Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.
Датчик давления состоит из:
- Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
- Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
- Электрическая схема.
Классификация и принцип работы
Волоконно-оптические
Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.
Оптоэлектронные датчики давления
Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет. Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.
При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои. Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.
Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры. Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика – кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор. Детектор составляют три светодиода.
К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.
Световой преобразователь подобен емкостному датчику. Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем. Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.
Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.
На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.
Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором. В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно. Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.
Магнитные
Магнитные датчики давления еще называют индуктивными. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.
Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.
При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.
Емкостные
Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.
Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.
Ртутные
Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда – определяется давление.
Пьезоэлектрические
Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом. В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.
Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.
Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред. Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.
Пьезорезонансные датчики давления
В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи. Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.
Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.
На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10. Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу. Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.
Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5. Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами. Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.
Резистивные датчики давления
Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.
Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.
Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм 2 . Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.