Сегодня для цели измерения давления в разных областях промышленности используют отнюдь не только ртутные барометры и анероиды, но и различные датчики, отличающиеся как принципом действия, так и достоинствами и недостатками, свойственными каждому типу таких датчиков. Современная электроника позволяет реализовывать датчики давления непосредственно на электрической, электронной базе.
Так что же мы понимаем под словосочетанием «электрический датчик давления»? Какие бывают электрические датчики давления? Как они устроены, и какими обладают особенностями? И наконец, какой датчик давления выбрать, чтобы он максимально подошел для той или иной цели? В этом и разберемся по ходу данной статьи.
Прежде всего определимся с самим термином. Датчиком давления называется устройство, выходные параметры которого зависят от измеряемого давления. В качестве исследуемой среды может выступать пар, жидкость или какой-нибудь газ, в зависимости от сферы применения конкретного датчика.
Современным системам необходимы точные приборы данного типа, как важные составные части систем автоматизации энергетической, нефтяной, газовой, пищевой и многих других промышленностей. Жизненно необходимы миниатюрные датчики давления в медицине.
Любой электрический датчик давления включает в себя: чувствительный элемент, служащий для передачи воздействия на первичный преобразователь, схему обработки сигнала и корпус. Принципиально электрические датчики давления подразделяются на:
-
Резистивные (тензорезистивные);
-
Пьезоэлектрические;
-
Пьезорезонансные;
-
Емкостные;
-
Индуктивные (магнитные);
-
Оптоэлектронные.
Резистивный или тензорезистивный датчик давления — это устройство, чувствительный элемент которого изменяет свое электрическое сопротивление под действием деформирующей нагрузки. Тензорезисторы устанавливаются на чувствительную мембрану, которая под давлением изгибается, и изгибает прикрепленные к ней тензорезисторы. Сопротивление тензорезисторов меняется, и соответственно меняется величина тока цепи первичного преобразователя.
Растяжение проводящих элементов каждого тензорезистора приводит к росту длины и уменьшению поперечного сечения, в результате сопротивление растет. При сжатии — наоборот. Относительные изменения сопротивления измеряются тысячными долями, поэтому в схемах обработки сигнала используются прецизионные усилители с АЦП. Так деформация преобразуется в изменение электрического сопротивления полупроводника или проводника, и далее — в сигнал напряжения.
Тензорезисторы обычно представляют собой зигзагообразный проводящий или полупроводящий элемент, нанесенный на гибкую подложку, которая приклеивается к мембране. Подложка как правило — из слюды, бумаги или полимерной пленки, а проводящий элемент — из фольги, тонкой проволоки или полупроводника, напыленного в вакууме на металл. Соединение чувствительного элемента тензорезистора с измерительной цепью осуществляется при помощи контактных площадок или проволочных выводов. Сами тензорезисторы имеют обычно площадь от 2 до 10 кв.мм.
Тензорезистивые датчики отлично подойдут для оценки уровня давления, силы нажатия и измерения веса.
Следующий тип электрического датчика давления — пьезоэлектрический. В качестве чувствительного элемента здесь выступает пьезоэлемент. Пьезоэлемент на основе пьезоэлектрика генерирует электрический сигнал при деформации, это так называемый прямой пьезоэффект. Пьезоэлемент помещается в измеряемую среду, и тогда ток в цепи преобразователя будет по величине пропорционален изменению давления в этой среде.
Поскольку для возникновения пьезоэффекта требуется именно изменение давления, а не постоянное давление, то данный тип датчиков давления годится лишь для измерения давления в динамике. Если же давление будет постоянным, то процесса деформации пьезоэлемента не произойдет, и ток не будет пьезоэлектриком сгенерирован.
Применяются пьезоэлектрические датчики давления, например, в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, пара, газа и других однородных сред. Такие датчики монтируют попарно в трубопровод с условным проходом от десятков до сотен миллиметров за телом обтекания и так регистрируют вихри, частота и количество которых оказываются пропорциональны объемному расходу и скорости потока.
Далее рассмотрим пьезорезонансные датчики давления. В пьезорезонансных датчиках давления работает обратный пьезоэффект, при котором пьезоэлектрик деформируется под действием подаваемого напряжения, и чем больше напряжение, тем сильнее деформация. В основе датчика — резонатор в форме пластины из пьезоэлектрика, с двух сторон которой нанесены электроды.
При подаче на электроды переменного напряжения, материал пластины вибрирует, изгибаясь то в одну, то в другую сторону, и частота вибрации равна частоте подаваемого напряжения. Однако если теперь пластину деформировать, подействовав на нее внешней силой, например посредством чувствительной к давлению мембраны, то частота свободных колебаний резонатора изменится.
Так, собственная частота резонатора отразит величину давления на мембрану, которая давит на резонатор, приводя к изменению частоты. В качестве примера можно рассмотреть датчик абсолютного давления на базе пьезорезонанса.
В камеру 1 через штуцер 12 передается измеряемое давление. Камера 1 отделена мембраной от чувствительной измерительной части прибора. Корпус 2, основание 6 и мембрана 10 соединены герметично между собой, образуя вторую герметичную камеру. Во второй герметичной камере на основании 6 закреплены держатели 9 и 4, второй из которых прикреплен к основанию 6 при помощи перемычки 3. Держатель 4 служит для фиксации чувствительного резонатора 5. Опорный резонатор 8 зафиксирован держателем 9.
Под действием измеряемого давления, мембрана 10 давит через втулку 13 на шарик 14, который также закреплен в держателе 4. Шарик 14 давит в свою очередь на чувствительный резонатор 5. Провода 7, закрепленные в основании 6, соединяют резонаторы 8 и 5 с генераторами 16 и 17 соответственно. Для формирования сигнала, пропорционального величине абсолютного давления служит схема 15, которая из разности частот резонаторов формирует выходной сигнал. Сам датчик размещен в активном термостате 18, в котором поддерживается постоянная температура 40 °C.
Одними из наиболее простых являются емкостные датчики давления. Два плоских электрода и зазор между ними образуют конденсатор. Один из электродов — мембрана, на которую действует измеряемое давление, что и приводит к изменению толщины зазора между, по сути, обкладками конденсатора. Общеизвестно, что емкость плоского конденсатора изменяется с изменением величины зазора при постоянной площади обкладок, поэтому для фиксации даже очень малых изменений давления емкостные датчики оказываются весьма и весьма эффективными.
Малогабаритные емкостные датчики давления позволяют измерять избыточное давление в жидкостях, газах, в паре. В различных технологических процессах с применением гидравлических и пневматических систем, в компрессорах, в насосах, на станках — во множестве промышленных задач оказываются полезными емкостные датчики давления. Конструкция датчика устойчива к перепадам температур и вибрациям, невосприимчива к электромагнитным помехам и агрессивным условиям среды.
Еще один тип электрических датчиков давления, отдаленно похожих на емкостные — индуктивные или магнитные датчики. Проводящая мембрана, чувствительная к давлению, расположена на некотором расстоянии от тонкого Ш — образного магнитопровода, на среднем керне которого намотана катушка. Между мембраной и магнитопроводом выставлен определенный воздушный зазор.
Когда на катушку подается напряжение, ток в ней создает магнитный поток, который проходит как через сам магнитопровод, так и через воздушный зазор и через мембрану, замыкаясь. Поскольку магнитная проницаемость в зазоре приблизительно в 1000 раз меньше, чем в магнитопроводе и в мембране, то даже небольшое изменение толщины зазора приводит к ощутимому изменению индуктивности цепи.
Под действием измеряемого давления чувствительная мембрана претерпевает изгиб, и комплексное сопротивление обмотки изменяется. Преобразователь конвертирует это изменение в электрический сигнал. Измерительная часть преобразователя выполнена по мостовой схеме, где в одно из плеч включена обмотка датчика. Посредством АЦП сигнал с измерительной части переводится в пропорциональный измеряемому давлению электрический сигнал.
Последний тип датчиков давления, который мы рассмотрим, - оптоэлектронные датчики. Они довольно просто детектируют давление, имеют высокую разрешающую способность, обладают высокой чувствительностью, и термостабильны. Работающие на основе интерференции света, использующие для измерения малых перемещений интерферометр Фабри-Перо, эти датчики особо перспективны. Кристалл оптического преобразователя с диафрагмой, светодиод, и детектор, состоящий из трех фотодиодов — вот основные части такого датчика.
К двум фотодиодам пристроены оптические фильтры Фаби-Перо, имеющие небольшую разницу в толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем оксида кремния, на поверхность которой нанесен тонкий слой алюминия.
Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок.
Два слоя металла формируют интерферометр Фабии-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине.
Примерно на этой основе фирма FISO Technologies производит микроскопические чувствительные датчики давления, диаметром всего 0,55 мм, легко проходящие сквозь игольное ушко. При помощи катетера мини-датчик вводится в исследуемый объем, внутри которого и измеряется давление.
Оптическое волокно связано с интеллектуальным сенсором, в котором под управлением микропроцессора включается источник монохроматического света, вводимого в волокно, измеряется интенсивность обратно отраженного светового потока, по калибровочным данным вычисляется внешнее давление на датчик и выводится на дисплей. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, для измерений давления крови в легочных артериях, куда иным способом невозможно добраться.