Деформационные манометры
Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы: трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром.
При измерении кристаллизующихся сред применяют манометры с открытым
чувствительным или разделительным элементом - сильфоном либо мембраной.
Диапазон давление от 100 до 107 Па и более. Погрешность 0,5-2,5%
11
Грузопоршневые манометры
В этих приборах измеряемое давление
МПа)
и
12
Тензорезистивные манометры
Наиболее перспективны приборы, действие которых основано
твердого
результате
Па до
под электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки.
Используются для измерения давления свыше 100 MПа.
Действие емкостных датчиков основано на преобразовании перемещения чувствительного элемента в изменение емкости конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрической проницаемости. Этим датчикам свойственны значительные температурные погрешности.
13
Тензорезистивные сенсоры на
полупроводниковом основании
•Типичный тензорезистивный сенсор давления на основе структуры КНС (кремний на спфире) состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой методом гетероэпитаксиального наращивания сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов. Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке не показана). Мембрана по технологическим соображениям делается достаточно толстой, поскольку поверхность, на которую припаивается КНС, должна быть отполирована с высокой чистотой.
14
тензорезистивные датчики
давления
Для всех полупроводниковых датчиков характерна зависимость их характеристик от температуры. На практике часто достаточно бывает простой температурной компенсации, выполняемой при помощи подключения к датчику последовательного или параллельного резистора. Для более точной компенсации используется встроенный детектор температуры, измеряющий температуру датчика давления
15
тензорезистивные датчики давления достоинства и недостатки
Достоинствами тензорезистивного принципа измерения давления являются:
•сравнительная простота в изготовлении,
•невысокая стоимость и потенциально широкий диапазон рабочих температур.
К недостаткам тензорезистивных сенсоров можно отнести:
•низкую чувствительность (в пределах 1%);
•значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и "усталости" металла мембраны);
•сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);
Кремниевые датчики давления на основе пьезорезистивного эффекта
Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезоорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину
R.
Коэффициент пьезочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника.
Конструкция пьезорезистивных полупроводниковых датчиков давления
Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере. Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафрагмы. Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует поверхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму. В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозионными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устройства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов.
Достоинства и недостатки пьезорезистивных полупроводниковых датчиков давления
Достоинствами пьезорезистивных сенсоров являются:
•малый гистерезис,
•стойкость к вибрации,
•однородность упругой мембраны.
Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
•низкая чувствительность (2...5%);
•сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
•недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
Подключение тензорезистивных и пьезорезистивных датчиков давления
Кремниевые тензорезистивные и пьезорезистивные датчики давления включаются как правило по мостовой схеме.
Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому напряжению, и следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагаются на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты чувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений резисторов также будут иметь разные знаки. В этом случае мост будет более чутко реагировать на приложенную силу.
Часто полупроводниковые датчики давления имеют по четыре резистивных чувствительных элемента которые