Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Датчики давления. 2

1. Общие понятия о давлении

Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной. В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности А :

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

dp = -wdh ,

где w — удельный вес среды, dh — изменение высоты, a dp — соответствующее ему изменение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

где КЕ — кинетическая энергия, V— объем, С² — среднее значение квадрата скоростей молекул, — плотность, N - число молекул в единице объема, R — универсальная газовая постоянная, а T— абсолютная температура.

В этом уравнении предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1.3 кг/м³, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм — его плотность уже будет 65 кг/м³, т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм — плотность равна 1002 кг/м¹, а при температуре 100°С и давлении 1 атм — плотность равна 958 кг/м³.

1.1 Единицы измерения давления

В системе СИ единицей измерения давления является паскалъ: 1 Па=1Н/м². Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.

В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

1атм = 760торр = 101.325Па .

1.2 Классификация.

В последние годы скорость роста применения миниатюрных датчиков давления феноменальна. В автомобильной промышленности наблюдается увеличение на 20% в год в течение последнего десятилетия. Наиболее раннее сообщение о применении миниатюрных датчиков давления для контроля циркуляции выхлопных газов относится к 1989 г. В дальнейшем создавались устройства для измерения давления в трубопроводах, покрышках горючих газов и жидкостей в гидравлических системах.

Датчики давления классифицируются в зависимости от выбора опорного давления:

датчики абсолютного давления: давление измеряется относительно вакуума;
дифференциальные датчики давления: измеряют разность давлений в двух точках системы;

- манометры: измеряют давление, избыточное по отношению к атмосферному.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере, которая может быть как встроенной (рис. 2А), так и внешней. Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафрагмы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонного значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчиков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифференциального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 1Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует поверхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 2). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозионными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устройства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудшались частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти всегда заполняется силиконовой мазкой типа Dow Corning DS200.

Рис. 1.Устройство корпусов датчиков: А - абсолютного, Б - дифференциального давлений (напечатано с разрешения Motorola Inc)

Рис. 2. Примеры корпусов дифференциальных датчиков давления. (Напечатано с разрешения Motorola Inc)

2. Чувствительные элементы датчиков давления.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение. Чтобы подобный датчик давления имел практическую значимость, движение должно быть достаточно малым, чтобы оставаться в рамках предела упругости материала, но достаточно большим, чтобы его можно было определить с достаточным разрешением. Следовательно, тонкие гибкие компоненты используются при низком давлении и более толстые и жесткие при высоких давлениях

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

На рис. 3А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

На рис. 3.Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микротехнологий.

Мембрана — это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис. 4.Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления р отклонение центра мембраны z_m и ее механическое напряжение _т являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м²):

где r — радиус мембраны, а g — ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

Наименьшая собственная частота мембраны:

где — плотность материала мембраны.

Рис. 3. А — стальной сильфон, используемый в датчиках давления (Servometer Corp., Cedar Grove, NJ), Б — металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение

Рис. 4. Деформация мембраны под действием давления р

В данных уравнениях предполагается, что разрабатываемый датчик давления будет измерять отклонения мембраны. Поэтому далее необходимо выбрать метод преобразования полученного отклонения в электрический сигнал.

3. Методы измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв ляется методом прямых измерений и получил наибольшее распростране ние в технике измерения давления.

На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, ког да прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме рении высоких и сверхвысоких давлений.

Современные датчики давления основаны на различных методах электрического преобразования входных параметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом, использующие эффект Холла и другие датчики давления. На мировом рынке получили широкое распространение электрические датчики с переменным магнитным сопротивлением, конденсаторные датчики с переменной емкостью, виброчастотные преобразователи фирмы Foxboro, тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленных металлических резисторов, тензометрические преобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами.

Сейчас одним из самых распространенных направлений построения датчиков давления является разработка интегральных тензорезисторных преобразователей с максимальным использованием достижений физики полупроводников и микроэлектронной технологии. Высокая чувствительность полупроводниковых тензорезисторов, применение монокристаллических материалов в упругих элементах тензорезисторных преобразователей, высокая стабильность и надежность, технологическая совместимость с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрные размеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применения групповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтому полупроводниковые преобразователи привлекают к себе внимание приборостроителей во всем мире.

3.1. Ртутные датчики давления

На рис.5 показан простой датчик давления, использующий принцип сообщающихся сосудов. Чаще всего такие датчики применяются для измерения давления газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U-образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уитстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке. Давление, приложенное к одному из концов трубки (например, левой) приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений AR в двух плечах моста, незакороченных ртутью участков провода:

(1)

Такой датчик обычно калибруется напрямую в торрах. К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищенностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутными парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детектора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.

Рис. 5. U-образный датчик

давления, заполненный ртутью,

применяемый для измерения

давления газов.

3.2 Пьезорезистивные датчики

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе F. Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов.

Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентрацией примесей, равной 3x10¹⁸ в одном кубическом сантиметре. Один из них (R₁) параллелен, а другой (R₂) перпендикулярен ориентации диафрагмы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие компоненты схемы датчика: резисторы и р-n переходы, используемые в цепях компенсации температуры, располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагируют на давление, действующее на диафрагму.

Рис.4

Расположение пьезорезисторов на кремниевой диафрагме.

Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления кремния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллического кремния без применения промежуточных слоев. Этот способ дает возможность формирования микродатчиков (более чем в восемь раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменного типа), которые могут использоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских исследований. Такой микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней подложек (рис. 6А). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0.5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем n-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства — порядка 140 мкм. Несмотря на то, что размеры такого датчика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразователя давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис. 6Б показано сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, полученное методом сплавления почти на 50% меньше.

Рис.6. Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния:

А – технологические этапы изготовления,

Б – сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям.

Пьезорезистивные датчики давления доступны в промышленных масштабах, начиная с 1980-х годов. Типичные параметры таких датчиков:

диапазон измеряемых давление                            0 - 100 кПа;
чувствительность                                                3 мВ/кПа при напряжениипитания 10 В;
рабочая частота                                                100 кГц;

нелинейность и гистерезис ±0,5%.

Преимущества и недостатки

Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.

Тоесть можно выделить следующие преимущества:

- высокая чувствительность,

- хорошая нелинейность,

- незначительные гистерезисные явления,

- малое время срабатывания,

- компактная конструкция,

- экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

3.3 Емкостные датчики

В датчиках давления используются также вторичные преобразователи емкостного типа. Этот подход использовался в традиционных сенсорах с тех пор, как возникло массовое производство измерительной техники. В таких устройствах вся поверхность мембраны действует как обкладка конденсатора. Изображенный на рис. 3.2 чувствительный элемент датчика давления относится к такому типу емкостных датчиков. В качестве одной обкладки конденсатора используется неподвижное металлическое основание, другая обкладка — гибкая мембрана круглой формы, закрепленная по окружности. Мембрана прогибается под действием давления Р, как это показано на рисунке. Емкость при нулевом давлении оперделяется по формуле плоского конденсатора:

Рис.7. Традиционная конструкция датчика давления.

При деформации мембраны среднее расстояние между обкладками конденсатора уменьшается, что приводит к увеличению емкости на величину . Относительное изменение емкости рассчитывается по формуле, предложенной Нейбертом (Neubert) в 1975 г.:

где: Е — модуль Юнга; v — коэффициент Пуассона и t — толщина мембраны.

В миниатюрной версии таких приборов используется кремниевая мембрана. Методом газофазного осаждения металлических пленок формируются верхняя и нижняя обкладки конденсатора. В области, которая не деформируется под действием давления, располагают такой же конденсатор в качестве эталонного для обеспечения температурной компенсации.

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений. В то время как для диафрагм,

давление(дюйм Н₂О)

Рис. 8. Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений.

используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным является перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за небольших перемещений такой способ защиты, к сожалению, работает недостаточно эффективно, поэтому для них определяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает максимальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразователей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это особенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески высокого давления.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда перемещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и толщины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 8).

3.4 Датчики переменного магнитного сопротивления

При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относительно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим способом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления (ПМС) измеряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего воздействия на нее внешнего давления. На рис. 10. ПА проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока.

Рис. 9. Датчик измерения давления по переменному

магнитному сопротивлению: А — основной принцип

действия, Б — эквивалентная схема

Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки формирует магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму. Магнитная проницаемость материала сердечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного зазора, поэтому его магнитное сопротивление всегда ниже сопротивления воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При отклонении диафрагмы величина воздушного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызывает модуляцию индуктивности.

Датчики давления. 2 📙 Реферат → 🆔 73573