4.2. Принципы построения аналоговых и дискретных датчиков давления

В современных датчиках давления измеряемая величина − давление газообразных, жидких или сыпучих сред преобразуется в перемещение или силу упругими чувствительными элементами (ЧЭ), в качестве которых используются разнообразные мембраны, мембранные и анероидные коробки [47,48,49], витые трубки, трубки Бурдона [12], сильфоны и колпачки [1] (рис. 4.3). Наибольшей чувствительностью к измеряемым давлениям обладают так называемые мягкие мембраны из резины или тефлона и других пластмасс. Эти мембраны делаются с жестким центром и гофром (рис. 4.3,а–б).

Значительную чувствительность имеют мембранные или анероидные коробки и сильфоны (рис. 4.3, в–д). В зависимости от геометрических размеров, формы и материала мембранной коробкой может быть перекрыт диапазон давлений от 1000 до 5×10⁵ Па. Сильфоном с витой плоской пружиной [50] перекрывается диапазон давлений от 1000 до 2×10⁷ Па. Одиночные мембраны различной формы (рис. 4.3, е–и) перекрывают диапазон давлений от 10 до 10⁸ Па. Трубка Бурдона (рис.3, к) применяется для измерения высоких давлений от 10⁶ до 6×10⁷ Па. Преобразование давления в угловое перемещение осуществляется упругими ЧЭ в виде витой трубки (рис. 4.3,л) или геликоидальной пружины (рис. 4.3,м). Диапазон использования таких конструкций от 1000 до 6×10⁶ Па

Упругие элементы в виде колпачков и полусфер (рис. 4.3,н – о) применяются в датчиках давления в тех случаях, когда необходимо получить равномерное механическое напряжение в области расположения тензо- и пьезорезистивных преобразователей [51].

Стремление иметь на упругом элементе зоны деформаций с разными знаками привело к созданию комбинированного упругого элемента (рис. 4.3, п) [12], представляющего собой полый цилиндрический стержень с перемычкой внутри; один конец стержня заглушен, а второй конец выполнен заодно с жестко защемленной диафрагмой.

Для измерения давлений выше 5…100 МПа используется эффект зависимости омического сопротивления проводников и полупроводников от всестороннего сжатия, малые давления газов измеряются за счет изменения свойств среды (вязкости, теплопроводности и т.д.).

В датчиках давления с упругими ЧЭ для преобразования перемещения или силы в электрический сигнал нашли применение следующие преобразователи: пьезо- и тензорезистивные, реостатные, контактные, индуктивные и трансформаторные, пьезоэлектрические, емкостные, струнные, вибрационно-частотные и магнитоупругие.

Принцип действия пьезорезистивных и тензорезистивных датчиков давления основан на функциональной зависимости между измеряемым давлением и упругими деформациями ЧЭ, преобразующимися в электрический сигнал полупроводниковыми, проволочными, фольговыми или металлопленочными тензорезисторами. Тензометрический метод преобразования сочетает простоту с большой надежностью, что позволяет разрабатывать датчики давления высокоэкономичными и надежными.

Пьезорезисторы обладают высокой чувствительностью; весьма незначительным гистерезисом (вследствие атомарной связи между тензорезистором и телом упругого ЧЭ); малыми габаритными размерами и массой; возможностью реализации на одном кристалле вместе с упругим элементом измерительной и усилительной схем; технологичностью. Поэтому датчики на их основе получили широкое распространение.