Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразвателей давления

Методы измерения давления

Давле́ние — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности.

Известны следующие основные методы измерения давления: весовой, пружинный, силовой, частотный, пьезорезисторный, термокондуктивный, ионизационный и электрокинетический.

1. Весовой метод

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при наклонах и ускорениях.

2. Пружинный метод

Пружинный метод основан на зависимости деформации упругого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройство, а в датчиках преобразуется в электрическую величину, которая и служит выходным сигналом . Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст.до сотен атмосфер.

3. Силовой метод

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным элементом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления.

а— силовые датчики прямого преобразования , в которых развиваемая чувствительным элементом сила преобразуется с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы.

б — приборы и датчики с силовой компенсацией, в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, урав­новешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом. В зависимости от типа компенсирующего устройства выход­ным сигналом может служить сила тока, линей­ное или угловое перемещение.

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод

Частотный метод основан на зависимости частоты собственных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу, называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет использовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными машинами.

5.Пьезорезисторный метод

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от величины воздействующего на него давления.

6.Термокондуктивный метод

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопроводности газа от его абсолютного давления (при малых абсолютных давлениях). При протекании по проволоке электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопроводности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависимости от давления в области малых давлений. Температуру проволоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопары, если же применить материал с большим температурным коэффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изменению сопротивлению проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Источники информации

1. http://www.all-pribors.ru/opisanie/66504-17-sapfir-22mps-76103

2. http://zavod-ber.ru/preobrazovateli-davleniya/datchiki-davleniya/preobrazovateli-davleniya-sapfir-22/sapfir-22mps/preobrazovatel-davleniya-sapfir-22mps

3. Методы электрических измерений. Учебное пособие для вузов. – Под ред. Э.И. Цветкова и Л., Энергоатомиздат.

4. Кунце Х.-И.: Методы физических измерений. – М.: Мир

5. Г.Г. Раннев, А.П. Тарасенко – Методы и средства измерений. Учебник. – М. ACADEMA

Методы измерения давления

Давле́ние — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности.

Известны следующие основные методы измерения давления: весовой, пружинный, силовой, частотный, пьезорезисторный, термокондуктивный, ионизационный и электрокинетический.

1. Весовой метод

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при наклонах и ускорениях.

2. Пружинный метод

Пружинный метод основан на зависимости деформации упругого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройство, а в датчиках преобразуется в электрическую величину, которая и служит выходным сигналом . Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст.до сотен атмосфер.

3. Силовой метод

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным элементом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления.

а— силовые датчики прямого преобразования , в которых развиваемая чувствительным элементом сила преобразуется с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы.

б — приборы и датчики с силовой компенсацией, в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, урав­новешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом. В зависимости от типа компенсирующего устройства выход­ным сигналом может служить сила тока, линей­ное или угловое перемещение.

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод

Частотный метод основан на зависимости частоты собственных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу, называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет использовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными машинами.

5.Пьезорезисторный метод

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от величины воздействующего на него давления.

6.Термокондуктивный метод

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопроводности газа от его абсолютного давления (при малых абсолютных давлениях). При протекании по проволоке электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопроводности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависимости от давления в области малых давлений. Температуру проволоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопары, если же применить материал с большим температурным коэффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изменению сопротивлению проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразвателей давления

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта. На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преобразователи давления являются самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую и (или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста. При этом одна пара тензорезисторов, включенных в противоположные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а другая — отрицательную. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине и мост сбалансирован. При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.

Тензорезисторы выполняются как из металлов (проволочные, фольговые), так и из полупроводников. Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя способами

1) по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на сапфире» (КНС), в соответствии с которой тонкая пленка кремния выращивается на подложке из сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране (рис. 5.6, а);

2) по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки р-и-переходами — технология «кремний на кремнии» (КНК).

В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания (рис. 1). Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит изменение температуры.