик давления — это измерительное устройство, с изменяемыми физическими параметрами. Суть работы заключается в том, что параметры меняются в зависимости от давления среды (измеряться может давление пара или другого газа, а также жидкости).

Устройство преобразует давление в электрический или пневматический сигнал, а также в цифровой код. Помимо преобразования давления, данный вид датчика служит для измерения перепада давлений и разряжений.

В состав любого датчика давления входит:

  • первичный преобразователь давления с чувствительным элементом;
  • различные по конструкции корпусные детали;
  • схемы для повторной обработки сигнала.

В общих чертах, датчик давления необходим для замера давления в жидких и газообразных средах. Их применение в промышленности достаточно широко распространено. Машиностроение, энергетика, пищевая промышленность и химическое производство — ни одна из этих областей не может обойтись без этого устройства. Так как разновидностей датчиков давления достаточно много, для удобства все их разделяют на три вида по типу давления, которое они замеряют: датчики абсолютного давления (отсчет ведется от состояния вакуума), датчики относительного давления (отсчет начинается с атмосферного давления), датчики дифференциального давления (их задача определить разницу между замеряемыми давлениями.

Датчики абсолютного давления измеряют внешнее давление относительно вакуума (нулевого давления), который запечатывается в эталонную камеру при производстве датчика.

10 стр., 4636 слов

Датчики, используемые в современном автомобиле

... элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и ...

Датчики дифференциального давления измеряют разницу между давлениями, одновременно приложенными к противоположным сторонам диафрагмы.

Датчики шаблонного давления, это частный случай датчика дифференциального давления. В качестве одного из давлений, приложенных к диафрагме, берется атмосферное давление.

Устройство датчиков 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.

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и он находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например, датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении. В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-продимостью, формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p-проводимость.

Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других — уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которою входят эти резисторы. Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы — это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы. Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры. Тензодатчик, представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиночные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединённые по схеме моста или полумоста. Регистрирующая аппаратура называется тензостанция. До 1980-х годов она представляла собой комплекс самописцев, регистрирующих значения сигналов датчиков на бумаге. Развитие компьютерной техники и АЦП изменило облик этой аппаратуры. На настоящий момент стала возможна не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их компьютерный анализ в реальном времени и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции. Тензометрия широко используется для измерения веса.

6 стр., 2596 слов

Датчики силы и перемещения

... изменяются, что приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала Пьезорезонансные датчики силы В датчиках силы этого типа используются оба эффекта, свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой и обратный пьезоэффекты ... физических величин в промышленности: температура — 50%, расход (массовый и объемный) — 15%, давление — 10%, уровень — 5%, количество (масса, объем) — 5%, время — 4%, ...

Принцип действия датчиков давления, Оптические

Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок а, изменение толщины слоя — рисунок б.

Понятно, что при изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом. Более подробно об оптоэлектронных датчиках давления можно почитать. К достоинствам датчика этого типа можно отнести очень высокую точность.

Магнитные

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

Емкостные

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

Ртутные

Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.

Пьезоэлектрические

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент —материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект).

Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

Пьезорезонансные

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

В качестве примера, на рисунке приведен пьезорезонансный датчика абсолютного давления. Он выполнен в виде герметичной камеры 1. Герметичность достигается соединением корпуса 2, основания 6 и мембраны 10, которая крепится к корпусу с помощью электронно-лучевой сварки. На основании 6 закреплены два держателя: 4 и 9. Держатель 4 крепится к основанию с помощью специально перемычки 3 и он держит силочувствительный резонатор 5. Держатель 9, установлен для крепления опорного пьезорезонатора 8.

Мембрана 10 передает усилие через втулку 13 на шарик 6, закрепленный в держателе 4. Шарик 4 передает силу давления на силочувствительный резонатор 5.

Провода 7 крепятся на основании 6 и служат для соединения резонаторов 5 и 8 с генераторами 17 и 16 Выходной сигнал абсолютного давления формируется схемой 15 из разности частот генераторов. Датчик давления помещен в активный термостат 18 с постоянной температурой 40 градусов Цельсия. Измеряемое давление подается через штуцер 12.

Резистивные

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закреплеые на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи. Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе измерения деформации тензорезисторов, припаянных к титановой мембране, которая деформируется под действием давления. Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Достоинства и недостатки, Таблица 1

Достоинства Недостатки
КНС-преобразователи
1. Высокая степень защиты от агрессивной среды 1. Неустранимая нестабильность

градуировачной характеристики

2. Высокий предел рабочей температуры 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры
3. Налажено серийное производство 3. Низкая устойчивость при

воздействии ударных нагрузок и

вибраций

4. Низкая стоимость
Преобразователи на монокристаллическом кремнии
1. Высокая стабильность характеристик Ограничение по температуре (до

150 C)

2. Устойчивость к ударным нагрузкам и

вибрациям

3. Низкие (практически отсутствуют)

гистерезисные эффекты

4. Высокая точность
5. Низкая цена
6. Возможность измерять давление

различных агрессивных средств

Емкостной
1. Высокая точность 1. Зачастую, нелинейная зависимость

емкости от приложенного давления

2. Высокая стабильность характеристик
3. Возможность измерять низкий вакуум
5. Стойкость к перегрузкам
4. Простота конструкции
Резонансный
1. Высокая стабильность характеристик 1. При измерении давления

агрессивных сред необходимо

защитить чувствительный элемент,

что приводит к потере точности

измерения

2. Высокая точность измерения давления 2. Высокая цена
3. Длительное время отклика
4. Индивидуальная характеристика

преобразования давления в в

электрический сигнал

Индукционный
1. Возможность измерять дифференциальные давления с высокой

точностью

1. Сильное влияние магнитного поля
2. Незначительное влияние температуры на точность измерения 2. Чувствительность к вибрациям и

ударам

Ионнизационный
1. Возможность измерение высокого

вакуума