Тензорезисторный датчик давления

В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, суть которого состоит в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации. Преобразователи данного вида представляют собой мембрану, на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы из высокоомного материала.

Для примера рассмотрим датчик САПФИР-22ДИ (рис.8) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя [5].

Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления [5].

Рис.8. Датчик САПФИР – 22ДИ

1 – прокладка; 2 – основание; 3 – полость;

4 – измерительный блок; 5 – электронное устройство;

6 – гермовывод; 7 – мембранный тензопреобразователь;

8 – полость тензопреобразователя; 9 – фланец;

10 –мембрана; 11 - камера

Частотно-резонансный датчик давления

В основу такого сенсора положен  известный "частотно-резонансный" принцип (при  приложении давления к чувствительному элементу датчика происходит пропорциональное изменение частоты собственных колебаний резонатора). Этот принцип можно наглядно продемонстрировать на примере струны: натяжение струны контролируется ее собственной частотой колебаний (тоном). При натяжении струны ее тон (частота собственных колебаний) становиться выше, при ослаблении – ниже. При колебаниях струны в магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний струны.

На этом принципе основана работа сенсоров давления DPHarp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) фирмы Yokogawa. Уникальность сенсора DPHarp заключается в том, что конструкция имеет чрезвычайно малые размеры (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния (кремниевый резонатор) без всяких швов, стыков и т.п.

Рассмотрим конструкцию сенсора (рис.9). В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствительных элемента. Чувствительные элементы - резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по знаку при приложении разности давлений к сенсору.

Рис. 9. Сенсор давления DPHarp фирмы Yokogawa.

Рис. 10. Электрическая схема частотного преобразователя.

Возбуждение колебаний и передача частоты механических колебаний в электрический, частотный сигнал происходят путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле (рис. 10-11) и пропускания переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Благодаря эффекту электромагнитной индукции, в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура. Обратная связь контура возбуждения по измерительному контуру вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие частоты электрических колебаний резонансной (собственной) частоте механических колебаний тела резонатора. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц.

Рис. 11. Схема частотного преобразователя.