6. Пьезоэлектрические датчики

Эти датчики широко применяются для измерения быстроменяющихся (динамических) давлений, например, в газовоздушном тракте газотурбинных двигателей.

Принцип действия датчика и основные его особенности аналогичны работе пьезоэлектрического акселерометра, который будет рассмотрен в следующих лекциях. Существенное значение для пьезоэлектрических датчиков давления имеет виброчувствительность, которая определяется как в осевом направлении, так и в направлении, перпендикулярном оси датчика. Мерой виброчувствительности датчика является его виброэквивалент, определяемый через величину эквивалентного давления, соответствующую единице виброперегрузки и выраженную в децибелах.

Для ограничения воздействия вибраций на результаты измерения давления используются виброкомпенсированные датчики давления. Идея виброкомпенсации заключается во введении в конструкцию датчика дополнительного чувствительного элемента, генерирующего сигнал, пропорциональный только вибрациям. В процессе измерения давление действует на один чувствительный элемент, а виброускорение – на оба чувствительных элемента. Электрически чувствительные элементы включены встречно так, что заряды, пропорциональные виброускорению, компенсируются.

Плоские упругие мембраны чувствительного и виброкомпенсирующего элементов выполнены из титанового сплава и заделаны в кольце жесткости корпуса. К мембранам приклеены пьезопластины, выполненные из пьезокерамического материала, например, ЦТС–19, и имеющие идентичные механические и электрические параметры. Электрический сигнал, снимаемый с пьезопластин чувствительного и виброкомпенсирующего элементов, с помощью подпаянных к ним проводников, подводится к контактной втулке, а с нее – на микроразъем датчика. Вывод сигнала датчика осуществляется по однопроводной схеме. Конструкция датчика влагозащитная. Для измерения давления при высоких температурах, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей, применяют датчики с принудительным охлаждением.

Резонансные свойства пьезоэлектрических датчиков определяются характеристиками всей конструкции датчика в целом. Датчики могут иметь сложный спектр собственных резонансных частот, свидетельствующий о том, что датчики представляют собой сложные многомассовые механические системы со многими степенями свободы. Поэтому АЧХ датчики получают, как правило, экспериментальным путем с помощью специальных установок. Основным источником погрешности датчика является температура окружающей среды. Пути снижения температурной погрешности пьезоэлектрических датчиков будут рассмотрены в последующих лекциях. Установка датчиков на объекте осуществляется, в частности, с помощью резьбового соединения, имеющегося на корпусе датчика.

7. Полупроводниковые датчики

Эти датчики применяются для измерения бездренажным методом абсолютного и перепадов давления, а также пульсаций статического давления на несущих поверхностях ЛА и в агрегатах силовых установок.

Датчики входят составной частью в группу тензорезисторных датчиков давления. Классификация тензорезисторных датчиков давления показана на рис. 2.

Рис. 2. Тензорезисторные датчики давления.

Датчики с приклеиваемыми тензорезисторами, конструктивно выполненными в виде монокристаллической структуры из четырех тензорезисторов, включаемых в схему измерительного моста, еще сохраняют прочные позиции. Однако класс точности их невысок, так как трудно получать безгистерезисные соединения, не имеющие остаточных деформаций. Поэтому в качестве упругих чувствительных элементов датчиков широко применяются интегральные структуры, т.е. тензорезисторы, имеющие атомарную связь с материалом мембраны и составляющие с ней единое целое. Наиболее распространены структуры кремний на кремнии (КНК–структуры) и кремний на сапфире (КНС–структуры). Тензорезисторы КНК–структуры образуются диффузией в поверхностный слой мембраны. При этом создается р–n-переход, изолирующий тензорезистор от подложки. В КНС–структурах тензорезисторы образуются из предварительно создаваемого эпитаксиального слоя кремния. Совершенная изоляция резисторов на сапфире обеспечивает повышенную термостойкость датчика.

Основные ограничения в использовании полупроводниковых датчиков связаны, в основном, с их значительными температурными погрешностями. В практике летных испытаний применяются чаще миниатюрные полупроводниковые датчики на КНК–структурах. В качестве структуры используется, например, интегральный чувствительный элемент давления ЧЭД–5; 0,5.

Конструкция датчика плоская, ее особенностью является консольное закрепление интегрального чувствительного элемента в корпусе, исключающее деформацию мембраны, в известных пределах, от действия влияющих величин. Мембрана датчика защищена от возможных ударов взвешенных в воздухе частиц перфорированным экраном, выполненным с корпусом за одно целое. Датчики термокомпенсированы. Электрическая схема датчика выполнена в виде равноплечевого измерительного моста с открытыми диагоналями. Конструкции датчиков, в зависимости от поставленных задач, выполнены в трех вариантах.

Датчик абсолютного давления имеет вакуумированный корпус. В некоторых датчиках переменного давления применен щелевой акустический демпфер, снимающий перегрузочное давление мембраны и препятствующий передаче переменной составляющей давления в корпус датчика.

Применяются датчики перепада давления, снабженные миниатюрной, выводной трубкой, соединяющей корпус датчика с автономным источником опорного давления.

Лекция 9.

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ