【Prinzip der Sensoren】Arbeitsprinzip von Drucksensoren und ihre Anwendungen

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von Wang Tianze am 2016-3-22 15:46 bearbeitet. Funktionsprinzip und Anwendungen von Drucksensoren – Eine Zusammenfassung. Drucksensoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Sensoren in der Industrie. Sie werden in einer Vielzahl von Bereichen der industriellen Automatisierung eingesetzt – unter anderem in den Bereichen Wasserwirtschaft und Hydraulik, Eisenbahnverkehr, intelligente Gebäude, Produktionsautomatisierung, Luft- und Raumfahrt, Rüstungsindustrie, Petrochemie, Ölquellen, Energiegewinnung, Schifffahrt, Werkzeuge sowie Rohrleitungen. Im Folgenden wird kurz auf die Funktionsprinzipien sowie Anwendungen einiger gängiger Sensortypen eingegangen. 1. Prinzip und Anwendung von Dehnungssensor-Drucksensoren Es gibt viele Arten von mechanischen Sensoren, wie z. B. Drucksensoren mit Widerstandsdеhnungssensoren, Drucksensoren mit Halbleiter-Dehnungssensoren, piezoresistive Drucksensoren, inductive Drucksensoren, kapazitive Drucksensoren, resonante Drucksensoren sowie kapazitive Beschleunigungssensoren. Am weitesten verbreitet sind jedoch piezoresistive Drucksensoren, die einen sehr niedrigen Preis aufweisen, eine hohe Genauigkeit sowie gute lineare Eigenschaften besitzen. Im Folgenden stellen wir hauptsächlich diese Art von Sensoren vor. Um die piezoresistiven Kraftsensoren zu verstehen, sollten wir uns zunächst mit dem Bauelement der Widerstandsspannungsdehnungssensoren vertraut machen. Ein Widerstandsspannungsgeber ist ein empfindliches Bauelement, das Verformungsänderungen an dem zu messenden Objekt in ein elektrisches Signal umwandelt. Es ist einer der wichtigsten Bestandteile von piezoresistiven Dehnungssensoren. Am häufigsten werden Metall- und Halbleiterdehnungssensoren eingesetzt. Es gibt zwei Arten von metallischen Widerstandsspannungsgebern: Fadenförmige Spannungsgeber und metallfolienförmige Spannungsgeber. In der Regel werden die Dehnungssensoren mit einem speziellen Klebstoff fest auf dem Substrat befestigt, auf dem mechanische Dehnungen entstehen. Wenn das Substrat unter Belastung Spannungen erfährt, dehnen sich auch die Dehnungssensoren aus. Dadurch ändert sich der Widerstand der Sensoren, was wiederum zu einer Veränderung der Spannung an diesen Sensoren führt. Die Änderung des Widerstands solcher Dehnungssensoren unter Belastung ist in der Regel gering. Solche Sensoren werden in der Regel zu Dehnungsspannungsbrücken zusammengefasst und durch anschließende Verstärker erweitert, bevor die Signale an die Verarbeitungsschaltungen übertragen werden – meist an A/D-Wandler und CPUs –, um dort angezeigt oder an Aktoren weitergeleitet zu werden. Innere Struktur von metallischen Widerstandsspannungsdetektoren: Ein Widerstandsspannungsdetektor setzt sich aus einem Trägermaterial, metallischen Spannungsdrähten oder -blechen, isolierenden Schutzschichten sowie Anschlussleitungen zusammen. Je nach Anwendung kann der Widerstandswert der Spannungsverstärker von dem Entwerfer festgelegt werden. Dabei muss jedoch auf den Widerstandsbereich geachtet werden: Ist der Widerstandswert zu niedrig, ist der erforderliche Antriebsstrom zu hoch. Zudem führt die Erwärmung des Spannungsverstärkers dazu, dass seine Temperatur zu hoch wird. In unterschiedlichen Umgebungen ändert sich der Widerstandswert des Spannungsverstärkers stark, wodurch es zu deutlichen Verschiebungen des Ausgangswerts kommt. Zudem wird der Nulljustierungsmechanismus dadurch übermäßig kompliziert. Und der Widerstand ist zu groß, die Impedanz zu hoch, wodurch die Fähigkeit, äußeren elektromagnetischen Störungen entgegenzuwirken, schlecht ist. In der Regel liegen die Werte zwischen einigen Dutzend Ohm und einigen Dutzend Tausend Ohm. Arbeitsprinzip der Widerstandsspannungsgeber: Das Arbeitsprinzip der metallischen Widerstandsspannungsgeber beruht auf dem Phänomen, dass der Spannungswiderstand, der am Trägermaterial befestigt ist, durch mechanische Deformationen seine Werte ändert. Dieses Phänomen wird umgangssprachlich als Widerstandsspannungseffekt bezeichnet. Der Widerstandswert eines metallischen Leiters kann mit folgender Formel ausgedrückt werden: Dabei steht ρ für den Widerstandskoeffizienten des metallischen Leiters (Ω·cm²/m), S für die Querschnittsfläche des Leiters (cm²) und L für die Länge des Leiters (m). Nehmen wir als Beispiel den Spannungsresistivitätswert eines Metallfadens. Wenn der Metallfaden einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, ändern sich sowohl seine Länge als auch seine Querschnittsfläche. Aus der obigen Formel geht hervor, dass sich dadurch auch der Widerstandswert ändert. Wenn der Metallfaden durch eine äußere Kraft in die Länge gezogen wird, nimmt seine Länge zu, während seine Querschnittsfläche abnimmt. Dadurch erhöht sich der Widerstandswert. Wenn ein Draht durch äußere Kräfte komprimiert wird, verringert sich seine Länge und die Querschnittsfläche nimmt zu; dadurch sinkt der Widerstandswert. Durch Messung der Änderung des Spannungsabfalls über dem Widerstand – in der Regel wird dabei die Spannung an den beiden Enden des Widerstands gemessen – kann man den Dehnungsgrad des Dehnbaren Metalldrahts ermitteln. 2. Prinzip und Anwendung von keramischen Drucksensoren
Keramische Drucksensoren, die korrosionsbeständig sind, benötigen keine Flüssigkeit zur Übertragung des Drucks. Der Druck wirkt direkt auf die Vorderseite der keramischen Membran, wodurch diese eine geringe Deformation erfährt. Auf der Rückseite der keramischen Membran sind dicke Widerstände aufgedruckt; diese bilden zusammen einen Wheatstone-Brückengleichrichter. Durch den piezoresistiven Effekt entsteht ein Spannungssignal, das proportional zum Druck sowie zur Anregungsspannung ist. Das Standard-Signal wird je nach Druckbereich auf Werte wie 2,0 / 3,0 / 3,3 mV/V eingestellt. Solche Sensoren können mit Dehnungssensoren kompatibel verwendet werden. Durch die Laserkalibrierung weisen die Sensoren eine hohe Temperatur- und Zeitstabilität auf. Sie verfügen über eine interne Temperaturkompensation für einen Bereich von 0–70 °C und können direkt mit den meisten Medien in Berührung kommen. Keramik ist ein anerkanntes Material mit hoher Elastizität, Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit sowie Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen. Die thermischen Stabilitäts Eigenschaften der Keramik sowie ihre Widerstandseigenschaften im Dickefilm-Bereich ermöglichen es, sie in einem Betriebstemperaturbereich von bis zu -40 bis 135 °C einzusetzen. Zudem weist sie eine hohe Messgenauigkeit und Stabilität auf. Elektrische Isolationsstärke > 2 kV, starke Ausgangssignale, gute Langzeittestabilität. Keramiksensoren mit hohen Eigenschaften und niedrigem Preis werden die Entwicklungslinie der Drucksensoren sein. In Europa und Amerika besteht eine Tendenz, sie vollständig gegen andere Arten von Sensoren auszutauschen. Auch in China nutzen immer mehr Nutzer Keramiksensoren anstelle von Diffusionssilizium-Drucksensoren. 3. Prinzip und Anwendung von Diffusions-Silizium-Drucksensoren
Arbeitsprinzip: Der Druck des zu messenden Mediums wirkt direkt auf die Membran des Sensors (aus Edelstahl oder Keramik). Dadurch entsteht eine geringe Verschiebung der Membran, die proportional zum Druck des Mediums ist. Dies führt zu einer Veränderung des Widerstands des Sensors. Mit elektronischen Schaltungen wird diese Veränderung erfasst und in ein standardisiertes Messsignal umgewandelt, das dem jeweiligen Druck entspricht. 4. Prinzip und Anwendung von Saphir-Drucksensoren: Auf der Grundlage des Spannungsresistivitätsprinzips werden Silizium-Saphir-Komponenten als halbleitende Sensorelemente verwendet. Dadurch ergeben sich herausragende Messeigenschaften. Saphire bestehen aus einzigen Kristallen isolierender Elemente und weisen weder Verzögerungseffekte noch Ermüdungs- oder Kreuzverschiebungserscheinungen auf ； Saphire sind härter als Silizium, haben eine höhere Härte und fürdehen sich nicht ； Saphire weisen sehr gute Elastizitäts- und Isoliereigenschaften auf (bis zu 1000 °C). Daher sind die aus Silizium-Saphir hergestellten Halbleiter-Sensoren unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Selbst bei hohen Temperaturen behalten sie ihre guten Funktions Eigenschaften bei ； Saphire haben außergewöhnlich starke Strahlungswiderstandsfähigkeit ； Außerdem weisen die Silizium-Saphir-Halbleitersensoren keine p-n-Drift auf, wodurch der Herstellungsprozess grundlegend vereinfacht wird, die Wiederholgenauigkeit erhöht und eine hohe Fertigungsrate gewährleistet wird. Drucksensoren und -wandler, die mit Silizium-Saphir-Halbleitersensoren hergestellt werden, können unter den schwierigsten Betriebsbedingungen zuverlässig arbeiten. Sie zeichnen sich außerdem durch hohe Genauigkeit, minimale Temperaturfehler sowie einen guten Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Die Drucksensoren und -wandler für den Gesamtdruck bestehen aus zwei Membranen: einer Messmembran aus Titanlegierung und einer Empfängermembran aus Titanlegierung. Saphirplatten mit gedruckten Brückenkreisen mit anisotroper epitaktischer Spannungsempfindlichkeit werden auf einer Messmembran aus Titanlegierung verschweißt. Der zu messende Druck wird auf die Empfangsmembran übertragen (die Empfangsmembran ist durch Zugstangen fest mit der Messmembran verbunden). Unter Druck dehnt sich die Membran des Titanlegierungsbauteils aus. Diese Dehnung wird von den Silizium-Saphir-Sensoren erfasst, wodurch sich die Ausgangsspannung der Brücke ändert. Der Umfang dieser Änderung ist proportional zum gemessenen Druck. Die Schaltung des Sensors sorgt dafür, dass die Spannungsversorgung der Dehnungsspannungsbridge gewährleistet wird, und wandelt die Ungleichgewichtssignale der Dehnungsspannungsbridge in ein einheitliches elektrisches Signal um (0–5, 4–20 mA oder 0–5 V). In Druckmesssensoren und -übertragern fungieren Saphirplatten, die mit keramischem Glaslötmaterial verbunden sind, als elastische Elemente. Sie wandeln den zu messenden Druck in eine Deformation der Dehnungssensoren um, wodurch eine Druckmessung möglich wird. 5. Prinzip und Anwendung von piezoelektrischen Drucksensoren. Zu den wichtigsten piezoelektrischen Materialien, die in Piezosensoren verwendet werden, gehören Quarz, Natrium-Tartrat sowie Ammoniumdihydrogenphosphat. Quarz (Siliziumdioxid) ist ein natürlich vorkommendes Kristallmaterial. Der piezoelektrische Effekt wurde in genau diesem Kristall entdeckt. Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs bleibt die piezoelektrische Eigenschaft bestehen; doch sobald die Temperatur diesen Bereich überschreitet, verschwindet diese Eigenschaft vollständig – diese hohe Temperatur wird als „Curie-Punkt“ bezeichnet. Da sich das elektrische Feld mit den Stressänderungen nur geringfügig verändert (mit anderen Worten: der piezoelektrische Koeffizient ist relativ niedrig), wird Quarz allmählich durch andere piezoelektrische Kristalle ersetzt. Natriumkaliumtartrat weist eine hohe piezoelektrische Empfindlichkeit sowie piezoelektrische Koeffizienten auf, kann jedoch nur in Umgebungen mit Raumtemperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden. Dihydrogenphosphamid gehört zu künstlichen Kristallen, die hohen Temperaturen sowie einer recht hohen Feuchtigkeit standhalten können, weshalb es bereits weit verbreitet eingesetzt wird. Der piezoelektrische Effekt wird heute auch in Polykristallen eingesetzt, wie zum Beispiel in piezoelektrischen Keramiken, darunter Bariumtitanat-Piezoelektrikkeramiken, PZT, Niobat-basierte Piezoelektrikkeramiken sowie Blei-Niobat-Magnesium-Piezoelektrikkeramiken usw. Der piezoelektrische Effekt ist das Hauptprinzip der Funktionsweise von piezoelektrischen Sensoren. Piezoelektrische Sensoren können nicht zur Messung in statischer Situation verwendet werden, denn die durch äußere Kräfte erzeugte Ladung kann nur dann erhalten bleiben, wenn die Eingangsimpedanz des Schaltkreises unendlich groß ist. Die tatsächliche Situation ist nicht so, weshalb dies bedeutet, dass piezoelektrische Sensoren nur dynamische Spannungen messen können. Piezoelektrische Sensoren werden hauptsächlich zur Messung von Beschleunigung, Druck und Kraft eingesetzt. Ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor ist ein häufig verwendeter Accelerometer. Es weist hervorragende Eigenschaften auf, wie eine einfache Konstruktion, geringe Abmessungen, geringes Gewicht sowie eine lange Lebensdauer. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren werden bereits weit verbreitet bei der Messung von Vibrationen und Erschütterungen in Flugzeugen, Autos, Schiffen, Brücken und Gebäuden eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt spielen sie eine besondere Rolle. Piezoelektrische Sensoren können auch zur Messung des Verbrennungsdrucks im Motor sowie des Vakuumgrades verwendet werden. Es kann auch in der **Industrie verwendet werden, zum Beispiel um die Änderungen des Drucks im Lauf eines Gewehrs oder Geschützes im Moment des Abfeuerns sowie den Druck der Druckwellen am Laufende zu messen. Es kann sowohl zur Messung hoher Drücke als auch zur Messung sehr geringer Drücke verwendet werden.