Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразова-
телей давления основан на явлении тензоэффекта, рассмотренном
в гл. 2. На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преоб-
разователи давления (в переводной литературе их иногда называют
пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) являются
самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую
и (или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой раз-
мещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием
внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисто-
ров, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного
моста. При этом одна пара тензорезисторов, включенных в противопо-
ложные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а
другая — отрицательную. Их сопротивления при подаче давления со-
ответственно увеличиваются и уменьшаются на величину AR. При от-
сутствии давления все четыре сопротивления равны по величине и мост
сбалансирован. При подаче давления баланс (равновесие) моста на-
рушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот
токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.
Как уже было отмечено в гл. 2, тензорезисторы выполняются как
из металлов (проволочные, фольговые), так и из полупроводников.
Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в
десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная
технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одно-
временно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обра-
ботки, то в последние годы получили преимущественное развитие
интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные
элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя спо-
собами: 1) по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на сап-
фире» (КНС), в соответствии с которой тонкая пленка кремния
выращивается на подложке из сапфира, припаянной твердым при-
поем к титановой мембране (рис. 5.6, а); 2) по технологии диффузи-
онных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой под-
ложки р-и-переходами — технология «кремний на кремнии» (КНК).
В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния раз-
мещается на диэлектрическом основании с использованием легко-
плавкого стекла или методом анодного сращивания (рис. 5.6, б).
Особенно широкое применение в изготовлении общепромышлен-
ных измерительных преобразователей давления в настоящее время
получила технология КНС. К ее преимуществам можно отнести хо-
рошую защищенность чувствительного элемента от воздействия
любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низ-
кую стоимость. Однако структура КНС имеет и недостатки: времен-
ную нестабильность градуировочной характеристики и существенную
погрешность гистерезиса от давления и температуры. Это обуслов-
лено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с
конструктивными элементами датчика. Измерительные преобразо-
ватели давления, выполненные на основе структуры КНК, имеют
большую временную и температурную стабильность по сравнению с
преобразователями на основе КНС-структур.
Наибольшую погрешность в результат измерения давления с
помощью тензорезисторных измерительных преобразователей
вносит изменение температуры. Для ее уменьшения в связи с ши-
роким применением в последнее время интеллектуальных преоб-
разователей, как правило, используется автоматическое введение
поправок на температуру. При этом первичный преобразователь
(тензорезисторный чувствительный элемент) подвергается пред-
варительной градуировке при различных значениях температуры.
Эти градуировочные данные вводятся в память микропроцессора
интеллектуального преобразователя. При эксплуатации преобра-
зователя измеряются температура и выходной ток датчика, и путем
аппроксимации градуировочных данных вычисляется измеряемое
давление.
Емкостные преобразователи
В емкостном измерительном преобразователе давления измеряе-
мое давление воспринимается металлической мембраной, являющей-
ся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод
изолируется от корпуса с помощью изолятора. Зависимость емкости С
конденсатора от перемещения δ мембраны, которое, в свою очередь,
зависит от давления, имеет вид
где ε0 — электрическая постоянная; ε — диэлектрическая проницае-
мость среды, заполняющей межэлектродный зазор; S — площадь
электродов; δ0 — расстояние между электродами при давлении, рав-
ном нулю.
В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях
давления (рис. 5.7) чувствительный элемент состоит из двух соеди-
ненных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение
положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной об-
кладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей
конденсаторов.
Емкостные преобразователи давления применяют для измерения
быстро изменяющегося давления с верхним пределом до 120 МПа.
Резонансные преобразователи
Резонансный принцип используется в датчиках давления на осно-
ве вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках,
резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые
процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет вы-
сокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики
прибора.
Частным примером может служить резонансный измерительный
преобразователь давления с кремниевым механическим резонато-
ром — разработка фирмы Yokogawa (ОРНагр-тсхнопотмя). Крем-
ниевый резонатор (рис. 5.8) представляет собой параллелепипед
плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегриро-
ванный в плоскость кремниевой мембраны. Резонатор возбуждается
сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В за-
висимости от знака приложенного давления резонатор растягивается
или сжимается, в результате чего частота его собственных механиче-
ских колебаний растет или уменьшается соответственно. Колебания
механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразу-
ются в колебания электрического контура, и в итоге на выходе чув-
ствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал,
пропорциональный величине измеряемого давления.
Кроме кремниевых резонансных чувствительных элементов суще-
ствуют кварцевые резонансные чувствительные элементы, принцип
действия которых аналогичен принципу действия кремниевых
Преимуществами резонансных датчиков являются высокая точ-
ность и стабильность характеристик, которые зависят от качества
используемого материала. К недостаткам можно отнести: индивиду-
альную характеристику преобразования давления, значительное
время отклика, невозможность проведения измерений в агрессивных
средах без потери точности показаний прибора.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 323.
