5.2.4. Схемы включения тензопреобразователей

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 напряжения Vo к напряжению питания (возбуждения) моста Vв:

. (5.10)

На практике применяются различные конфигурации мостовых схем. На рис. 5.3. приведены различные схемы включения мостов, их выходные напряжения и нелинейность.

.

Нелинейность

0,5%/% 0,5%/% 0 0

ЧЕТВЕРТЬ МОСТ ПОЛУ МОСТ ПОЛУ МОСТ ПОЛНЫЙ МОСТ

Рис.5.3. Схемы включения мостов.

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.

5.2.6. Пьезорезонансные датчики давления

Пьезорезонансными называются датчики давления, в которых роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор. Они являются датчиками параметрического типа, в которых преобразование давления осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонатора (ПР).

Основа ПР – механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала. На вибратор наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электрической энергии ПР снабжается токопроводами, а для фиксации в присоединенной конструкции – элементами крепления. В основе работы ПР лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механические напряжения в теле вибратора (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект).

В конструктивном отношении преобразователи давления могут быть разделены на две группы:

1- в которых чувствительный резонатор работает в прямом контакте со средой;

2. в которых резонатор отделен от среды разделительным (упругим) элементом.

Рис.5.4.Основные разновидности пьезорезонансных датчиков давления

М – мембрана; К – корпус; УЭ – упругий элемент; ЖЦ – жёсткий цетр.

Большинство пьезорезонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины с пьезоэлементом, что повышает добротность и снижает старение ПР. Упругие элементы могут подбираться так, что на различные диапазоны измерения может быть использован один номинал ПР.

Контакт между резонатором и упругим элементом может осуществляться только в свободных от колебаний областях ПР. По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить ПР. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора строго в плоскости пьезоэлемента. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненным инертным газом (гелием).

Недостатки пьезорезонансных датчиков:

-зависимость частоты от давления в диапазоне от 0 до 50 МПа имеет нелинейность около 1.7% ;

-дрейф нуля датчика во времени, вызванный старением резонатора, составляет 0.1% верхнего предела измеряемой величины;

-необходимость вакуумирования или герметизации резонатора;

-наличие температурного дрейфа нуля датчика.

Практически в датчиках давления погрешность от термодеформаций можно снизить до уровня 0.1% верхнего предела, путем уменьшения соотношения жесткостей мембраны и преобразователя.

По видимому, основным источником погрешности является нелинейность характеристики цилиндрического преобразователя давления в радиальные напряжения, подводимые к резонатору.