Принцип измерения давления с помощью тензорезистивных датчиков
Подождите немного. Документ загружается.
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Физические основы измерений»
ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ
Исполнитель: студент группы 113456
Хоменко А.О.
Руководитель: профессор
Джилавдари И. З.
Минск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................3
1 Методы преобразования давления..................................................................................................6
1.1 Тензометрический метод.........................................................................................................6
1.2 Пьезорезистивный метод........................................................................................................8
1.3 Емкостный метод...................................................................................................................10
1.4 Резонансный метод................................................................................................................11
1.5 Индуктивный метод................................................................................................................12
1.6 Ионизационный метод............................................................................................................13
2 Физический принцип действия тензорезистивного преобразователя давления.................18
3 ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ................................................23
4 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ..............................................................................................28
5 СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫМ
МЕТОДОМ............................................................................................................................................31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................34
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................35
3
ВВЕДЕНИЕ
Давление является одним из важнейших физических параметров, и его
измерение необходимо как, например, для определения расхода, количества
среды, так и в технологических целях, например для контроля и
прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы
напорных трубопроводов, а также для применения в автоматизированных
системах с частотными преобразователями со встроенными автоматическими
регуляторами в замкнутом контуре управления для изменения оборотов
электроприводов насосов.
Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с
отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе
первичного измерительного прибора применяются, например, манометры. Если
отображение значения давления на самом первичном приборе не производится,
но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий
измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным
преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Возможно
объединение этих двух свойств в одном приборе.
Измерительные приборы давления классифицируются по принципу
действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и
назначению, по типу отображения данных и другим признакам.
По виду измеряемого давления приборы подразделяются для измерения
избыточного и абсолютного давления – манометры, разрежения – вакуумметры,
давления и разрежения – мановакуумметры, атмосферного давления –
барометры и разностного давления – дифференциальные манометры
(дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения
небольших (до 20-40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно
4
напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким
диапазоном измерения – микроманометрами.
По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД
подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи
выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные
(получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его,
накапливают, отображают и передают на более высокий уровень измерительной
системы).
Особенности развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на
базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники,
предполагающей передачу части функций системы управления вторичным
преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных
преобразователей – первичным.
Известны многие способы преобразования давления в электрический
сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в
общепромышленных ИПД. По принципу действия или способу преобразования
измеряемого давления в выходной сигнал первичные ИПД подразделяются
прежде всего на деформационные и электрические. При этом в деформационных
ИПД перемещения чувствительного элемента (ЧЭ) трансформируются с
помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в
электрический или электромагнитный сигнал. В электрических ИПД при
измерении давления изменяются ЧЭ собственные электрические параметры:
сопротивление, емкость или заряд.
Современные общепромышленные ИПД реализованы на основе
емкостных (используют ЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором:
смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного
электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет емкость ЧЭ),
пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или
5
резонансной частоты пьезокристаллов от давления или тензорезисторных
(используют зависимость активного сопротивления проводника или
полупроводника от степени его деформации) принципах действия. Также
получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические,
гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.
6
1 Методы преобразования давления
Датчик давления состоит (рисунок 1.1) изMпервичного преобразователя
давления, вMсоставе которого чувствительный элемент иMприемник давления,
схемы вторичной обработки сигнала, различных поMконструкции корпусных
деталей иMустройства вывода. Основным отличием одних приборов отMдругих
является точность регистрации давления, которая зависит отMпринципа
преобразования давления вMэлектрический сигнал: тензометрический,
пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.
M
M
Рисунок 1.1 - Блок-схема преобразователя давления в электричекий сигнал
;
1.1 Тензометрический метод
MВ настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране
выпускаются на основе чувствительных элементов (рисунок1.1.2), принципом
которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в
эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной
твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых
тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.
M
7
Рисунок 1.1.2 - Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного
элемента
M
Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта
в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами,
соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды
мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит
к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации
резисторов и, следовательно, от приложенного давления.
MСледует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя –
неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и
существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это
обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с
конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на
основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности
с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.
К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного
элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное
производство, низкую стоимость.
8
M1.2 Пьезорезистивный метод
MПрактически все производители датчиков в России проявляют живой
интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе
монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые
преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную
стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.
MКремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рисунок 1.2.1)
представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с
диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона.
Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на
диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом
анодного сращивания.
M
M
Рисунок 1.2.1 - Кремниевый интегральный преобразователь давления
M
Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так
называемые, Low cost – решения (рисунок 1.2.2), основанные на использовании
чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.
M
9
M
Рисунок 1.2.2 - Low Cost решение для пьезорезистивных чувствительных
элементов с использованием защитного покрытия
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных
применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-
стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали,
передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством
кремнийорганической жидкости (рисунок 1.2.5).
M
M
Рисунок 1.2.3 - Преобразователь давления защищенный от измеряемой
среды посредством коррозионно-стойкой мембраны
M
Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более
высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями.
ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию
10
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.
M
1.3 Емкостный метод
MЕмкостные 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.
MВ элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками
обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рисунок 1.3.1).
M
M
Рисунок 1.3.1 - Емкостной преобразователь давления. В данном варианте
роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая
диафрагма
M
Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота
конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять
низкие давления и слабый вакуум.
M
11