Електрически сензори за налягане

Днес с цел измерване на налягането в различни области на индустрията се използват не само живачни барометри и анероиди, но и различни сензори, които се различават както по принципа на работа, така и по предимствата и недостатъците, присъщи на всеки тип такива сензори. Съвременната електроника позволява внедряването на сензори за налягане директно върху електрическа, електронна основа.

И така, какво имаме предвид под израза „електрически сензор за налягане“? Какви са електрическите сензори за налягане? Как са подредени и какви функции имат? И накрая, кой сензор за налягане трябва да изберете, така че да е най -подходящ за определена цел? Ще разберем това в хода на тази статия.

Първо, нека определим самия термин. Сензор за налягане е устройство, чиито изходни параметри зависят от измереното налягане. Изпитваната среда може да бъде пара, течност или някакъв газ, в зависимост от приложението на конкретен сензор.

Съвременните системи изискват прецизни инструменти от този тип, като важни компоненти на системите за автоматизация за електроенергия, петрол, газ, храна и много други индустрии. Миниатюрните преобразуватели на налягането са жизненоважни в медицината.

Всеки електрически сензор за налягане включва: чувствителен елемент, който служи за предаване на удара към първичния преобразувател, верига за обработка на сигнал и корпус. Основно електрическите сензори за налягане се подразделят на:

• Резистивен (тензорезистивен);

• Пиезоелектрик;

• Пиезорезонанс;

• Капацитивна;

• Индуктивни (магнитни);

• Оптоелектронни.

Резистивен или тензодатчик сензор за налягане Това е устройство, чийто чувствителен елемент променя електрическото си съпротивление под действието на деформиращ товар. Тензометрите се монтират на чувствителна мембрана, която се огъва под налягане и огъва прикрепените към нея тензорези. Съпротивлението на тензорезисторите се променя и величината на тока в първичната верига на преобразувателя се променя съответно.

Разтягането на проводимите елементи на всеки тензодатчик води до увеличаване на дължината и намаляване на напречното сечение, в резултат на което съпротивлението се увеличава. При компресиране е обратното. Относителните промени в съпротивлението се измерват в хилядни, така че в схемите за обработка на сигнали се използват прецизни усилватели с ADC. Така деформацията се превръща в промяна в електрическото съпротивление на полупроводник или проводник и след това в сигнал за напрежение.

Деформатометрите обикновено са зигзагообразен проводим или полупроводников елемент, нанесен върху гъвкава основа, която се прилепва към мембраната. Субстратът обикновено е направен от слюда, хартия или полимерен филм, а проводящият елемент е от фолио, тънка тел или полупроводников вакуумно пръскан върху метал. Връзката на чувствителния елемент на тензомера с измервателната верига се осъществява с помощта на контактни накладки или проводници. Самите тензодатчици обикновено имат площ от 2 до 10 кв. Мм.

Сензори за тензодатчици чудесно за оценка на нивата на налягане, сила на натиск и измерване на теглото.

Следващият тип електрически сензор за налягане е пиезоелектрик… Тук пиезоелектрическият елемент действа като чувствителен елемент.Пиезоелектричен елемент на базата на пиезоелектрик генерира електрически сигнал, когато се деформира, това е така нареченият директен пиезоелектричен ефект. Пиезоелектрическият елемент се поставя в измерената среда и тогава токът в веригата на преобразувателя ще бъде по величина пропорционална на промяната на налягането в тази среда.

Тъй като появата на пиезоелектрически ефект изисква точно промяна в налягането, а не постоянно налягане, този тип преобразувател на налягане е подходящ само за динамично измерване на налягането. Ако налягането е постоянно, тогава процесът на деформация на пиезоелектричния елемент няма да настъпи и токът няма да се генерира от пиезоелектрика.

Пиезоелектрическите сензори за налягане се използват например в първични преобразуватели на дебита на вихровите измервателни уреди за вода, пара, газ и други хомогенни среди. Такива сензори са монтирани по двойки в тръбопровод с номинален отвор от десетки до стотици милиметри зад тялото на потока и така регистрират вихри, чиято честота и брой са пропорционални на обемния дебит и дебита.

Помислете по -нататък пиезорезонансни сензори за налягане… В пиезорезонансните сензори за налягане действа обратният пиезоелектричен ефект, при който пиезоелектрикът се деформира под действието на приложеното напрежение и колкото по -високо е напрежението, толкова по -силна е деформацията. Сензорът се основава на резонатор под формата на пиезоелектрическа плоча, от двете страни на която са приложени електроди.

Когато към електродите се прилага променливо напрежение, материалът на плочата вибрира, огъвайки се в една или друга посока, а честотата на вибрациите е равна на честотата на приложеното напрежение. Ако обаче плочата сега се деформира чрез въздействие върху нея с външна сила, например чрез чувствителна на налягане мембрана, тогава честотата на свободните трептения на резонатора ще се промени.

Така че, естествената честота на резонатора ще отразява количеството на натиска върху мембраната, което притиска резонатора, което води до промяна в честотата. Като пример, помислете за абсолютен сензор за налягане, базиран на пиезорезонанс.

Измереното налягане се предава в камерата 1 през съединението 12. Камера 1 е отделена с мембрана от чувствителната измервателна част на устройството. Тялото 2, основата 6 и мембраната 10 са запечатани заедно, за да образуват втора запечатана камера. Във втората запечатана камера на основата 6 са фиксирани държачи 9 и 4, вторият от които е прикрепен към основата 6 посредством мост 3. Поставката 4 служи за фиксиране на чувствителния резонатор 5. Поддържащият резонатор 8 е фиксиран от държача 9.

Под действието на измереното налягане мембраната 10 притиска през втулката 13 върху топката 14, която също е фиксирана в държача 4. Топката 14 от своя страна притиска чувствителния резонатор 5. Проводниците 7, фиксирани в основата 6, свържете резонаторите 8 и 5 с генераторите 16 и 17 съответно. За генериране на сигнал, пропорционален на величината на абсолютното налягане, се използва схема 15, която генерира изходен сигнал от разликата в честотите на резонатора. Самият сензор е поместен в активен термостат 18, който поддържа постоянна температура от 40 ° C.

Някои от най -простите са капацитивни сензори за налягане… Двата плоски електрода и пролуката между тях образуват кондензатор. Един от електродите е мембрана, върху която действа измереното налягане, което води до промяна в дебелината на пролуката между всъщност кондензаторните плочи. Добре известно е, че капацитетът на плосък кондензатор се променя с промяна в размера на пролуката при постоянна площ на плочите, следователно, за улавяне дори на много малки промени в налягането, капацитивните сензори са много, много ефективни.

Капацитивните сензори за налягане с малки размери позволяват измерване на свръхналягане в течности, газове, пара. Капацитивните сензори за налягане са полезни в различни индустриални процеси, използващи хидравлични и пневматични системи, в компресори, в помпи, на машинни инструменти. Дизайнът на сензора е устойчив на температурни крайности и вибрации, имунизиран срещу електромагнитни смущения и агресивни условия на околната среда.

Друг тип електрически сензори за налягане, отдалечено подобни на капацитивните — индуктивни или магнитни сензори… Чувствителната на налягане проводима мембрана се намира на известно разстояние от тънката W-образна магнитна верига, върху средната сърцевина на която е навита намотката. Между мембраната и магнитната верига се задава определена въздушна междина.

Когато към бобината се приложи напрежение, токът в нея създава магнитен поток, който преминава както през самата магнитна верига, така и през въздушната междина и през мембраната, затваряйки се. Тъй като магнитната пропускливост в пролуката е приблизително 1000 пъти по -малка, отколкото в магнитната верига и в мембраната, дори малка промяна в дебелината на пролуката води до забележима промяна в индуктивността на веригата.

Под влияние на измереното налягане, сензорната диафрагма се огъва и сложното съпротивление на намотката се променя. Преобразувателят преобразува тази промяна в електрически сигнал. Измервателната част на преобразувателя е направена съгласно мостовата верига, където намотката на сензора е включена в едно от рамото. С помощта на ADC, сигналът от измервателната част се преобразува в електрически сигнал, пропорционален на измереното налягане.

Последният тип сензори за налягане, които ще разгледаме, е оптоелектронни сензори… Те са доста прости за откриване на налягане, имат висока разделителна способност, имат висока чувствителност и са термостабилни. Работейки въз основа на светлинни смущения, използвайки интерферометър на Фабри-Перо за измерване на малки премествания, тези сензори са особено обещаващи. Кристалът на оптичен преобразувател с диафрагма, светодиод и детектор, състоящ се от три фотодиода, са основните части на такъв сензор.

Оптичните филтри Fabi-Perot с малка разлика в дебелината са прикрепени към два фотодиода. Тези филтри са отразяващи силициеви огледала от предната повърхност, покрити със слой силициев оксид, върху чиято повърхност е нанесен тънък слой алуминий.

Оптичният преобразувател е подобен на капацитивен сензор за налягане, диафрагмата, образувана от ецване в монокристална силициева подложка, е покрита с тънък слой метал. Долната страна на стъклената плоча също има метално покритие. Между стъклената плоча и силициевата подложка има празнина с ширина w, получена с помощта на два дистанционера.

Два слоя метал образуват интерферометър Фабия-Перо с променлива въздушна междина w, който включва: подвижно огледало, разположено върху мембраната, което променя позицията си при промяна на налягането, и неподвижно полупрозрачно огледало, успоредно на него върху стъклена плоча.

На тази основа FISO Technologies произвежда микроскопични чувствителни преобразуватели на налягането с диаметър само 0,55 mm, които лесно преминават през ухото на иглата. С помощта на катетър в изследвания обем се вкарва мини сензор, вътре в който се измерва налягането.

Оптичното влакно е свързано с интелигентен сензор, в който под контрола на микропроцесор се включва източник на монохроматична светлина, въведена във влакното, измерва се интензитетът на потока на отразената светлина отзад, външното налягане върху сензора се изчислява от данните за калибриране и се показва на дисплея. В медицината например такива сензори се използват за наблюдение на вътречерепното налягане, за измерване на кръвното налягане в белодробните артерии, което не може да бъде достигнато по друг начин.