Публикации

Тензодатчики в технике измерения давления

Тензодатчики – это измерительные устройства, изменяющие свое электросопротивление через механическую деформацию. Они используются в различных измерительных приборах, например, в весах, а также датчиках давления.

Мембрана датчика

Рисунок 1: деформация тензодатчика под давлением

Работа датчиков давления основана на нескольких физических переменных, среди которых индуктивность, емкость, пьезоэлектричество. Однако основным физическим свойством в работе датчиков давления является электрическое сопротивление, возникающее при деформации металла или пьезорезистивном эффекте полупроводниковых тензодатчиков. Давление определяется механической деформацией, при которой тензодатчики крепятся к эластичному держателю. Здесь важно, чтобы тензодатчики могли следовать за движениями этого держателя. Когда на него действует давление, возникающая деформация измененяет поперечное сечение дорожек проводника, что в свою очередь вызывает сдвиг электрического сопротивления. Именно это изменение электрического сопротивления регистрирует датчик давления и по нему затем можно определить давление.

В результате деформации проводника изменится его длина (Δl). А поскольку его объем остается неизменным, меняются сечение и сопротивление R: ΔR/R = k • Δl/l

Измерение сопротивления

Рис. 2 Измерение сопротивления

Изменение сопротивления (ΔR) пропорционально изменению длины (Δl), а коэффициент пропорциональности (k) будет зависеть как от геометрии, так и от свойств материала. Например, для металлических проводников k=2, но коэффициент также может быть очень высоким в полупроводниках. Из-за относительно высоких «k-факторов» полупроводники более чувствительны и могут измерять даже малейшие изменения давления. Однако вместе с этим увеличивается и их температурная зависимость.

Изменение сопротивления в металлических тензометрических датчиках обусловлено изменением размеров (геометрии). Однако в полупроводниковых тензометрических датчиках это изменение связано с изменением кристаллической структуры (пьезорезистивный эффект ).

Оценка изменения сопротивления, вызванного деформацией из-за давления, затем осуществляется по мостовой схеме. Для этого тензодатчики соединяются, чтобы сформировать мост Уитстона (рис. 2). Два из них расположены в радиальном направлении, а два ― в тангенциальном. Таким образом, два растягиваются, а два сжимаются при деформации. Чтобы компенсировать температурные эффекты и получить максимально линейный сигнал, важно чтобы тензодатчики имели одинаковое сопротивление и были расположены геометрически точно.

Металлические тензодатчики

Среди металлических тензодатчиков различаются варианты с использованием фольги и тонкопленочные.

Фольговые тензодатчики состоят из рулонной фольги толщиной всего несколько микрон. В качестве материала обычно используется константан, но может применяться также Karma и Modco, особенно если требуется больший температурный диапазон или способность работать при температуре ниже -150°C. Константан имеет очень низкий «k-фактор» (2,05) и поэтому не очень чувствителен. Материал демонстрирует пониженную температурную зависимость, поэтому чаще всего используется в фольговых тензодатчиках.

Фольговые тензодатчики зачастую недостаточно чувствительны, поскольку не могут регистрировать значения менее одного бара. Их температурный диапазон также относительно ограничен, и, в зависимости от версии, не допускается превышение температуры выше 80°C.

Тонкопленочные тензодатчики изготавливаются по так называемой тонкопленочной технологии, например, путем осаждения из паров или напыления. Процесс производства здесь более сложный и более дорогой, чем в случае с фольгой. Но с другой стороны, возможен температурный диапазон 170 °С, и долговременная стабильность впечатляет.

Металлические тонкопленочные тензодатчики долго работают стабильно, но и стоят довольно дорого. Чем ниже давление, с которым предстоит работать, тем выше будет стоимость изготовления прибора. Давление менее 6 бар можно определять только с низкой точностью.

В полупроводниковых материалах пьезорезистивный эффект примерно в 50 раз более выражен, чем у металлических тензодатчиков. Полупроводниковые тензодатчики либо приклеиваются к плате, либо наносятся непосредственно на нее напылением. Последний способ обеспечивает интенсивное склеивание и гарантирует свободу от гистерезиса, устойчивость к старению и температурную стабильность. Хотя пьезорезистивный эффект не является исключительным для полупроводникового тензометрического датчика, термин «пьезорезистивный датчик давления» стал использоваться для инструментов, в которых упругая структура деформируется под давлением, и все резисторы объединены в одну микросхему. Пьезорезистивные датчики давления могут быть небольших размеров и без каких-либо подвижных частей (кроме мембраны). Их производство основано на обычных методах изготовления полупроводников. В то же время, существует возможность интеграции резисторов с эластичной мембраной, которая деформируется под давлением на чип. Таким образом, возможно производить измерительную ячейку только размером с чип.

Пьезо-тонкопленочные тензодатчики прикреплены к кремниевой плате и отделены от нее изолирующим слоем. Это увеличивает стоимость, но прибор может работать в диапазоне от -30 °C до +200 °C. Благодаря высокоэластичным свойствам кремния, гистерезис будет низким. Благодаря высокому «k-фактору» достигается высокая чувствительность, поэтому пьезорезистивные датчики давления являются лучшим выбором для наименьших диапазонов давления по шкале мбар. А возможность изготовления компактных приборов еще больше расширяет возможности их применения. Радуют их долговременная стабильность и совместимость с ЭМС (последнее зависит от материала держателя). Однако температурная компенсация потребует немного больше усилий.

Толстопленочные тензометры напечатаны на керамических или металлических мембранах. При толщине 20 микрон они в 1000 раз толще тонкопленочных тензодатчиков. Их производство значительно дешевле, но они не гарантируют долговременную стабильность из-за старения толстой пленки.

Итоги: Тип используемого тензодатчика оказывает большое влияние на измерительный прибор. В выборе правильного датчика давления важную роль играют цена, точность и долговременная стабильность. По нашему опыту, датчики давления с пьезопленочными тонкопленочными тензометрами оказались наиболее эффективными, поскольку благодаря своей чувствительности они могут регистрировать широкие диапазоны давления с высокой точностью, а также демонстрируют хорошую долговременную стабильность.

Полупроводниковые тензометры

Рисунок 3: пьезорезистивное измерительное устройство

Работа полупроводниковых тензодатчиков основана на пьезорезистивном эффекте. В большинстве случаев их изготавливают из кремния. Полупроводниковые тензометры обладают большей чувствительностью по сравнению с металлическими. Обычно они отделяются от среды разделительной мембраной, причем давление передается через проводящую жидкость.

Начало активности (дата): 15.04.2020
15.04.2020
Просмотров:332

Возврат к списку

Нажмите для звонка
8 800 333-65-54
Многоканальный
8 (812) 640-36-69
Офис в г. Санкт-Петербург