Элементам датчика

Современные измерительные устройства состоят из большого числа функциональных элементов, схема построение которых, т.е. структурное построение, имеет определяющее влияние на их метрологические характеристики. Поэтому выбор и обоснование структурной схемы датчика давления является одним из наиболее важным моментом при его проектировании.

Наиболее известным и широко применяемым является структурная схема, реализующая дифференциальный метод преобразования [Осипович, Ваганов]. Особенностью такой схемы является наличие двух одинаковых преобразователя, на которые дестабилизирующие факторы действуют в одинаковой степени направленности, а измеряемая величина в противоположной. После преобразования входных сигналов в измерительной и компенсационной цепи происходит вычитание электрических сигналов и в элементе сравнения, т.е. происходит взаимная коррекция погрешностей от дестабилизирующих факторов. Таким образом, выбранная структурная схема датчика давления позволяет компенсировать погрешности от изменения напряжения и электропитания, т.е. эта схема может быть использована для реализации, в разрабатываемом датчике давления. Схема дифференциального преобразователя приведена на рис.2.6.

Рис.2.6. Схема преобразователя давления дифференциального типа

1 – мембрана; ТЗП – тензопреобразователь; ЭИС – электроизмерительная схема;

> – усилитель; Ц.К. – цепь коррекции.

Мембрана 1, на которую действуют давление и температура, будет функционально связана с информационным и дестабилизирующим факторами (размещение измерительного и компенсационного тензорезисторов). Измерительный тензорезистор, расположенный ближе к центру мембраны будет реагировать на давление, а компенсационный - расположенный на периферии будет реагировать еще и на температуру. Таким образом, на выходе измерительного моста, являющегося электроизмерительной схемой (ЭИС) будет формироваться выходной сигнал в виде разности напряжений на компенсационном и измерительном тензорезисторах. Этот сигнал будет нести информацию об измеряемом давлении. После усиления выходного сигнала ЭИС усилителем он подается в усилительный тракт для обработки и индикации.

Выбор типа датчика давления

При проектировании датчика давления, входящего в разрабатываемое устройство для измерения венозного давления, предварительно проведем сопоставительный анализ различных типов датчиков давления, наиболее широко применяемых в устройствах аналогичного назначения. Результаты этого анализа представлены в табл.2.3.

В настоящее время к этой группе датчиков относятся: полупроводниковые; ёмкостные; пьезоэлектрические; тензорезистивные [2.23].

Таблица 2.3

Тип датчика давления	Диапазон измерения, кПа	Погрешность	Чувствителность	Габариты, масса
Полупроводниковый	-6,6 – +39.9	d₀=0,5% d_н=1%, d_t=3%/°С	1,5мкВ/Па
Ёмкостный	0–6500	d₀=1% d_чэ=0,2% d_н=1%, d_t=0,1%/°С	0,1пкФ/МПа	0,4кг
Пьезоэлектрический	±100	d₀=0,005%, d_чэ=0,005% d_а=0,01%, d_а_t=2×10^-4%/С°	2×10^-4Гц/Па	115г
Тензорезистивный	0–500	d₀=0,8%, d_t=0,005%/°C	52 211 мВ/(В·МПа)

Анализ особенностей объекта контроля (СКО) показывает, что изменение венозного давления есть процесс, медленно изменяющийся, и особых требований к динамике не предъявляются. Следовательно, для данного устройства в качестве датчика давления можно выбрать тензорезистивный датчик, имеющий приемлемые для данной задачи динамические свойства и технические характеристики.

В настоящее время зарубежными и отечественными фирмами разработана, изготавливается и имеет широкое применение большая группа тензорезистивных датчиков, технические характеристики которой представлены в табл.2.4. Анализ этих характеристик показывает возможность применения принципов их построения в разрабатываемом устройстве, что подтверждается обобщенной таблицей 2.5.

Таблица 2.4

Фирма (страна)	Тип преобразователя	Диапазон изм. давления	Чувствительный элемент	Погрешность	Чувствительность	Диапазон температур

Stanford, Statham Instrument (США) Endess+ Hauser Gmbh+Co (FRG), Sourder Rol (Англия) Motorolla	тензометри-ческий	0…40кПа	мембрана	0,25% 0,1%/Па	0,2…0,3 мВ/кПа·В	196 ⁰ С
Statham Instruments	тензорезис- тивный	0…500кПа	мембрана	=0,8% =0,005%/⁰ С	-	-
Ametek, Baley Instruments	полупровод-никовый	0…270кПа	мембрана	0,25% 0,5%/Па	80 мВ/кПа·В	40⁰ С … …150 ⁰ С
PCB Pierotronics	пьезо	0,025… ..150кПа	мембрана	1% 0,5%/Па	-	-
Джагупов Р.Г. (ССР)	пьезо	0…2000Па	мембрана	=0,5...1,5%	26мВ/Па	-
Endvco	дифференц. пьезо	От 0…14кПа До 0…140МПа	Мембрана с концентратором механических напряжений	±0,25%	-	-
Micro Switch	пьезо	0…35кПа	мембрана	=0,5...1,5%	26мВ/Па	-
Осипович Л.А.	полупро- водниковый низких давлений	±8000Па	мембрана	=±1,5% =0,06%/⁰ С	10мВ/Па	-
СССР Г. Энгельс (ТО и ИЭ)	интегральный	1…10кПа	мембрана (кремниевая)	-	-	-
ФРГ	интегральный	0-100кПа	мембрана (кремниевая)	=5мВ/В	26мВ/Па	-
SC/DI	интегральный	0,02-320кПа	мембрана	0,1мВ/Па·В	-	-16⁰ С … …+260⁰ С
Motorolla(США)	интегральный	±8000Па	мембрана	=±1,5% =0,06%/⁰ С	-	-
Осипович Л.А.	емкостной	0…6,5кПа	гибкая пленка диэлектрик	=±1% при t = -2…+34⁰ С =0,1%/⁰ С	0,1 пкф/МПа	-

Phillips	емкостной	1…300кПа	гибкая пленка диэлектрик	=0,25% повторяемость =0,003%	-	до450⁰ С
PDCR 32	полупро- водниковый	от 0…75кПа до 0…75МПА	мембрана (кремниевая)	нелинейность и гистерезис 0,6% аддитив. 0,02%	75мВ при =12В	-20⁰ С до 120⁰ С
Datametrics (США)	емкостной	0,025…66 кПа	гибкая пленка диэлектрик	=0,25% повторяемость =0,003%	-	до450⁰ С
Motorolla(США)	тензорезис- тивный	от 0…10кПа до 0…200кПа	мембрана	±0,5%..±0,2%.	-	-

Обобщенные тензорезистивные характеристики датчиков давления

Таблица 2.5

Диапазон измеряемых давлений, кПа		Упругий чувствительный элемент (мембрана)
, мВ/град	, К^-1	материал	форма	диаметр, мм	толщина, мм
-15 100	0,2	0,007	кремний [111]	круглая	1 40	0,01 0,5

Тензорезистор
материал	длина l, мм	ширина b, мм	относительная упругая деформация мах	относительное изменение сопротивления	температурный коэффициент сопротивления (ТКС), К^-1
кремний р – тип	0,32 12	0,06 0,5	1·10^-3

Электроизмерительная схема (ЭИС)	R_датч., Ом
, В	, мА	R, кОм	, мВ	S_м, мВ/(кПа·В)
3 7,5			100-150	0,13 0,4	25-800	-40…125

На основании табл.2.5 можно сделать вывод, что предпочтительными являются: форма упругого чувствительного элемента (мембрана) – круглая, плоская, при этом материал мембраны – кремний. Диаметр мембраны предпочтителен от 1 до 40 мм; толщина от 0,01 до 0,5мм. В качестве материала тензорезистора в большинстве случаев используется кремний. Размеры тензорезистора находятся в пределах: длина l =0,32 12 мм, ширина b= 0,06 0,5мм. В качестве ЭИС в большинстве случаев используется мост постоянного тока. Для цепочки преобразователей “мембрана – тензорезистор - ЭИС” при р =0,4·10⁵ Па применяют упругие элементы с , ; в целом чувствительность этой цепочки находится в пределах: S_м =0,13 0,4 мВ/(кПа·В). Представленные данные являются ориентиром при расчете каждого из преобразователей разрабатываемого устройства [2.16, 2.18, 2.19,2.23,].