【Принципы действия датчиков】Принцип работы датчиков давления и их применение

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано Ван Тяньцзэ 22.03.2016 в 15:46. Принцип работы датчиков давления и их применение – перепечатка. Датчики давления являются одними из наиболее часто используемых датчиков в промышленной практике. Они находят широкое применение в различных сферах промышленного автоматизированного управления: в сфере гидроэнергетики, железнодорожного транспорта, интеллектуальных зданий, производственного автоматизированного управления, аэрокосмической промышленности, военной промышленности, нефтехимии, нефтяных скважинах, энергетике, судостроении, станкостроении, трубопроводах и многих других отраслях. Ниже приведено краткое описание принципов работы некоторых распространенных датчиков и их применения. 1. Принципы и применение датчиков давления на основе датчиков деформации. Существует множество видов механических датчиков: датчики давления на основе резистивных датчиков деформации, датчики давления на основе полупроводниковых датчиков деформации, датчики давления с использованием принципа пьезоэффекта, индуктивные датчики давления, емкостные датчики давления, резонансные датчики давления, а также емкостные датчики ускорения и т. д. Однако наиболее широкое применение находят датчики давления пьезорезистивного типа, которые обладают чрезвычайно низкой стоимостью, высокой точностью и хорошими линейными характеристиками. Далее мы в основном расскажем об этих типах датчиков. Чтобы понять принцип работы датчиков силы на основе эффекта пьезорезистивности, сначала давайте ознакомимся с таким элементом, как резистивный датчик деформации. Датчик электрического сопротивления — это чувствительный прибор, преобразующий изменения деформации на измеряемом объекте в электрический сигнал. Это один из основных компонентов датчиков деформации на основе принципа пьезорезистивного эффекта. Наиболее часто используемыми видами резистивных датчиков деформации являются металлические резистивные датчики и полупроводниковые датчики деформации. Металлические датчики деформации делятся на нитевидные и металлические фольгированные датчики. Обычно датчики деформации плотно прикрепляются к материалу, подвергаемому механическим нагрузкам, с помощью специального клея. Когда на материал оказывается нагрузка и происходят изменения напряжений, датчики деформации также деформируются, в результате чего меняется их электрическое сопротивление. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжения, подаваемого на датчик. Изменение сопротивления таких датчиков деформации под действием нагрузки обычно незначительно. Как правило, такие датчики входят в состав датчиков-мостов, а затем сигнал усиливается с помощью усилителей, после чего передается на процессорную схему (обычно для преобразования в цифровой формат и обработки данных) для отображения или передачи на исполнительные механизмы. Внутренняя структура металлического резистивного датчика деформации. Резистивный датчик деформации состоит из основного материала, металлических нитей или фольги для измерения деформации, изоляционного слоя и выводных проводов. В зависимости от назначения значение сопротивления датчика деформации может быть задано проектировщиком. Однако необходимо учитывать следующее: если сопротивление слишком мало, то требуемый ток питания становится слишком велик; кроме того, нагрев датчика приводит к слишком высокой температуре его поверхности. В различных условиях эксплуатации значение сопротивления датчика сильно меняется, что приводит к значительному смещению нулевой точки сигнала. Кроме того, схема для выравнивания нуля становится слишком сложной. При этом сопротивление слишком велико, импеданс слишком высок, а способность противостоять внешним электромагнитным помехам слаба. Обычно это от нескольких десятков евро до нескольких десятков тысяч евро. Принцип работы резистивных датчиков деформации. Принцип работы металлических резистивных датчиков деформации заключается в том, что резистор, расположенный на основном материале, изменяет своее сопротивление под воздействием механических деформаций; это явление называется эффектом резистивной деформации. Значение сопротивления металлического проводника можно выразить следующей формулой: где ρ — удельное сопротивление металлического проводника (Ω·см²/м); S — площадь поперечного сечения проводника (см²); L — длина проводника (м). В качестве примера рассмотрим сопротивление металлической нити под действием внешних сил. Когда на нить действуют внешние силы, её длина и площадь поперечного сечения изменяются. Из вышеуказанной формулы легко видеть, что значение сопротивления также меняется. Если нить растягивается под действием внешних сил, её длина увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается; в результате сопротивление возрастает. Когда металлическая проволока сжимается под действием внешних сил, её длина уменьшается, а площадь поперечного сечения увеличивается; в результате сопротивление проволоки снижается. Достаточно измерить изменение напряжения на резисторе (как правило, это напряжение между его клеммами), чтобы определить степень деформации металлической нити. 2. Принцип действия и применение керамических датчиков давления. Керамические датчики давления, устойчивые к коррозии, не содержат жидкости в своей конструкции; давление воздействует непосредственно на переднюю поверхность керамической мембраны, что приводит к её незначительной деформации. На обратной стороне керамической мембраны расположены резисторы, которые образуют Вихеровский мост. Благодаря давлению, оказываемому на резисторы, в мосту возникает напряженный сигнал, который пропорционален как давлению, так и напряжению питания. Стандартные значения сигнала зависят от диапазона давления и составляют 2,0/3,0/3,3 мВ/В и т. д. Такие датчики могут использоваться вместе с датчиками, основанными на принципе деформации. Благодаря лазерной калибровке датчик обладает высокой температурной и временной стабильностью. В нем встроена система температурной компенсации в диапазоне от 0 до 70°C, к тому же он может напрямую соприкасаться с подавляющим большинством сред. Керамика считается материалом с высокой упругостью, стойкостью к коррозии, износу, ударам и вибрациям. Благодаря термостабильным свойствам керамики и её сопротивлению в толстом слое, диапазон рабочих температур может достигать от -40 до 135°C. Кроме того, она обеспечивает высокую точность и стабильность измерений. Уровень электрической изоляции > 2 кВ, сильный выходной сигнал, хорошая долгосрочная стабильность. Керамические датчики с высокими характеристиками и низкой ценой станут направлением развития датчиков давления. В Европе и США наблюдается тенденция к полному замещению других типов датчиков ими, а в Китае все больше пользователей используют керамические датчики вместо датчиков давления на основе диффузионного кремния. 3. Принцип действия и применение датчиков давления на основе диффузионного кремния. Принцип работы: давление измеряемой среды действует непосредственно на мембрану датчика (из нержавеющей стали или керамики), что приводит к небольшому смещению мембраны, пропорциональному давлению среды. Это изменяет сопротивление датчика; электронные схемы фиксируют это изменение и преобразуют его в стандартный сигнал измерения, соответствующий данному давлению. 4. Принцип действия и применение датчиков давления на основе сапфира. Используется принцип работы с резисторами, чувствительными к деформациям; в качестве полупроводникового элемента используется кремний-сапфир. Это обеспечивает выдающиеся характеристики измерения. Сапфир представляет собой однокристаллический изолятор, в котором не наблюдается явлений затухания, усталости и крепления ； Сапфир прочнее кремния, имеет более высокую твердость и не подвержен деформации ； Сапфир обладает отличной упругостью и изоляционными свойствами (до 1000 °C). Поэтому полупроводниковые датчики, изготовленные на основе кремния и сапфира, не чувствительны к изменениям температуры; они сохраняют хорошие рабочие характеристики даже при высоких температурах ； Сапфир обладает высокой стойкостью к излучению ； Кроме того, полупроводниковые датчики на основе кремния и сапфира не имеют п-n-дрифта, что фундаментально упрощает процесс производства, повышает воспроизводимость и обеспечивает высокий процент готовой продукции. Датчики давления и трансмиттеры, изготовленные с использованием полупроводниковых элементов на основе кремния и сапфира, могут нормально функционировать в самых сложных условиях эксплуатации. Они обладают высокой надежностью, точностью, минимальными погрешностями, связанными с температурой, а также хорошим соотношением цены и качества. Датчики и трансмиттеры давления избыточного давления состоят из двух мембран: измерительной мембраны из титанового сплава и приемной мембраны из титанового сплава. Тонкие пластины сапфира с напечатанным на них схемой резисторного моста с чувствительностью к деформациям приложены пайкой к измерительной мембране из титанового сплава. Измеряемое давление передается на приемную мембрану (приемная мембрана прочно соединена с измерительной мембраной с помощью тягового стержня). Под действием давления диафрагма из титанового сплава деформируется. Эту деформацию фиксируют чувствительные элементы на основе кремния и сапфира; в результате этого меняется выходной сигнал мостовой схемы. Амплитуда изменения сигнала пропорциональна измеряемому давлению. Схема датчика обеспечивает питание схемы деформационного моста и преобразует сигналы дисбаланса в моста в единый электрический сигнал выхода (0–5, 4–20 мА или 0–5 В). В датчиках и трансмиттерах абсолютного давления слои сапфира, соединенные с керамическим припоем, выполняют роль упругих элементов. Они преобразуют измеряемое давление в деформацию датчиков деформации, тем самым обеспечивая возможность измерения давления. 5. Принципы и применение пьезоэлектрических датчиков давления. Основными пьезоэлектрическими материалами, используемыми в пьезоэлектрических датчиках, являются кварц, натрий-калийтартрат и дигидроаммофосфат. Кварц (диоксид кремния) является природным кристаллом; пьезоэлектрический эффект был обнаружен именно в таких кристаллах. В определенном диапазоне температур пьезоэлектрические свойства сохраняются, но при превышении этого диапазона они полностью исчезают (эта высокая температура называется «точкой Кюри»). Поскольку с изменением напряжения изменение электрического поля незначительно (то есть пьезоэлектрический коэффициент довольно низок), кварц постепенно заменяется другими пьезокристаллами. Калий-натрийтартрат обладает высокой пьезочувствительностью и пьезокоэффициентом, однако его можно использовать только в условиях комнатной температуры и низкой влажности. Дигидроаммониевая фосфатная кислота относится к искусственным кристаллам; она способна выдерживать высокие температуры и довольно высокую влажность, поэтому находит широкое применение. В настоящее время пьезоэффект также применяется в поликристаллах, например, в пьезокерамиках, включая пьезокерамику на основе бария титаната, PZT, пьезокерамики на основе ниобатов, пьезокерамику на основе свинцового ниобат-магниата и так далее. Пьезоэффект является основным принципом работы пьезоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики нельзя использовать для измерений в статическом режиме, поскольку заряд, возникающий под действием внешних сил, сохраняется только тогда, когда импеданс входа цепи бесконечен. На самом деле все не так, поэтому это означает, что пьезоэлектрические датчики могут измерять только динамические напряжения. Пьезоэлектрические датчики в основном используются для измерения ускорения, давления и силы. Пьезоэлектрический датчик ускорения — это распространенный тип акселерометра. Он обладает превосходными характеристиками: простая конструкция, небольшие размеры, малый вес и длительный срок службы. Пьезоэлектрические датчики ускорения находят широкое применение при измерении вибраций и ударных нагрузок в самолетах, автомобилях, судах, мостах и зданиях. Особенно важную роль они играют в области авиации и космонавтики. Пьезоэлектрические датчики также могут использоваться для измерения давления горения внутри двигателя, а также уровня вакуума. Его также можно использовать в **промышленности, например, для измерения изменений давления в стволе в момент выстрела и давления ударной волны у выхода из ствола. Его можно использовать как для измерения высоких давлений, так и для измерения низких давлений.