Elektriskie spiediena sensori

Mūsdienās spiediena mērīšanai dažādās rūpniecības jomās tiek izmantoti ne tikai dzīvsudraba barometri un aneroīdi, bet arī dažādi sensori, kas atšķiras gan pēc darbības principa, gan ar priekšrocībām un trūkumiem, kas piemīt katram šādu sensoru veidam. Mūsdienu elektronika ļauj ieviest spiediena sensorus tieši uz elektriskā, elektroniskā pamata.

Tātad, ko mēs saprotam ar terminu "elektriskais spiediena sensors"? Kas ir elektriskie spiediena sensori? Kā tie ir sakārtoti un kādas funkcijas tiem ir? Visbeidzot, kuru spiediena sensoru izvēlēties, lai tas būtu vispiemērotākais konkrētam mērķim? Mēs to uzzināsim šī raksta gaitā.

Pirmkārt, definēsim pašu terminu. Spiediena sensors ir ierīce, kuras izejas parametri ir atkarīgi no izmērītā spiediena. Testa vide var būt tvaiki, šķidrums vai gāze atkarībā no konkrēta sensora pielietojuma.

Mūsdienu sistēmām ir nepieciešami šāda veida precīzijas instrumenti kā svarīgas elektroenerģijas, naftas, gāzes, pārtikas un daudzu citu nozaru automatizācijas sistēmu sastāvdaļas.Miniatūrie spiediena devēji ir ļoti svarīgi medicīnā.

Katrs elektriskā spiediena sensors ietver: jutīgu elementu, kas kalpo trieciena pārnešanai uz primāro devēju, signāla apstrādes ķēdi un korpusu. Galvenokārt elektriskos spiediena sensorus iedala:

• Rezistīvs (tensorezīvs);

• pjezoelektrisks;

• Pjezo rezonanse;

• kapacitatīvs;

• Induktīvs (magnētisks);

• Optoelektronika.

Pretestības jeb deformācijas spiediena sensors Šī ir ierīce, kuras jutīgais elements deformējošas slodzes ietekmē maina savu elektrisko pretestību. Tenzijas mērītāji ir uzstādīti uz jutīgas membrānas, kas saliecas zem spiediena un saliec tai piestiprinātos tenzometrus. Izmainās deformācijas mērītāju pretestība un attiecīgi mainās strāvas stiprums pārveidotāja primārajā ķēdē.

Katra deformācijas mērītāja vadošo elementu izstiepšana izraisa garuma palielināšanos un šķērsgriezuma samazināšanos, kā rezultātā palielinās pretestība. Kompresijā ir otrādi. Relatīvās pretestības izmaiņas mēra tūkstošdaļās, tāpēc signālu apstrādes ķēdēs tiek izmantoti precīzie pastiprinātāji ar ADC. Tādējādi celms tiek pārveidots par pusvadītāja vai vadītāja elektriskās pretestības izmaiņām un pēc tam par sprieguma signālu.

Sprieguma mērītāji parasti ir zigzaga vadošs vai pusvadītāju elements, kas tiek uzklāts uz elastīgas pamatnes, kas pielīp pie membrānas. Pamatne parasti ir izgatavota no vizlas, papīra vai polimēra plēves, un vadošais elements ir folija, plāna stieple vai pusvadītājs, kas vakuumā izsmidzināts uz metāla.Deformācijas mērītāja jutīgā elementa pievienošana mērīšanas ķēdei tiek veikta, izmantojot kontaktu paliktņus vai vadus. Pašu tenzometru laukums parasti ir no 2 līdz 10 kv.mm.

Slodzes šūnu sensori lieliski piemērots spiediena līmeņu, spiedes stiprības un svara mērīšanai.

Nākamais elektriskā spiediena sensora veids ir pjezoelektrisks... Šeit pjezoelektriskais elements darbojas kā jutīgs elements.Pjezoelektriskais elements, kura pamatā ir pjezoelektriskais elements, deformējoties rada elektrisku signālu, tas ir tā sauktais tiešais pjezoelektriskais efekts. Pjezoelektrisko elementu ievieto izmērītajā vidē, un tad strāva devēja ķēdē būs proporcionāla spiediena izmaiņām šajā vidē.

Tā kā pjezoelektriskā efekta parādīšanās prasa precīzas spiediena izmaiņas, nevis pastāvīgu spiedienu, šāda veida spiediena devēji ir piemēroti tikai dinamiskai spiediena mērīšanai. Ja spiediens ir nemainīgs, tad pjezoelektriskā elementa deformācijas process nenotiks un strāva netiks radīta ar pjezoelektrisko palīdzību.

Pjezoelektriskos spiediena sensorus izmanto, piemēram, ūdens, tvaika, gāzes un citu viendabīgu vielu virpuļskaitītāju primārajos plūsmas devējos. Šādi sensori tiek uzstādīti pa pāriem cauruļvadā ar nominālo atvērumu desmitiem līdz simtiem milimetru aiz plūsmas korpusa un tādējādi reģistrē virpuļus, kuru biežums un skaits ir proporcionāls tilpuma plūsmas ātrumam un plūsmas ātrumam.

Apsveriet tālākus pjezorezonanses spiediena sensorus... Pjezorezonanses spiediena sensoros darbojas apgrieztais pjezoelektriskais efekts, kurā pjezoelektriskais tiek deformēts pieliktā sprieguma iedarbībā, un jo lielāks spriegums, jo spēcīgāka ir deformācija. Sensors ir balstīts uz rezonatoru pjezoelektriskās plāksnes formā, kura abās pusēs ir piestiprināti elektrodi.

Kad elektrodiem tiek pielikts maiņspriegums, plāksnes materiāls vibrē, liecoties vienā vai otrā virzienā, un vibrāciju frekvence ir vienāda ar pielietotā sprieguma frekvenci. Taču, ja tagad plāksne tiek deformēta, pieliekot tai ārēju spēku, piemēram, caur spiedienjutīgu membrānu, tad mainīsies rezonatora brīvo svārstību frekvence.

Tātad rezonatora dabiskā frekvence atspoguļos spiedienu uz membrānu, kas nospiež rezonatoru, kā rezultātā mainās frekvence. Piemēram, apsveriet absolūtā spiediena sensoru, kura pamatā ir pjezo rezonanse.

Izmērītais spiediens caur savienojumu 12 tiek pārsūtīts uz 1. kameru. 1. kamera ir atdalīta ar membrānu no ierīces jutīgās mērīšanas daļas. Korpuss 2, pamatne 6 un membrāna 10 ir noslēgti kopā, lai izveidotu otru noslēgtu kameru. Pamatnes 6 otrajā noslēgtajā kamerā ir nostiprināti turētāji 9 un 4, no kuriem otrs ir piestiprināts pie pamatnes 6 ar tiltiņa 3 palīdzību. Turētājs 4 kalpo jutīgā rezonatora 5 fiksēšanai. Atbalsta rezonators 8 ir fiksējis turētājs 9.

Izmērītā spiediena ietekmē membrāna 10 nospiež caur uzmavu 13 uz lodītes 14, kas arī ir fiksēta turētājā 4.Bumbiņa 14 savukārt nospiež jutīgo rezonatoru 5. Vadi 7, kas fiksēti pamatnē 6, savieno rezonatorus 8 un 5 attiecīgi ar ģeneratoriem 16 un 17. Lai ģenerētu signālu, kas ir proporcionāls absolūtā spiediena lielumam, tiek izmantota ķēde 15, kas ģenerē izejas signālu no rezonatora frekvenču starpības. Pats sensors ir ievietots aktīvā termostatā 18, kas uztur nemainīgu temperatūru 40 ° C.

Daži no vienkāršākajiem ir kapacitatīvie spiediena sensori... Divi plakanie elektrodi un atstarpe starp tiem veido kondensatoru. Viens no elektrodiem ir membrāna, uz kuras iedarbojas izmērītais spiediens, kas izraisa atstarpes biezuma izmaiņas starp faktiski esošajām kondensatora plāksnēm. Ir labi zināms, ka plakana kondensatora kapacitāte mainās, mainoties spraugas izmēram nemainīgam plākšņu laukumam, tāpēc, lai noteiktu pat ļoti nelielas spiediena izmaiņas, kapacitatīvie sensori ir ļoti, ļoti efektīvi.

Kapacitatīvie spiediena sensori ar maziem izmēriem ļauj izmērīt pārspiedienu šķidrumos, gāzēs, tvaikā. Kapacitatīvie spiediena sensori ir noderīgi dažādos rūpnieciskos procesos, izmantojot hidrauliskās un pneimatiskās sistēmas, kompresoros, sūkņos, darbgaldos. Sensora dizains ir izturīgs pret galējībām un vibrācijām, izturīgs pret elektromagnētiskiem traucējumiem un agresīviem vides apstākļiem.

Cita veida elektriskie spiediena sensori, attālināti līdzīgi kapacitatīviem - induktīviem vai magnētiskiem sensoriem... Spiedienjutīgā vadošā membrāna atrodas kaut kādā attālumā no plānās W-veida magnētiskās ķēdes, uz kuras vidējā serdeņa uztīta spole.Starp membrānu un magnētisko ķēdi tiek iestatīta noteikta gaisa sprauga.

Kad spolei tiek pielikts spriegums, tajā esošā strāva rada magnētisko plūsmu, kas iet gan caur pašu magnētisko ķēdi, gan caur gaisa spraugu un cauri membrānai, aizveroties. Tā kā spraugas magnētiskā caurlaidība ir aptuveni 1000 reižu mazāka nekā magnētiskajā ķēdē un membrānā, pat nelielas spraugas biezuma izmaiņas izraisa ievērojamas ķēdes induktivitātes izmaiņas.

Mērītā spiediena ietekmē sensora diafragma izliecas un mainās spoles kompleksā pretestība. Pārveidotājs pārvērš šīs izmaiņas elektriskajā signālā. Pārveidotāja mērīšanas daļa ir izgatavota saskaņā ar tilta ķēdi, kur sensora spole ir iekļauta vienā no svirām. Izmantojot ADC, signāls no mērīšanas daļas tiek pārveidots par elektrisko signālu, kas ir proporcionāls izmērītajam spiedienam.

Pēdējais spiediena sensoru veids, ko apskatīsim, ir optoelektroniskie sensori... Tie ir diezgan vienkārši spiediena noteikšanai, tiem ir augsta izšķirtspēja, augsta jutība un tie ir termiski stabili. Darbojoties uz gaismas traucējumiem, izmantojot Fabry-Perot interferometru nelielu pārvietojumu mērīšanai, šie sensori ir īpaši daudzsološi. Šāda sensora galvenās daļas ir optiskā pārveidotāja kristāls ar diafragmu, LED un detektors, kas sastāv no trim fotodiodēm.

Fabi-Perot optiskie filtri ar nelielu biezuma starpību ir piestiprināti pie divām fotodiodēm. Šie filtri ir atstarojoši silīcija spoguļi no priekšējās virsmas, kas pārklāti ar silīcija oksīda slāni, uz kura virsmas ir uzklāts plāns alumīnija slānis.

Optiskais devējs ir līdzīgs kapacitatīvā spiediena sensoram, diafragma, kas veidojas, kodinot monokristāliskā silīcija substrātā, ir pārklāta ar plānu metāla kārtu. Stikla plāksnes apakšpusē ir arī metāla pārklājums. Starp stikla plāksni un silīcija substrātu ir atstarpe ar platumu w, kas iegūta, izmantojot divus starplikas.

Divi metāla slāņi veido Fabia-Perot interferometru ar maināmu gaisa spraugu w, kurā ietilpst: uz membrānas izvietots kustīgs spogulis, kas mainoties spiedienam maina savu pozīciju un tam paralēli uz stikla plāksnes stacionārs caurspīdīgs spogulis.

Pamatojoties uz to, FISO Technologies ražo mikroskopiskus jutīgus spiediena devējus, kuru diametrs ir tikai 0,55 mm, kas viegli iziet caur adatas aci. Ar katetra palīdzību pētāmajā tilpumā tiek ievietots mini sensors, kura iekšpusē tiek mērīts spiediens.

Optiskā šķiedra ir savienota ar inteliģentu sensoru, kurā mikroprocesora vadībā tiek ieslēgts monohromatiskās gaismas avots, kas tiek ievadīts šķiedrā, tiek mērīta pretatstarotās gaismas plūsmas intensitāte, ārējais spiediens uz sensors tiek aprēķināts no kalibrēšanas datiem un parādīts displejā. Piemēram, medicīnā šādus sensorus izmanto, lai kontrolētu intrakraniālo spiedienu, mērītu asinsspiedienu plaušu artērijās, kuras nevar sasniegt nekādā citā veidā.