Рис. 5.  Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

     Основным  преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

     2.3 Емкостной метод

     Емкостные преобразователи используют метод  изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между  обкладками. Известны керамические или  кремниевые емкостные первичные  преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой  металлической мембраны. При изменении  давления мембрана с электродом деформируется  и происходит изменение емкости.

     В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено  маслом или другой органической жидкостью (рис. 6).

     

     Рис. 6. Емкостной преобразователь давления

     В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая  диафрагма.

     Достоинством  чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая  точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

     К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

     2.4 Резонансный метод

     Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В  основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

     Частным примером может служить кварцевый  резонатор (рис. 7). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую  схему и его поляризация. В  результате изменения давления частота  колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя  емкость конденсатора или индуктивность  катушки, можно добиться того, что  сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают  – наступает резонанс.

Рис. 7. Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, 
выполненного на кварце

     Преимуществом резонансных датчиков является высокая  точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого  материала.

     К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность  проводить измерения в агрессивных  средах без потери точности показаний  прибора.

     2.5 Индуктивный метод

     Индукционный  способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим  экраном (рис. 8). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического  контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного  тока таким образом, что заряд  и разряд катушек происходит через  одинаковые промежутки времени. При  отклонении мембраны создается ток  в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности  системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать  давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

     

     Рис. 8. Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

     Преимуществом такой системы, является возможность  измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная  зависимость.

     Однако  датчик чувствителен к магнитным  воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

     Подводя итог, приведем основные достоинства  и недостатки различных методов  преобразования давления в электрический  сигнал, результаты сведены в таблице 2.

     Таблица 2 – Достоинства и недостатки измерителей давления

 

     Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности –  надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и  расходометрии – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

     В большинстве случаев требуется  несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно  из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют  пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500ºС), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

     Датчики давления с нормализованным выходным сигналом

     Сегодняшний день невозможно представить без  микропроцессоров и микроконтроллеров (в дальнейшем МП). Они используются в устройствах проводной и  беспроводной связи, в промышленной и автомобильной электронике, в  аппаратуре вычислительной техники  и в бытовой аппаратуре и для  реализации предписанных программой функций  каждый МП должен получать информацию из внешнего мира - "увидеть" его, "услышать", "ощутить". Такими "органами чувств" для МП являются датчики - датчики давления, температуры, уровня, расхода, химического состава и т.п. 
         В общем ряду датчиков важное место, особенно в автомобильной и промышленной электронике, занимают датчики давления и в данной статье будет представлена серия MPX5000 фирмы Motorola - серия датчиков давления с нормализованным выходным сигналом.

                          

                                       а)                                                                      б)

     Условные  обозначения:

     а - Носитель базового кристалла (корпус 867-04);     
б - Датчик дифференциального давления с входными портами (корпус 86703).

     Рисунок 1- Общий вид датчиков давления серии MPX5000

 

     

     1.1.2 Принцип работы тензодатчика

     

 
 
 

     Рисунок 2 - Базовый элемент некомпенсированного  датчика (вид сверху) 

     Датчик  работает таким образом: ток возбуждения  протекает по резистору (отводы 1(земля) и 3(напряжение)) а подаваемое к диафрагме  давление, воздействуя на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе  поперечного электрического поля , которое проявляется как напряжение на отводах 2(выходное напряжение с « + ») и 4(выходное напряжение с « - »), соединенных со средней точкой резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению. Одноэлементный тензодатчик, с поперечным съемом напряжения, можно рассматривать как механический аналог прибора на эффекте Холла. 
        Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами. 
        Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех , чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уитстоуна. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит, в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

 

Упругие элементы

     Упругие элементы предназначаются для виброизоляции  и гашения энергии удара, для  выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров  и натяга в механизмах. Упругая характеристика, жесткость и чувствительность.

     Упругая характеристика - это зависимость между перемещением X определённой точки упругого элемента и величиной нагрузки р. Упругая характеристика является основным показателем свойств упругих элементов.

     1.4.1 Плоские пружины

     В приборостроении широко применяются  прямые, кривые, спиральные пружины  различных форм и размеров. Они  называются плоскими, если оси этих пружин представляют собой плоские кривые. Плоские пружины успешно используются в качестве измерительных, направляющих, упругих подвесов, подвижных частей прибора и др. Плоские пружины изготовляются из круглой проволоки, но чаще они штампуются из пружинной ленты.

     Плоские пружины применяются в различных  устройствах, в роли кинематических элементов приборов: упругих опор и направляющих, гибких связей и деталей передаточно-множительных механизмов. Плоские пружины выполняют функции измерения в вибрографах, акселографах, тахометрах, манометрах, тягомерах и так далее.

     1.4.2 Винтовые пружины

     Винтовые  пружины обычно навиваются из проволоки  в виде пространственной спирали. Винтовые пружины бывают: Цилиндрические, спиральные, конические, параболоидные.

     Винтовые  пружины используются особенно часто  в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели.

     1.4.3  Мембраны

     Во  многих манометрических приборах в  качестве упругого элемента применяются  мембраны - гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы го₀ под действием давления.

     Существуют  плоские, гофрированные, выпуклые (сферические или конические) мембраны. Неметаллические мембраны имеют весьма малую жесткость и поэтому, как правило, работают совместно о измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразой;ание давления в усилие, воспринимаемое упругим элементом - пружиной.

     1.4.4 Манометрические трубчатые пружины

     В манометрических приборах широко используется свойство полой трубки деформироваться  под действием давления. Обычно манометрическая  трубчатая пружина представляет собой тонкостенную кривую трубку вытянутого поперечного сечения. Манометрические  трубчатые пружины бывают одновитковые (пружины бурдюка), многовитковые - винтовые или спиральные (пружины Бойса). В последнее время в манометрических приборах высокого давления (порядка сотен кгс/см²) нашли применение так называемые «витые» трубчатые пружины, представляющие собой естественную закругленную трубку.