Elektriske tryksensorer

For at måle tryk i forskellige industriområder anvendes i dag ikke kun kviksølvbarometre og aneroider, men også forskellige sensorer, der adskiller sig både i princippet om drift og i de fordele og ulemper, der er forbundet med hver type af sådanne sensorer. Moderne elektronik tillader implementering af tryksensorer direkte på en elektrisk, elektronisk basis.

Så hvad mener vi med udtrykket "elektrisk tryksensor"? Hvad er elektriske tryksensorer? Hvordan er de indrettet og hvilke funktioner har de? Til sidst, hvilken tryksensor skal du vælge, så den er bedst egnet til et bestemt formål? Det finder vi ud af i løbet af denne artikel.

Lad os først definere selve begrebet. En tryksensor er en enhed, hvis udgangsparametre afhænger af det målte tryk. Testmediet kan være en damp, en væske eller en eller anden gas, afhængigt af anvendelsen af ​​en bestemt sensor.

Moderne systemer kræver præcisionsværktøjer af denne type som vigtige komponenter i automationssystemer til kraft, olie, gas, fødevarer og mange andre industrier.Miniature tryktransducere er vitale i medicin.

Hver elektrisk tryksensor inkluderer: et følsomt element, der tjener til at overføre stød til den primære transducer, et signalbehandlingskredsløb og et hus. Hovedsageligt elektriske tryksensorer er opdelt i:

• Resistiv (tensoresistiv);

• Piezoelektriske;

• Piezo resonans;

• Kapacitiv;

• Induktiv (magnetisk);

• Optoelektronisk.

Resistiv eller strain gauge tryksensor Dette er en enhed, hvis følsomme element ændrer sin elektriske modstand under påvirkning af en deformerende belastning. Strain gauges er monteret på en følsom membran, der bøjer under tryk og bøjer de strain gauges, der er fastgjort til den. Modstanden af ​​strain gauges ændres, og størrelsen af ​​strømmen i konverterens primære kredsløb ændres tilsvarende.

Strækning af de ledende elementer i hver strain gauge forårsager en stigning i længden og et fald i tværsnit, hvilket resulterer i en stigning i modstanden. Ved kompression er det modsat. Relative ændringer i modstand måles i tusindedele, så præcisionsforstærkere med ADC'er bruges i signalbehandlingskredsløb. Således omdannes belastningen til en ændring i den elektriske modstand af en halvleder eller leder og derefter til et spændingssignal.

Strain gauges er normalt et zigzag-ledende eller halvlederelement, der påføres en fleksibel base, der klæber til membranen. Substratet er normalt lavet af glimmer, papir eller polymerfilm, og det ledende element er en folie, en tynd tråd eller en halvleder, der er vakuumsprøjtet på metal.Forbindelsen af ​​det følsomme element af strain gauge til målekredsløbet udføres ved hjælp af kontaktpuder eller ledninger. Selve strain gauges har normalt et areal på 2 til 10 mm2.

Vejecellesensorer fantastisk til estimering af trykniveauer, trykstyrke og vægtmåling.

Den næste type elektrisk tryksensor er piezoelektrisk... Her fungerer det piezoelektriske element som et følsomt element Et piezoelektrisk element baseret på en piezoelektrisk genererer et elektrisk signal, når det deformeres, dette er den såkaldte direkte piezoelektriske effekt. Det piezoelektriske element placeres i det målte medium, og så vil strømmen i transducerkredsløbet være proportional i størrelse med trykændringen i det pågældende medium.

Da fremkomsten af ​​den piezoelektriske effekt kræver en præcis trykændring frem for et konstant tryk, er denne type tryktransducer kun egnet til dynamisk trykmåling. Hvis trykket er konstant, vil deformationsprocessen af ​​det piezoelektriske element ikke forekomme, og strømmen vil ikke blive genereret af det piezoelektriske element.

Piezoelektriske tryksensorer anvendes for eksempel i primærstrømstransducere af hvirvelmålere til vand, damp, gas og andre homogene medier. Sådanne sensorer installeres parvis i en rørledning med en nominel åbning på ti til hundreder af millimeter bag strømningslegemet og registrerer således hvirvler, hvis frekvens og antal er proportionale med den volumetriske strømningshastighed og strømningshastigheden.

Overvej yderligere piezo-resonante tryksensorer... I piezo-resonante tryksensorer virker den omvendte piezoelektriske effekt, hvor det piezoelektriske deformeres under påvirkning af den påførte spænding, og jo højere spænding, jo stærkere deformation. Sensoren er baseret på en resonator i form af en piezoelektrisk plade, på begge sider af hvilken elektroder er fastgjort.

Når en vekselspænding påføres elektroderne, vibrerer pladematerialet, bøjer i den ene eller anden retning, og frekvensen af ​​vibrationerne er lig med frekvensen af ​​den påførte spænding. Men hvis pladen nu deformeres ved at påføre den en ydre kraft, for eksempel gennem en trykfølsom membran, så vil frekvensen af ​​resonatorens frie svingninger ændre sig.

Så den naturlige frekvens af resonatoren vil afspejle mængden af ​​tryk på membranen, der presser på resonatoren, hvilket resulterer i en ændring i frekvensen. Som et eksempel kan du overveje en absolut tryksensor baseret på piezo-resonans.

Det målte tryk overføres til kammer 1 gennem tilslutning 12. Kammer 1 er adskilt af en membran fra apparatets følsomme måledel. Legemet 2, bunden 6 og membranen 10 er forseglet sammen for at danne et andet forseglet kammer. I det andet forseglede kammer i basen 6 er holdere 9 og 4 fastgjort, hvoraf den anden er fastgjort til basen 6 ved hjælp af en bro 3. Holderen 4 tjener til at fastgøre den følsomme resonator 5. Den understøttende resonator 8 er fastgjort af indehaveren 9.

Under påvirkning af det målte tryk presser membranen 10 gennem muffen 13 på kuglen 14, som også er fastgjort i holderen 4.Kuglen 14 presser på sin side den følsomme resonator 5. Ledninger 7, der er fastgjort i basen 6, forbinder resonatorerne 8 og 5 til generatorerne 16 og 17, henholdsvis. For at generere et signal, der er proportionalt med størrelsen af ​​det absolutte tryk, anvendes kredsløb 15, som genererer et udgangssignal fra forskellen i resonatorens frekvenser. Selve føleren er placeret i en aktiv termostat 18, som holder en konstant temperatur på 40°C.

Nogle af de simpleste er kapacitive tryksensorer... De to flade elektroder og mellemrummet mellem dem danner en kondensator. En af elektroderne er en membran, som det målte tryk virker på, hvilket fører til en ændring i tykkelsen af ​​mellemrummet mellem de faktiske kondensatorplader. Det er velkendt, at kapacitansen af ​​en flad kondensator ændres med en ændring i størrelsen af ​​mellemrummet for et konstant område af pladerne, derfor er kapacitive sensorer meget, meget effektive for at detektere selv meget små trykændringer.

Kapacitive tryksensorer med små dimensioner tillader måling af overtryk i væsker, gasser, damp. Kapacitive tryksensorer er nyttige i forskellige industrielle processer ved hjælp af hydrauliske og pneumatiske systemer, i kompressorer, i pumper, på værktøjsmaskiner. Sensorens design er modstandsdygtig over for ekstreme temperaturer og vibrationer, immun over for elektromagnetisk interferens og aggressive miljøforhold.

En anden type elektriske tryksensorer, der fjernt ligner kapacitive - induktive eller magnetiske sensorer... Den trykfølsomme ledende membran er placeret i en vis afstand fra det tynde W-formede magnetiske kredsløb, på den midterste kerne af hvilken spolen er viklet.Et vist luftgab er indstillet mellem membranen og det magnetiske kredsløb.

Når en spænding påføres spolen, skaber strømmen i den en magnetisk flux, der passerer både gennem selve det magnetiske kredsløb og gennem luftgabet og gennem membranen og lukker. Da den magnetiske permeabilitet i mellemrummet er cirka 1000 gange mindre end i det magnetiske kredsløb og i membranen, fører selv en lille ændring i tykkelsen af ​​mellemrummet til en mærkbar ændring i kredsløbets induktans.

Under påvirkning af det målte tryk bøjer sensormembranen, og spolens komplekse modstand ændres. Transduceren konverterer denne ændring til et elektrisk signal. Måledelen af ​​konverteren er lavet efter brokredsløbet, hvor sensorens spole er inkluderet i en af ​​armene. Ved hjælp af en ADC omdannes signalet fra måledelen til et elektrisk signal proportionalt med det målte tryk.

Den sidste type tryksensor, vi vil se på, er optoelektroniske sensorer... De er ret enkle at detektere tryk, har høj opløsning, har høj følsomhed og er termisk stabile. Disse sensorer, der opererer på basis af lysinterferens, ved hjælp af et Fabry-Perot-interferometer til at måle små forskydninger, er særligt lovende. En optisk konverterkrystal med en blænde, en LED og en detektor bestående af tre fotodioder er hoveddelene af en sådan sensor.

Fabi-Perot optiske filtre med en lille tykkelsesforskel er fastgjort til to fotodioder. Disse filtre er reflekterende siliciumspejle fra den forreste overflade dækket af et lag siliciumoxid, på hvis overflade et tyndt lag aluminium er aflejret.

Den optiske transducer ligner en kapacitiv tryksensor, membranen dannet ved ætsning i et monokrystallinsk siliciumsubstrat er dækket med et tyndt lag metal. Undersiden af ​​glaspladen har også en metalbelægning. Der er et mellemrum i bredden w mellem glaspladen og siliciumsubstratet, opnået ved hjælp af to afstandsstykker.

To lag metal danner et Fabia-Perot interferometer med et variabelt luftgab w, som omfatter: et bevægeligt spejl placeret på membranen, som ændrer sin position, når trykket ændres, og et stationært gennemskinnelig spejl parallelt med det på en glasplade.

På dette grundlag producerer FISO Technologies mikroskopiske følsomme tryktransducere med en diameter på kun 0,55 mm, der let passerer gennem nåleøjet. Ved hjælp af et kateter indsættes en minisensor i det undersøgte volumen, hvori trykket måles.

Den optiske fiber er forbundet med en intelligent sensor, hvori, under styring af en mikroprocessor, tændes en kilde af monokromatisk lys, der indføres i fiberen, intensiteten af ​​den tilbagereflekterede lysflux måles, det eksterne tryk på sensoren beregnes ud fra kalibreringsdataene og vises på displayet. I medicin bruges sådanne sensorer for eksempel til at overvåge intrakranielt tryk, til at måle blodtryk i lungearterierne, som ikke kan nås på anden måde.