Elektriske trykksensorer

I dag, for å måle trykk i ulike industriområder, brukes ikke bare kvikksølvbarometre og aneroider, men også ulike sensorer som er forskjellige både i prinsippet for drift og i fordelene og ulempene som ligger i hver type slike sensorer. Moderne elektronikk tillater implementering av trykksensorer direkte på elektrisk, elektronisk basis.

Så hva mener vi med begrepet "elektrisk trykksensor"? Hva er elektriske trykksensorer? Hvordan er de ordnet og hvilke funksjoner har de? Til slutt, hvilken trykksensor bør du velge slik at den er best egnet for et bestemt formål? Vi vil finne ut i løpet av denne artikkelen.

Først, la oss definere selve begrepet. En trykksensor er en enhet hvis utgangsparametere avhenger av det målte trykket. Testmediet kan være en damp, en væske eller en eller annen gass, avhengig av bruken av en bestemt sensor.

Moderne systemer krever presisjonsverktøy av denne typen som viktige komponenter i automasjonssystemer for kraft, olje, gass, mat og mange andre industrier.Miniatyrtrykktransdusere er avgjørende i medisin.

Hver elektrisk trykksensor inkluderer: et følsomt element som tjener til å overføre støtet til den primære transduseren, en signalbehandlingskrets og et hus. Hovedsakelig er elektriske trykksensorer delt inn i:

• Resistiv (tensoresistiv);

• Piezoelektriske;

• Piezo resonans;

• Kapasitiv;

• Induktiv (magnetisk);

• Optoelektronisk.

Resistiv eller strekkmåler trykksensor Dette er en enhet hvis følsomme element endrer sin elektriske motstand under påvirkning av en deformerende belastning. Strekkmålere er montert på en følsom membran som bøyer seg under trykk og bøyer strekkmålerne festet til den. Motstanden til strekkmålerne endres og størrelsen på strømmen i omformerens primærkrets endres tilsvarende.

Å strekke de ledende elementene til hver strekkmåler forårsaker en økning i lengde og en reduksjon i tverrsnitt, noe som resulterer i en økning i motstand. Ved kompresjon er det motsatt. Relative endringer i motstand måles i tusendeler, så presisjonsforsterkere med ADC-er brukes i signalbehandlingskretser. Dermed blir tøyningen omdannet til en endring i den elektriske motstanden til en halvleder eller leder og deretter til et spenningssignal.

Strekkmålere er vanligvis et sikksakk-ledende eller halvlederelement påført en fleksibel base som fester seg til membranen. Substratet er vanligvis laget av glimmer, papir eller polymerfilm, og det ledende elementet er en folie, tynn ledning eller halvleder vakuum-sprayet på metall.Tilkoblingen av det følsomme elementet til strekkmåleren til målekretsen utføres ved hjelp av kontaktputer eller ledninger. Strekkmålerne i seg selv har vanligvis et areal på 2 til 10 kvm.

Lastecellesensorer flott for å estimere trykknivåer, trykkstyrke og vektmåling.

Den neste typen elektrisk trykksensor er piezoelektrisk... Her fungerer det piezoelektriske elementet som et følsomt element Et piezoelektrisk element basert på en piezoelektrisk genererer et elektrisk signal når det deformeres, dette er den såkalte direkte piezoelektriske effekten. Det piezoelektriske elementet plasseres i det målte mediet og da vil strømmen i transduserkretsen være proporsjonal i størrelse med trykkendringen i det mediet.

Siden utseendet til den piezoelektriske effekten krever en presis endring i trykk i stedet for et konstant trykk, er denne typen trykktransduser kun egnet for dynamisk trykkmåling. Hvis trykket er konstant, vil deformasjonsprosessen til det piezoelektriske elementet ikke forekomme, og strømmen vil ikke genereres av det piezoelektriske.

Piezoelektriske trykksensorer brukes for eksempel i primærstrømstransdusere av virvelmålere for vann, damp, gass og andre homogene medier. Slike sensorer er installert parvis i en rørledning med en nominell åpning på titalls til hundrevis av millimeter bak strømningslegemet og registrerer dermed virvler hvis frekvens og antall er proporsjonale med den volumetriske strømningshastigheten og strømningshastigheten.

Vurder ytterligere piezo-resonante trykksensorer... I piezo-resonante trykksensorer fungerer den omvendte piezoelektriske effekten, der det piezoelektriske deformeres under påvirkning av den påførte spenningen, og jo høyere spenningen er, desto sterkere blir deformasjonen. Sensoren er basert på en resonator i form av en piezoelektrisk plate, på begge sider av hvilken elektroder er festet.

Når en vekselspenning påføres elektrodene, vibrerer platematerialet, bøyes i en eller annen retning, og frekvensen av vibrasjonene er lik frekvensen til den påførte spenningen. Men hvis platen nå deformeres ved å påføre en ekstern kraft på den, for eksempel gjennom en trykkfølsom membran, vil frekvensen av de frie oscillasjonene til resonatoren endres.

Så den naturlige frekvensen til resonatoren vil reflektere mengden trykk på membranen som trykker på resonatoren, noe som resulterer i en endring i frekvens. Som et eksempel, vurder en absolutt trykksensor basert på piezoresonans.

Det målte trykket overføres til kammer 1 gjennom tilkobling 12. Kammer 1 er adskilt med en membran fra den følsomme måledelen av anordningen. Legemet 2, basen 6 og membranen 10 er forseglet sammen for å danne et andre forseglet kammer. I det andre forseglede kammeret til basen 6 er holderne 9 og 4 festet, hvorav den andre er festet til basen 6 ved hjelp av en bro 3. Holderen 4 tjener til å feste den følsomme resonatoren 5. Den støttende resonatoren 8 er festet av holderen 9.

Under påvirkning av det målte trykket presser membranen 10 gjennom hylsen 13 på kulen 14, som også er festet i holderen 4.Kulen 14 presser på sin side den følsomme resonatoren 5. Ledninger 7, festet i basen 6, kobler resonatorene 8 og 5 til generatorene 16 og 17, henholdsvis. For å generere et signal proporsjonalt med størrelsen på det absolutte trykket, brukes kretsen 15, som genererer et utgangssignal fra forskjellen i frekvensene til resonatoren. Selve sensoren er plassert i en aktiv termostat 18, som holder en konstant temperatur på 40 °C.

Noen av de enkleste er kapasitive trykksensorer... De to flate elektrodene og gapet mellom dem danner en kondensator. En av elektrodene er en membran som det målte trykket virker på, noe som fører til en endring i tykkelsen på gapet mellom de faktiske kondensatorplatene. Det er velkjent at kapasitansen til en flat kondensator endres med en endring i størrelsen på gapet for et konstant område av platene, derfor, for å oppdage selv svært små endringer i trykk, er kapasitive sensorer veldig, veldig effektive.

Kapasitive trykksensorer med små dimensjoner tillater måling av overtrykk i væsker, gasser, damp. Kapasitive trykksensorer er nyttige i ulike industrielle prosesser ved bruk av hydrauliske og pneumatiske systemer, i kompressorer, i pumper, på maskinverktøy. Utformingen av sensoren er motstandsdyktig mot ekstreme temperaturer og vibrasjoner, immun mot elektromagnetisk interferens og aggressive miljøforhold.

En annen type elektriske trykksensorer, fjernt lik kapasitive - induktive eller magnetiske sensorer... Den trykkfølsomme ledende membranen er plassert i en viss avstand fra den tynne W-formede magnetiske kretsen, på den midtre kjernen som spolen er viklet i.Et visst luftgap settes mellom membranen og magnetkretsen.

Når en spenning påføres spolen, skaper strømmen i den en magnetisk fluks som passerer både gjennom selve magnetkretsen og gjennom luftgapet og gjennom membranen, og lukkes. Siden den magnetiske permeabiliteten i gapet er omtrent 1000 ganger mindre enn i den magnetiske kretsen og i membranen, fører selv en liten endring i tykkelsen til gapet til en merkbar endring i induktansen til kretsen.

Under påvirkning av det målte trykket bøyer sensormembranen seg og den komplekse motstanden til spolen endres. Svingeren konverterer denne endringen til et elektrisk signal. Måledelen av omformeren er laget i henhold til brokretsen, hvor spolen til sensoren er inkludert i en av armene. Ved hjelp av en ADC konverteres signalet fra måledelen til et elektrisk signal proporsjonalt med det målte trykket.

Den siste typen trykksensorer vi skal se på er optoelektroniske sensorer... De er ganske enkle å oppdage trykk, har høy oppløsning, har høy følsomhet og er termisk stabile. Disse sensorene opererer på grunnlag av lysinterferens og bruker et Fabry-Perot-interferometer for å måle små forskyvninger, og disse sensorene er spesielt lovende. En optisk omformerkrystall med en blenderåpning, en LED og en detektor bestående av tre fotodioder er hoveddelene til en slik sensor.

Fabi-Perot optiske filtre med liten tykkelsesforskjell er festet til to fotodioder. Disse filtrene er reflekterende silisiumspeil fra frontoverflaten dekket med et lag av silisiumoksid, på overflaten som et tynt lag av aluminium er avsatt.

Den optiske transduseren ligner på en kapasitiv trykksensor, membranen dannet ved etsing i et monokrystallinsk silisiumsubstrat er dekket med et tynt lag metall. Undersiden av glassplaten har også et metallbelegg. Det er et gap med bredde w mellom glassplaten og silisiumsubstratet, oppnådd ved bruk av to avstandsstykker.

To lag metall danner et Fabia-Perot-interferometer med variabel luftspalte w, som inkluderer: et bevegelig speil plassert på membranen, som endrer posisjon når trykket endres, og et stasjonært gjennomskinnelig speil parallelt med det på en glassplate.

På dette grunnlaget produserer FISO Technologies mikroskopiske følsomme trykktransdusere med en diameter på kun 0,55 mm som lett passerer gjennom nåløyet. Ved hjelp av et kateter settes en minisensor inn i det studerte volumet, hvor trykket måles.

Den optiske fiberen er koblet til en intelligent sensor, der, under kontroll av en mikroprosessor, en kilde med monokromatisk lys introdusert i fiberen slås på, intensiteten til den tilbakereflekterte lysfluksen måles, det eksterne trykket på sensoren beregnes fra kalibreringsdataene og vises på displayet. I medisin brukes for eksempel slike sensorer for å overvåke intrakranielt trykk, for å måle blodtrykket i lungearteriene, som ikke kan nås på noen annen måte.