Основные методы преобразования датчика давления

Рис. 1. Схема типичного кремниевого ЧЭ.

  Для того чтобы зависимость прогиба мембраны от давления была близка к линейной, центр мембраны «омертвляют», делая его «жестким», то есть несоизмеримо толстым по сравнению с рабочей поверхностью мембраны. Для расчета деформационной картины используют величину хода «жесткого центра».

Деформацию активной поверхности мембраны преобразуют в электрический параметр с помощью, так называемых, тензорезисторов, то есть резисторов, значение сопротивления которых изменяется в результате их деформации. Технология нанесения тензорезисторов может быть различной: от элементарного приклеивания до диффузионного внедрения. Изменение величины резисторов, обычно соединенных в мостовую схему, приводит разбалансу моста, то есть, мы сразу получаем электрический выходной сигнал, изменяющийся пропорционально входному параметру. Сравним точности измерения, достижимые в двух рассмотренных способах преобразования, на примере сенсоров, выпускаемых нашим объединением. В потенциометрических датчиках сигнала  величина перемещения составляет 200-400 мкм. Оцифруем эту шкалу (для наглядности пусть диапазон цифрового сигнала составляет 1000 единиц). Таким образом, цена одного «деления» на нашем приборе составит 0,2-0,4 единицы шкалы. Перемещение центра мембранного тензопреобразователя завода МАНОМЕТР составляет всего 5-6 мкм. В этом случае цена «деления» составит 0,006 мкм, то есть при одном и том же диапазоне измерения, мы можем различить значение давления в 60 раз более мелкое, чем в первом способе. Следует отметить, что в виду малых перемещений упругого элемента, гистерезис у таких ЧЭ должен быть меньше, а стабильность выше. Итак, очевидно, что по первому критерию мы должны выбрать схему с минимальным перемещением. Этому условию соответствуют два технических решения: мембранный преобразователь «давление-деформация», мембранный преобразователь «давление малые перемещения». Деформация в электрический выходной сигнал может быть преобразована двумя способами: либо с помощью тензорезисторов, либо за счет изменения собственной частоты колебаний деформированной балки, жестко связанной с мембраной (Yokogawa). Малые перемещения можно преобразовать в изменение емкости конденсатора, одна из обкладок которого является упругой мембраной (Rosemount). Следует отметить, что это решение является единственной разработкой емкостного сенсора, выпускаемой в промышленных масштабах уже более полувека. Схема преобразователя Rosemount представлена на рисунке 2.

Измерительный блок датчиков разности давления состоит из корпуса 1 и емкостной измерительной ячейки 2. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и разделительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны. Изменение положения мембраны приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны.

Как видно на рисунке, схема емкостного сенсора естественным образом вписывается в датчик разности давлений. Однако, технология изготовления сенсора очень сложна. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от технологической измеряемой среды и окружающей среды. Не случайно все остальные типы датчиков концерн EMERSON, владеющий технологией Rosemount, выпускает на основе полупроводникового тензорезисторного сенсора. Тензорезистор определяет как чувствительность сенсора, так и его стабильность. Металлические тензорезисторы имеют очень маленькую чувствительность, так как значение сопротивлений изменяются только в соответствии с изменением геометрических размеров. Сопротивление растет пропорционально удлинению резистора и уменьшению его поперечного сечения в результате деформации. У металлов максимальный коэффициент тензочувствительности достигает 2-х единиц, обычно - 1,6.

В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величи 

Заключение

Итак, в данной курсовой работе были рассмотрены основные методы преобразования давления в электрический сигнал.

Датчики давления являются медленноменяющимися. Это значит, что их спектр лежит в области сверхнизких частот. Для того, чтобы с высокой точностью оцифровать такой сигнал необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях. Специально для ввода медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Они проводят измерение не мгновенного значения сигнала (которое изменяется под действием помех), а интегрируют сигнальную функцию за заданный промежуток времени, который заведомо меньше постоянной времени процессов, происходящих в контролируемой среде, но заведомо больше периода самой низкочастотной помехи. Интегрирующие АЦП выпускают многие зарубежные фирмы (Texas Instruments, Analog Devices и др).

Список  использованной литературы

1. Г. Виглеб. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989 г.С.196
2. Алейников А.Ф., Гридич В. А., Цапенко В. А. Датчики (перспективные направления развития). Москва. Издательство НГТУ,2001 г.,С.176
3. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва. Издательство Техносфера, 2006г.С.592
4. Лаптев Ю.Н., Глухов В.И. и др. Гидросистемы высоких давлений. Москва. Издательство Машиностроение , 1973 г.С.153
5. Алексеев К.А., Борзунов В.А., Семин В.П., и др.Узлы и детали установок высоких давлений. Исследование в области измерений высоких давлений. Труды ВНИИФТРИ, вып.75 (135)., Москва,1964 г.
6. Казарян А.А. Пленочные датчики давления. Москва. Издательство Бумажная галерея.2006 г.С.320
7. Snewert J. W., Modern Very High Pressure Techniques, Wentorf  R.H., ed., Butterworths, London, 1962; русский перевод: Современная техника сверхвысоких давлений, издательство «Мир»,Москва., 1964, стр.284.
8. Е.М. Гордин, Ю.Ш. Митник, В.А. Тарлинский .Основы автоматики и вычислительной техники. Москва «Машиностроение», 1978г.
9. В.В.Сазонов  Методические указания к выполнению лабораторной   работы. «Исследование реостатного датчика линейных перемещений»
10. Каталог предприятия «Сенсор»