Емкостные датчики давления
Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан).
Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение
Емкостные датчики давления
При использовании металлической диафрагмы ячейка делится на две части, с двух сторон которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер приводит к деформации мембраны, что изменяет емкости, разбалансируя мост. В настоящее время сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Газ будет контактировать только с камерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения давления загрязненных, агрессивных, радиоактивных газов и смесей неизвестного состава.
Емкостные датчики давления
Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений
Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. При наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков
Достоинства и недостатки емкостных датчиков давления
Преимуществами емкостного принципа измерения являются:
•сравнительно простая (на первый взгляд) конструкция сенсора,
•достаточно высокая чувствительность (∆C/C = 15...20%),
•большой практический опыт разработки датчиков с емкостными сенсорами, накопленный к настоящему времени.
Однако, несмотря на более чем 30-летнюю историю своего применения и совершенствования, емкостные сенсоры и сейчас обладают весьма существенными недостатками и ограничениями, вытекающими из базовых законов физики и до конца неустранимыми за счет совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления.
Такими недостатками являются:
•нелинейный выходной сигнал сенсора;
•значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
•сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
•существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
•недостаточная стабильность (из-за "усталости" материала мембраны);
•чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний
Пьезоэлектрический эффект
Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру, которая определяет свойства пьезопреобразователей. Так, кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, электрические оси X, проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла.
Вненапряженном состоянии в пластине все заряды
Пьезочувствительн скомпенсированы, и она является электрически нейтральной. ый элемент Если к пластине кварца вдоль оси X приложена сила F, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные
электрические заряды Q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением. Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.
Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же
пьезопреобразователь гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект).
Значение заряда при поперечном пьзоэффекте:
Конструкция пьезоэлектрических датчиков давления
Измеряемое давление преобразуется мембраной 4 в усилие, вызывающее сжатие столбиков кварцевых пластин 2. Возникающий электрический заряд Q через выводы 1 подается на электронный усилитель 5, обладающий большим входным сопротивлением—1013 Ом.
Чувствительность пьезоэлектрических измерительных преобразователей давления может быть повышена путем применения нескольких, параллельно включенных кварцевых пластин и увеличения эффективной площади мембраны.
Верхние пределы измерений пьезоэлектрических преобразователей давления
с кварцевыми чувствительными элементами 2,5 — 100 МПа.
Основным Недостатком пьезоэлектрических измерительных преобразователей является то, что в обычном исполнении они могут применяться только для измерения динамических усилий и давлений. Причина этого явления состоит в том, что электрический заряд,
Резонансный принцип измерения давления
Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании деформации резонатора в частоту колебаний.
В основу метода лежит известный "частотнорезонансный" принцип, который наглядно можно продемонстрировать на примере струны: натяжение струны контролируется ее собственной частотой колебаний (тоном). При натяжении струны ее тон (частота собственных колебаний) становится выше, приослаблении, наоборот, ниже. Сам по себе "частотнорезонансный" метод не нов, и в свое время производились датчики на этом принципе. Эти приборы хорошо себя зарекомендовали, однако не получили дальнейшего развития из-за низкой технологичности производства.
Современный резонансный сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану
специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два
резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло.
При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально 
приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким
Резонансный принцип измерения давления
Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет обычно около 90 кГц.
Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора
определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими
Резонансный принцип измерения давления
Изменение собственных частот резонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению. Дифференциальный выходной сигнал сенсора в сочетании с очень низким коэффициентом температурного расширения кремния обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления. Поскольку резонаторы идентичны, изменение температуры и статического давления приводит к сдвигу резонансных частот на одну и ту же величину, тогда как разность давлений изменяет разность частот. Кроме того, дифференциальный резонансный сенсор позволяет одновременно измерять сразу три величины: разность давлений, статическое давление и температуру. 
Резонансный принцип измерения давления
Частотный выходной сигнал с сенсора позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП, необходимость подстройки нуля и калибровки датчика после перенастройки шкалы (у цифрового датчика перенастройка сводится к изменению коэффициентов, используемых микропроцессором для пересчета результатов измерения в аналоговый выходной сигнал). При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется.