Приемущества резонансного принципа измерения давления

Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ:

•резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса (<0,001% измеряемой величины, в пределах погрешности эталонных средств измерения) и практически лишен нелинейности (<0,003% измеряемой величины),

•собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов, что обеспечивает сенсору иммунитет к вибрации,

•дифференциальный выходной сигнал сенсора обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления,

•у резонансного сенсора отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен "усталости", что обеспечивает практически абсолютную стабильность,

•частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового

Магнитные (индуктивные) датчики давления

Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение

Конструкция магнитных датчиков давления

дифференциальная мостовая схема

схема

Достоинствами индуктивных датчиков являются: а) высокая чувствительность; б) надежность в работе; в)

большой срок службы; г) большая мощность на выходе. К недостаткам относятся: а) нелинейность

характеристики; б) наличие тока холостого хода на выходе датчика при нулевом положении якоря, т.е. при d =0; в) необходимость значительных усилий для перемещения якоря, так как в процессе работы датчика на якорь действует тяговое усилие со стороны электромагнита.

Указанные недостатки отсутствуют в реверсивных (двухтактных) датчиках, которые могут быть выполнены либо по дифференциальной либо по мостовой схемам.

При возбуждении мостовой схемы высокочастотным сигналом ее выходной сигнал модулируется по амплитуде приложенным давлением. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна разбалансу

Оптоэлектронные датчики давления

Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой чувствительностью. Оптические измерительные преобразователи давления воздуха (или других газов) и акустических колебаний могут быть созданы на основе нескольких принципов:

1.Изменение показателя преломления одного или нескольких слоев; в этом случае некоторые из слоев имеют воздушное (или газовое) заполнение и сообщаются с измеряемой средой; изменения давления приводят к изменениям показателя преломления слоя.

2.Изменение толщины одного или нескольких слоев; такая структура имеет мембранную структуру, и изменение давления приводит к равномерному или неравномерному законам распределения толщины слоя.

3.Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света. Такие

преобразователи используют принцип измерения малых перемещений с

Оптоэлектронные датчики давления

на основе эффекта интерференции

Диафрагма, сформированная­ методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено­ металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой­ существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором­ w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное­ полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связана­ с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения­ меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на измерении­ модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных­ излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется­ шириной рабочей полости

интерферометра w, а его период равен 1/2w.

давления

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем.

1.Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины.

2.В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения.

3.Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство.

На представленном примере излучение от свстодиода (СИД) по волоконно-оптическому тракту через разветвитель поступает на (ЧЭ). Границы ЧЭ выполняют роль зеркал: подвижного М2 и неподвижного M1, расположенных в исходном состоянии па расстоянии h0. Таким образом,

ЧЭ представляет собой интерферометр Фабри-Перо слабого контраста с базой h0. Отраженное от интерферометра излучение через волоконно-

оптический тракт и разветвитель поступает на фотоприёмное устройство

(ФП), выходной сигнал которого пропорционален мощности

Вакуумные датчики

•При производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компонентов,­ а также в ходе проведения химических и других технологических процессов­ бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, например, в космических­ исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия давления­ газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом про­ странстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.

•Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регис­ трироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут определять­ очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах,

которые основываются на некоторых физических­ свойствах молекул газов и

Вакууметры Пирани

Для измерения температуры в состав датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы.

Камера датчика разделена на две идентичные секции. В одной из секций газ находится при эталонном давлении (например, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере, давление в которой необходимо измерить.

В каждой камере есть нагреваемый термочувствительный элемент, который для уменьшения теплопередачи через окружающие твердые предметы подвешен на очень тонких соединительных элементах. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопотери.

Термосенсоры нагреваются при помощи

электрических нагревателей или за счёт

термисторов

В рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК.). Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процесса саморазогрева. Эталонный термистор Sr включен в схему самобалансирующегося­ моста, в

состав которого входят также резисторы: Rv , Rr , R2 и ОУ. Мостовая схема автоматически выводит температуру термистора Sr на постоянный уровень Tr. Конденсатор С не допускает возникновения в схеме колебательных

режимов. То же самое напряжение Е, которое используется для нагрева эталонного термистора, подается на чувствительный термистор­ Sv, через

резистор Rv, равный резистору Rr. Выходное­ напряжение снимается относительно чувствительного­ термистора имеющего температуру Tv.