Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления современного исполнения сильно различаются конструктивно по причинам востребованного диапазона применений компонентов. Достаточно одного примера – измерители в составе тех же смартфонов, чтобы понять, насколько востребованным является такого рода оборудование. Обычно в составе смартфонов применяются сенсоры атмосферного давления, но в целом функциональное разнообразие такого типа измерителей куда более обширное.

Датчики давления под коммерческое (промышленное) применение

Если обратиться к области промышленного и коммерческого секторов, здесь отмечается множество требований относительно выполнения точных измерений давления, например:

  • внутри резервуара (резервуары промышленных компрессоров);
  • жидкой среды (путём измерения на дне сосуда);
  • как разницы между двумя точками (жидкостная или газовая среда).
  • относительно высоты над уровнем моря.

Измерения востребованы в самых разных случаях. Как правило, такая работа характерна для метеостанций мониторинга окружающей среды, для организации точной навигации транспорта и т.д. Важными критериями при этом, выступают:

  • диапазоны измерения,
  • экологическая пригодность,
  • физические размеры,
  • требования к мощности.

Отмечены критерии, существенно влияющие на решения инженеров, участвующих в разработке измерительных устройств. Рассмотрим наиболее часто проектируемые и воспроизводимые практически измерительные приборы.

Ёмкостные датчики давления

Измерительная система — ёмкостный датчик давления, содержит в конструкции конденсатор, дополненный одной жёсткой пластиной и одной гибкой мембраной в качестве электродов.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Ёмкостный датчик давления (принцип работы графически): 1 – смещённая диафрагма мембраны; 2 – измеряемое давление; 3 – фиксированная диафрагма мембраны; 4 – статическая пластина; 5 — изоляционный материал; 6 – задняя полость датчика

В условиях фиксированного положения этих электродов, ёмкость пропорциональна расстоянию между электродами. Величина, которую необходимо измерить, прикладывается к стороне гибкой мембраны.

Как результат – отклонение пластины мембраны вызывает изменение ёмкости – параметр, который допустимо измерить с помощью электрической цепи. На представленной ниже картинке показан принцип – как работают ёмкостные датчики давления.

Тензометрические датчики давления

Измерительный прибор — датчик давления тензометрического типа, отличается конструктивно тем, что здесь используются фольговые или силиконовые тензодатчики, включенные схематично мостом Уитстона.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Схема на тензометрический датчик давления, демонстрирующая принцип работы устройства: V+, V- приложенное напряжение; R1, R2, R3, R4 – резисторы с нулевым коэффициентом; S1, S2 – сигнал измерений; OUT – выходной сигнал

Результирующий сигнал моста усиливается и преобразуется для обеспечения подходящего выходного напряжения преобразователя (или тока преобразователя), фактически представляющего приложенное давление.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления пьезорезистивного типа

Схема элементов на датчики давления пьезорезистивного типа также предусматривает использование моста, аналогичного мосту Уитстона. На картинке ниже показано, как чувствительные элементы измерительного прибора мостового типа соединяются с гибкой диафрагмой.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Конструкция пьезорезистивных датчиков давления: 1 – диафрагма; 2 – пьезорезистивные сенсоры; 3 – допированный пъезорезистор; 4, 7 – тонкая диафрагма; 5 – внешняя сила; 6 – растягивающее напряжение

Соответственно, сопротивление изменяется в зависимости от величины отклонения диафрагмы устройства. Общая линейность для датчиков давления пьезорезистивного типа зависит от стабильности диафрагмы в указанном диапазоне измерения.

Также очевидной является зависимость от линейности тензодатчиков (пьезорезистивных элементов). Следует отметить: на практике пьезорезистивные элементы конкретного измерительного устройства могут располагаться несколькими способами с целью обеспечения высокой точности.

Датчики давления пьезоэлектрического типа

Конструктивно пьезоэлектрические датчики давления отличается тем, что здесь используется чувствительный элемент, изготовленный из материала, вырабатывающего электрическую энергию. Такими элементами обычно выступают кварц или турмалин.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Конструкция на пьезоэлектрический датчик измерения силы: 1 – чувствительная диафрагма; 2 – основание; 3 – кварцевый чувствительный элемент; 4 – выходной сигнал

Важной особенностью пьезоэлектрических систем является особенность производства энергии сигнала только при условии фиксируемых изменений. Соответственно, такого типа системы подходят исключительно под измерение динамической величины (не статической).

Что такое МЭМС (MEMS) датчики давления?

Обычно пьезорезистивные (ёмкостные) датчики давления представляются в виде достаточно габаритного устройства, например, электронного компонента или модуля под монтаж в стенку резервуара. Однако пьезомеханизм (ёмкостный механизм измерения) также допускает изготовление на кремниевой подложке в виде устройства MEMS.

Что такое MEMS? Аббревиатура расшифровывается с английского языка как Micro Electro Mechanical System. Соответственно, по-русски расшифровка звучит как Микро Электрическая Механическая Система, представляющая компактный блок для поверхностного монтажа. Габариты такого блока обычно не превышают 2-3 мм по каждой стороне.

Устройства MEMS традиционно включают в сборку не только датчики контроля силы, но также:

  • сенсор движения,
  • сенсор положения,
  • кремниевый микрофон.

Конструктивно сборки малоразмерные, стабильные и экономичные, обеспечивают расширенные функциональные возможности для оборудования с ограниченным пространством и стоимостью. Это идеальный вариант применения на мобильных телефонах и устройствах «Интернета вещей».

Устройства MEMS изготавливаются на основе кремния с использованием процессов легирования и травления. Эти процессы выполняются в масштабе чипа, в результате чего получается микроскопическое устройство, удачно подходящее под объединение с электроникой формирования сигнала.

Электронная схема MEMS датчики давления обеспечивает простое усиление для создания аналогового выхода, а также включение аналого-цифрового преобразования для генерации цифрового выхода.

Аналоговый выход видится полезным, если сигнал датчика давления предусматривается обрабатывать полностью в рамках аналоговой области. Или же когда разработчик предполагает использовать АЦП особенно высокого разрешения или точности. Также аналоговый подход актуален, когда микроконтроллер хоста системы содержит подходящий интегрированный АЦП на чипе.

В свою очередь цифровой датчик давления допускает проектирование без необходимости использования внешних компонентов преобразования, что позволяет экономить общее количество компонентов.

Пожалуй, одним из простейших типов измерительного устройства визуализации следует рассматривать датчики атмосферного давления. Такие устройства используются для измерения существующей атмосферной силы и включены в целый ряд конструкций, например, для внутренней навигации в смартфонах. Собственно, налицо миниатюрный датчик MEMS.

Обнаружение изменений силы атмосферного воздействия позволяет MEMS устройству теоретически рассчитать высоту над уровнем моря. Тогда вполне возможно определить, например, этаж здания, на котором находится пользователь:

  • многоэтажной автостоянки,
  • офисного здания,
  • многоквартирного дома,
  • торгового центра.

Датчики давления — это передатчики сигналов?

Нужно отметить: датчики давления — это общая терминология, касающаяся описания устройств измерения, которые фактически выступают преобразователями или передатчиками. Всё зависит от конструкции соответствующей электрической схемы.

Чувствительный элемент, отвечающий за обнаружение и количественную оценку воздействия приложенной силы, выдаёт выходной сигнал, который нельзя использовать непосредственно в электронной схеме. Например, в системе на основе микроконтроллера. Физический отклик предварительно требуется преобразовать в электрический сигнал. Только после этой процедуры возможно преобразование сигнала для создания подходящего под расчёты.

Преобразователем вычисляется физическое изменение, вызванное приложенной силой, в сигнал напряжения на высокоомной нагрузке. Передатчик, в свою очередь, генерирует токовый сигнал через нагрузку с низким сопротивлением.

Как результат — выходной сигнал, соответствующий стандарту промышленного применения 4-20 мА. Картинка ниже показывает пример схемы, необходимой для создания выходного сигнала 4–20 мА устройством мостового типа.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Типичная схема преобразования сигналов, применяемая для получения выходных значений требуемого уровня и формы: IC1 – инструментальный усилитель типа AD8226; IC2 – двухканальный усилитель типа ADA4091-2; R1, R2, R3, R4 – резисторы с нулевым коэффициентом допуска

Датчики давления вполне допустимо спроектировать для работы в качестве реле, которым генерируется простой сигнал включения / выключения. Такого типа сенсор попросту изменяет состояние при достижении заданного порогового значения.

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления многообразные измерительные приборы

Датчики давления и основные режимы по назначению

В общем и целом, такого типа измерительный прибор как таковой обеспечивает работу в одном из трёх режимов:

  1. Абсолютный.
  2. Избыточный.
  3. Дифференциальный.

Абсолютная величина определяется относительно нулевой отметки шкалы (0 Па). Или точнее выражаясь – относительно статического давления вакуума. Под такое назначение разрабатываются устройства с одним портом для подвода жидкости к чувствительному элементу, сила которой оказывает воздействие на элемент. Приложенная сила вызывает положительное изменение выходной мощности, величина которого пропорциональна приложенной силе.

Датчик избыточного типа измеряет силу относительно эталонной величины, которой обычно является местное атмосферное давление. Измерительное устройство избыточного режима работы имеет два порта под ввод жидкости при эталонной и контролируемой величине.

Датчик дифференциального типа, по сути, напоминает манометрический прибор. Но в данном случае опорной величиной является сила, прикладываемая в другой точке системы, как это определено разработчиком.

Изменение дифференциального выхода может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, что больше. Величина изменения пропорциональна разнице прикладываемых сил между двумя доменами.

При помощи информации: AVNET

Источник