2.3Схемы включения датчиков давления.

Основными схемами включения тензометрических датчиков давления, применяемыми в настоящее время, являются мостовые схемы. Представленные схемы могут быть выполнены как на переменном, так и на постоянном токе.

Для проведения измерений в одно или несколько плеч моста включаются резистивные измерительные преобразователи. При изменении сопротивлений тензорезисторов изменяется напряжение в измерительной диагонали моста. Это напряжение является выходным сигналом моста. Чувствительность мостовой схемы определяется как отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряженияVo к напряжению питания (возбуждения) моста Vв:

.

Рис. 9. Схемы включения мостов.

На практике применяются различные конфигурации мостовых схем. На рисунке 9 приведены различные схемы включения мостов, их выходные напряжения и нелинейность.

Четвертьмостовая конфигурация имеет один чувствительный резистор. Зависимость выходного сигнала такого моста от отклонения сопротивления ΔR одного из резисторов от номинала нелинейна.

Полумостовая конфигурация имеет два идентичных активных резистивных преобразователя. Коэффициент передачи такой схемы в 2 раза выше чем у четвертьмостовой и зависимость выходного сигнала от ΔR линейна.

Полномостовая конфигурация имеет максимальный выходной сигнал и линейна по своей природе. Кроме того, такая схема является одним из эффективных способов температурной компенсации у полупроводниковых тензорезисторов. Выходной сигнал такого моста практически не зависит от температурного “ухода” сопротивлений, так как тензорезисторы находятся в одинаковых температурных условиях и изменение их сопротивлений взаимно компенсируется. Даная схема широко применяется в прецизионных тензорезистивных преобразователях, выпускаемых промышленностью.

2.4Полупроводниковые тензодатчики

Датчики давления в которых в качестве чувствительного элемента используются металлические или полупроводниковые тензорезисторы называют тензометрическими. Тензометрический датчик измеряет силу косвенным методом – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления можно конвертировать его упругим элементом в силу, а затем измерить её тензометрическим методом.

Полупроводниковые тензодатчики используют пьезорезистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления при механических напряжениях. Они обладают в 30…70 раз большей чувствительностью чем металлические, но имеют слишком большой температурный коэффициент сопротивления и высокую нелинейность функции преобразования. Их используют в приложениях где вариации температуры малы, важна величина чувствительности и не требуется высокой точности измерений (погрешность на уровне нескольких процентов).

Принцип работы полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) заключается в следующем: области энергии кристалла состоят из нескольких эквивалентных энергетических минимумов; приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации минимумов, в результате этого зарядоносители перераспределяются; так как зарядоносители обладают различной подвижностью на разных уровнях, то средняя подвижность зарядов изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления. Коэффициент тензочувствительности ПТ:

,

где - относительное изменение длины ПТ; Е - модуль продольной упругости материала ПТ. Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (более 150). У приклеенных на упругий элемент тензорезисторов коэффициент меньше, чем у тензорезисторов в свободном состоянии, за счет влияния переходного слоя клея.

Большинство выпускаемых ПТ изготовляют из кремния. Кристаллы ПТ, используемых на практике, обычно легируются до величины удельного сопротивления от 0.02 до 0.2 Ом*см. Пластину ПТ вырезают из монокристалла кремния, шлифуют и затем вытравливают до получения необходимой толщины (0.03 – 0.05 мм) или получают вытягиванием из переохлажденного полупроводникового расплава (дендриды германия и кремния). ПТ можно также получать кристаллизацией из паров кремния, при этом они приобретают нитевидную форму.

Полупроводниковые тензодатчики давления чувствительны к ударам, вибрациям, ядерной радиации и другим внешним воздействиям, однако основным фактором, вызывающим погрешности в измерениях давления, является изменение температуры окружающей среды, что ограничивает их применение на борту самолета.

Выходной электрический сигнал датчика давления и его полный дифференциал можно представить в следующем виде:

;

,

и в линеаризованном виде:

,

где и - соответственно чувствительность датчика по давлению и температуре.

Линеаризация допустима, поскольку статические характеристики датчиков линейны в пределах ± 1.5 % верхнего предела измерений. Температурные характеристики датчиков должны представляться в виде двух зависимостей:

; .