Полупроводниковые датчики давления

Основой подавляющей части полупроводниковых датчиков давления является тензочувствительный элемент. Номенклатура полупроводниковых датчиков давления в настоящий момент насчитывает несколько тысяч приборов: большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных моделей.

К их преимуществам можно отнести низкую стоимость, хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство.

Пьезорезистивные датчики давления

В пьезорезистивных датчиках давления используются интегральные чувствительные элементы на основе монокристаллического кремния, которые имеют на порядок большую временную и температурную стабильность по сравнению с полупроводниковыми приборами.

Сенсор состоит из кремниевой ячейки, обработанной по специальной технологии, с размещенными на ней пьезорезисторами. В пьезорезисторах используется эффект изменения электрического сопротивления от изменяемого физического параметра. Под влиянием давления изменение сопротивления резисторов может достигать не менее 30 %. Резисторы подключаются по схеме моста Уитстона, выходной сигнал которого прямо пропорционален измеряемому давлению.

Датчики температуры

Датчики температуры в приводах используются для контроля теплового состояния отдельных частей привода. Например, в мощных электродвигателях контролируется температура обмоток, в гидроприводах – температура рабочей жидкости, в механизмах приводов – температура подшипников и т. д.

Датчики температуры строятся на основе различных физических эффектов и имеют разную сложность: от простых ртутных и спиртовых термометров до датчиков, позволяющих измерять температуру удаленных предметов. Большинство современных датчиков температуры в основе чувствительных элементов имеют полупроводниковые структуры.

Основными типами датчиков температуры являются полупроводниковые, биметаллические, жидкостные и газовые термометры, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики (рис. 7.28).

В полупроводниковых (кремниевых) датчиках используется зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Измерения производятся в диапазоне -50…+150 °С.

а	б	в	г

Рис. 7.28. Датчики температуры:

а – термопара; б – терморезистор; в – термопреобразователь сопротивления;
г – инфракрасный датчик

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то пластина изогнется и замкнет (разомкнет) электрические контакты. Диапазон работы биметаллических датчиков - от -40 до +550 °C.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до +1100 °С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют температурный коэффициент сопротивления на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до +200 °С.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей (термопар) основан на термоэлектрическом эффекте – возникновении термо-ЭДС в месте соединения (спае) двух разнородных металлов или полупроводников. В определенном интервале температур термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур между спаем и концами термопары. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до +2200 °С. Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур. Однако имеются и некоторые недостатки – меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.

Инфракрасные датчики (пирометры) используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Существуют радиационные, яркостные и цветовые пирометры. Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Для измерения температур от –80 до +250 °С часто используются кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента датчика от температуры. Такие датчики широко используются в цифровых термометрах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Клюкин, В. Ю. Пневмогидропривод и автоматика / В. Ю. Клюкин, В. С. Харитонов — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007.

2. Егоров, Ю. Н. Электропривод и автоматика. Электрические приводы технологических машин / Ю. Н. Егоров, И. М. Семенов — СПб. Изд-во Политехн. ун-та, 2008.

3. Наземцев, А.С. Гидравлические и пневматические системы. Часть 1. Пневматические приводы и устройства автоматизации / А.С. Наземцев — М., ФОРУМ, 2004. – 240 с.

4. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден — М.: Техносфера, 2006. 592 с.

5. Датчики технологических машин

6.

ПРИЛОЖЕНИЕ. Формулы техники приводов

МАССА, МОМЕНТ ИНЕРЦИИ