Тензорезистивный датчик давления: принцип работы, типы и применение

Что такое тензорезистивный датчик давления. Как устроен и работает тензорезистивный сенсор. Какие бывают типы тензорезистивных датчиков. Где применяются тензорезистивные преобразователи давления. Каковы преимущества и недостатки тензорезистивных датчиков.

Принцип работы тензорезистивного датчика давления

Тензорезистивный датчик давления — это преобразователь, который измеряет давление с помощью тензорезисторов, меняющих свое электрическое сопротивление под действием механической деформации. Принцип работы такого датчика основан на явлении тензоэффекта.

Основные компоненты тензорезистивного датчика давления:

• Упругий чувствительный элемент (мембрана)
• Тензорезисторы, сформированные на мембране
• Электронная схема преобразования и усиления сигнала
• Корпус датчика

При воздействии давления на мембрану датчика она деформируется, что вызывает изменение сопротивления тензорезисторов. Обычно тензорезисторы соединяются в мостовую схему Уитстона. Изменение сопротивления тензорезисторов приводит к разбалансу моста и появлению выходного электрического сигнала, пропорционального приложенному давлению.

Типы тензорезистивных сенсоров давления

Существует несколько основных типов тензорезистивных сенсоров давления, различающихся конструкцией и технологией изготовления:

1. Толстопленочные сенсоры

Толстопленочные сенсоры изготавливаются путем нанесения толстой пленки резистивного материала на металлическую или керамическую подложку. Их особенности:

• Низкая стоимость
• Невысокая точность (0,5-1%)
• Применяются для высоких давлений (от 1 бар)
• Низкая перегрузочная способность
• Отсутствие температурной компенсации

2. Тонкопленочные сенсоры

Тонкопленочные сенсоры формируются путем напыления тонкой металлической пленки на стальную мембрану. Их характеристики:

• Применяются для высоких давлений (от 6 бар)
• Точность до 0,25%
• Низкая перегрузочная способность
• Отсутствие температурной компенсации

3. Керамические тензорезистивные сенсоры

Керамические сенсоры изготавливаются на основе керамики (обычно Al2O3). Их особенности:

• Применяются для низких и высоких давлений
• Высокая точность (до 0,1%)
• Средняя устойчивость к перегрузкам
• Шероховатая поверхность (не рекомендуется для пищевых сред)

4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры

Кремниевые сенсоры изготавливаются по технологии микроэлектроники на кремниевой подложке. Их характеристики:

• Применяются для низких и высоких давлений
• Высокая точность (до 0,1%)
• Высокая устойчивость к перегрузкам
• Возможность интеграции с электроникой

Применение тензорезистивных датчиков давления

Благодаря своим преимуществам, тензорезистивные датчики давления широко применяются в различных отраслях промышленности и техники:

• Автомобильная промышленность (измерение давления масла, топлива, в шинах)
• Авиация и космонавтика (контроль давления в гидравлических и пневматических системах)
• Нефтегазовая отрасль (измерение давления в скважинах, трубопроводах)
• Энергетика (контроль давления пара в котлах и турбинах)
• Машиностроение (гидравлические и пневматические системы)
• Медицинская техника (измерение кровяного давления, респираторы)

Преимущества и недостатки тензорезистивных датчиков давления

Тензорезистивные датчики давления обладают рядом важных преимуществ:

• Высокая точность измерений
• Хорошая линейность характеристики
• Широкий диапазон измеряемых давлений
• Высокое быстродействие
• Возможность миниатюризации
• Простота конструкции
• Низкая стоимость при массовом производстве

Однако у них есть и определенные недостатки:

• Чувствительность к температуре (требуется температурная компенсация)
• Подверженность механическим напряжениям при монтаже
• Гистерезис и ползучесть характеристик со временем
• Чувствительность к электромагнитным помехам

Современные тенденции развития тензорезистивных датчиков давления

В настоящее время развитие тензорезистивных датчиков давления идет по нескольким основным направлениям:

1. Применение новых материалов (карбид кремния, алмазоподобные пленки) для расширения диапазона рабочих температур и повышения стабильности.
2. Интеграция датчиков с микроэлектронными схемами обработки сигнала на одном кристалле для улучшения характеристик и уменьшения размеров.
3. Разработка беспроводных датчиков давления с автономным питанием для труднодоступных мест.
4. Создание интеллектуальных датчиков с функциями самодиагностики и самокалибровки.
5. Улучшение долговременной стабильности и надежности датчиков для ответственных применений.

Заключение

Тензорезистивные датчики давления являются одним из наиболее распространенных типов преобразователей давления благодаря сочетанию высоких метрологических характеристик, надежности и невысокой стоимости. Несмотря на появление новых принципов измерения давления, тензорезистивные датчики продолжают активно развиваться и находить новые области применения.

Их дальнейшее совершенствование связано с применением новых материалов и технологий, интеграцией с микроэлектроникой, развитием интеллектуальных и беспроводных датчиков. Это позволит расширить функциональные возможности тензорезистивных датчиков давления и улучшить их характеристики для удовлетворения растущих требований промышленности.

Преобразователь давления. Общая информация

Преобразователь давления — измерительный прибор, предназначенный для непрерывного измерения давления различных сред и последующего преобразования измеренного значения в унифицированный выходной сигнал по току или напряжению. Преобразователи давления часто называют датчиками давления. Давление определяется как единица силы создаваемая на единицу площади поверхности. В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль (Па). Один Паскаль равен силе в один Ньютон, приложенной на площадь в один квадратный метр (Па = Н / м²).

В зависимости от вида измеряемого давления, преобразователи давления делятся на несколько видов.

Преобразователи избыточного давления

Рисунок 1 — Датчик давления общепромышленный PTE5000

Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой-либо средой относительно атмосферного давления. Этот тип преобразователей давления является самым распространенным и применяется практически во всех отраслях промышленности: ЖКХ, энергетика, водоподготовка, водоочистка, системы отопления, кондиционирования и вентиляции, пищевая промышленность, химия и др.

Для измерения избыточного давления воды, пара, нейтральных жидкостей и газов ООО «КИП-Сервис» предлагает датчик давления общепромышленного назначения PTE5000. Данные датчики широко применяются российскими предприятиями для измерения давления воды в системах котельной автоматики, системах водоснабжения и водоотведения, ЖКХ и других системах, где на первом плане стоит невысокая стоимость оборудования.

Преобразователи абсолютного давления

Рисунок 2 — Датчик давления общепромышленный CER-1

Данные преобразователи измеряют давление, создаваемое какой—либо средой относительно абсолютного разряжения (вакуума). Эти датчики давления не так широко распространены, и используются в основном в химической промышленности. В ассортименте датчиков ООО «КИП-Сервис» преобразователи абсолютного давления представлены серией преобразователей давления CER-8000 и CER-2000 голландской фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV, выполненные в корпусе из нержавеющей стали, что актуально именно для химической промышленности. Следует отметить, что данные серии датчиков давления, в зависимости от модификации, могут применяться для измерения и других видов давления.

Преобразователи вакууметрического давления (разряжения)

Рисунок 3 — Преобразователь абсолютного давления. Датчики Klay.

Эти датчики измеряют уровень разряжения (вакуума) относительно атмосферного давления. На сегодняшний день вакуумные процессы находят широкое применение в таких отраслях, как пищевая промышленность (вакуумная упаковка, вакуумный транспорт), металлургическая промышленность и производство РТИ (литье под вакуумом), автомобилестроение и др.

Преобразователи гидростатического давления (гидростатические уровнемеры)

Данные преобразователи представляют собой разновидность датчиков избыточного давления, в том случае, когда последние применяются для измерения гидростатического уровня жидкостей. Преобразователь фактически измеряет давление столба жидкости над ним. Для применения в водоканалах и системах водоочистки в номенклатуре ООО «КИП-Сервис» представлены погружные гидростатические датчики уровня Hydrobar производства фирмы KLAY-INSTRUMENTS BV.

Как было сказано выше, единицей измерения давления в системе СИ является «Паскаль» (Па). На практике в промышленности широко применяются и другие единицы измерения, кроме «Па» наиболее распространенными являются «bar» (бар), «м.в.с.» (метр водяного столба) и «кгс/см²» (килограмм-сила на сантиметр квадратный), а также производные этих единиц: «мбар» (миллибар), «кПа» (килопаскаль), «МПа» (мегапаскаль).

Таблица перевода популярных единиц измерения давления

Единицы	Па	кПа	МПа	кгс/см²	мм рт.ст.	мм вод.ст.	бар
1 Па	1	10–3	10–6	10,197 16  х 10–6	0,007 500 62	0,101 971 6	0,000 01
1 кПа	1 000	1	10–3	0,010 197 16	7,500 62	101,971 6	0,01
1 МПа	1 000 000	1 000	1	10,197 16	7 500,62	101 971,6	10
1 кгс/м2	9,806 65	9,806 65  х 10–3	9,806 65  х 10–6	0,000 1	0,073 555 9	1	98,066 5  х 10–6
1 кгс/см2	98 066,5	98,066 5	0,098 066 5	1	735,559	10 000	0,980 665
1 мм рт.ст. (при 0 °C)	133,322 4	0,133 322 4	0,000 133 322 4	0,001 359 51	1	13,595 1	0,001 332 24
1 мм вод.ст. (при 0 °C)	9,806 65	9,807 750  х 10–3	9,806 65  х 10–6	0,000 1	0,073 555 9	1	98,066 5  х 10–6
1 бар	100 000	100	0,1	1,019 716	750,062	10 197,16	1

Конструкция преобразователей давления

Рисунок 4 — Схема конструкции преобразователей давления

На рисунке снизу приведена общая схема конструкции преобразователей давления. В зависимости от типа датчика, производителя прибора и особенностей применения, конструкция может меняться. Данная схема предназначена для ознакомления с основными элементами типового измерительного преобразователя давления.

1. Кабельный ввод: Эта часть преобразователя давления используется для герметичного ввода электрического кабеля в датчик. Как правило, используется сальниковый ввод типа PG9, но встречаются и другие варианты подсоединения (например PG16, M20x1,5).
2. Клеммы: Клеммы необходимы для физического подключения электрических проводов к датчику. На сегодняшний день подавляющее большинство преобразователей давления используют 2-проводную схему подключения с выходным сигналом 4…20 мА.
3. Плата питания / искорзащиты: Данная плата осуществляет распределение электрической энергии между электронными компонентами датчика. У преобразователей во взрывобезопасном исполнении на данной плате реализуется функция искрозащиты. У недорогих датчиков давления (например, PTE5000), как правило, плата питания и преобразовательная плата совмещены.
4. Корпус электроники: Часть датчика давления, в которой расположены плата питания и преобразовательная плата. У преобразователей низкой ценовой категории (WIKA, BD Sensors) корпус электроники и корпус собственно датчика представляют одно целое. Наличие отдельного корпуса для электроники характерно только для высококачественных преобразователей давления (например KLAY-INSTRUMETNS, EMERSON, VALCOM, YOKOGAWA).
5. Преобразовательная плата: Это одна из самых важных частей преобразователей давления. Данная плата осуществляет преобразование сигнала от первичного сенсора в унифицированный электрический сигнал по току или по напряжению.
6. Корпус датчика: Основная механическая часть, представляющая собой собственно тело преобразователя.
7. Провода и атмосферная трубка: Провода, как правило, представляют собой кабельный шлейф, соединяющий выводы сенсора и преобразовательную плату. Атмосферная трубка используется в датчиках избыточного и вакууметрического давления для осуществления связи чувствительного элемента (сенсора давления) с атмосферным давлением.
8. Технологическое соединение: Эта часть преобразователей давления используется для физического подключения датчика к процессу (к трубопроводу, емкости, аппарату). Наиболее распространенным соединением является резьбовое манометрическое подсоединение G1/2″ по стандарту DIN 16288 и резьба М20х1,5. Также широко встречаются соединения G1/4″, G1″, фланцевые соединения. В пищевой промышленности распространены специальные санитарные соединения, например молочная гайка DIN 11851, DRD-фланец, хомуты Tri-clamp. В ассортименте ООО «КИП-Сервис» есть специальные преобразователи давления для применения в пищевой (молочной, пивоваренной) промышленности. Это приборы производства KLAY-INSTRUMENTS BV — датчики давления серии 8000-SAN и интеллектуальные датчики давления серии 2000-SAN, которые полностью удовлетворяют всем требованиям пищевой промышленности по гигиене, точности измерений и температурным режимам. Рисунок 5.1 — Технологические соединения Рисунок 5.2 — Технологические соединения
9. Сенсор давления (первичный преобразователь): Сенсор давления — один из ключевых элементов любого преобразователя давления. Данный элемент непосредственно осуществляет преобразование действующего на него давления в электрический сигнал, который потом унифицируется на преобразовательной плате. На сегодняшний день существует несколько способов преобразования давления в электрический сигнал. В промышленности применяются индуктивный, емкостной и тензорезистивный методы преобразования. Самым распространенным является тензорезистивный. Данный метод основан на явлении тензоэффекта в металлах и полупроводниках. Тензорезисторы соединенные в мостовую схему (мост Уитстона) под действием давления изменяют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс прямо пропорционально зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Рисунок 6 — Мост Уитстона

На рынке существует 4 основных типа сенсоров, основанных на тензорезистивном методе преобразования, которые используют все существующие производители преобразователей давления. Рассмотрим каждый тип отдельно.

Типы сенсоров

1. Толстопленочные сенсоры на металлической/керамической мембране

Толстопленочный сенсор на металлической/керамической мембране

Данный тип тензорезистивных сенсоров является самых дешевым, и, как следствие, широко используется для производства недорогих преобразователей давления неагрессивных сред (вода, воздух, пар).

Толстопленочные сенсоры обладают следующими особенностями:

• Самое недорогое решение;
• Низкая точность — 0,5% или 1%;
• Измерение только высокого давления — от 1 бар и выше;
• Низкий запас по перегрузке, не более 2-кратной;
• Отсутствие термокомпенсации.

2. Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране

Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране

Тонкопленочные сенсоры на стальной мембране были разработаны специально для применения в составе преобразователей высокого (более 100 бар) давления. Они обеспечивают хорошую линейность и повторяемость при работе с высокими значениями давления.

Особенности тонкопленочных сенсоров:

• Применяются только для высоких давлений — от 6 бар;
• Точность — не более 0,25%;
• Низкий запас по перегрузке, не более 2-х, иногда 4-кратной;
• Отсутствие термокомпенсации.

3. Керамические тензорезистивные сенсоры

Керамические тензорезистивные сенсоры

Данный вид сенсоров используется для высокоточного измерения давления сред, не агрессивных к материалу керамики (как правило Al2O3), кроме пищевых продуктов (т. к. необходимо использование уплотнителя сенсора) и вязких сред. Данный тип сенсоров используют практически все ведущие производители преобразователей давления.

Особенности:

• Применяются для измерения как низкого так и высокого давления;
• Высокая точность — до 0,1%;
• Средняя устойчивость к перегрузкам;
• Шероховатая поверхность (нежелателен контакт с пищевыми средами).

4. Кремниевые тензорезистивные сенсоры

Кремниевые тензорезистивные сенсоры

Кремниевые тензорезистивные сенсоры широко применяются всеми ведущими производителями преобразователей давления в сочетании с защитной разделительной мембраной из нержавеющей стали (или других химически стойких сплавов) для высокоточного измерения давления различных сред. Использование сварной разделительной мембраны из нерж. стали позволяет применять данный тип сенсоров в пищевой промышленности и для вязких сред.

Особенности:

• Применяются для измерения как низкого, так и высокого давления;
• Высокая точность — до 0,1%;
• Высокая устойчивость к перегрузкам.

Руководитель отдела маркетинга ООО «КИП-Сервис»
Стариков И.И.

Дополнительные материалы:

Читайте также:

Тензорезисторный датчик абсолютного давления на основе кни микроэлектромеханической системы

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения неэлектрических величин, а именно к тензорезисторным датчикам абсолютного давления на основе кремний-на-изоляторе (КНИ) микроэлектромеханической системы.

Известен микроэлектронный датчик абсолютного давления (пат. РФ №2362133), который содержит металлостеклянный корпус с металлической трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, многоэлементный чувствительный элемент, приклеенный к пластине-основанию в ее квадратное углубление с отверстием, соединенным с трубкой для подвода измеряемого давления. Чувствительный элемент давления (ЧЭД) образован двумя кремниевыми пластинами. В первой пластине (кремниевая пластина интегрального преобразователя давления) с одной (рабочей) стороны сформирован измерительный мост из диффузионных тензорезисторов, изолированных от подложки обратно смещенным р-n переходом, с другой (нерабочей) стороны — трапецеидальное углубление, ограниченное тонкой мембраной. Во второй пластине (кремниевая защитная крышка чувствительного элемента) сформирована полость для создания вакуумной камеры после герметичного соединения с верхней стороной первой пластины. Кроме этого, вторая пластина защищает специально созданные высоколегированные области р+-типа проводимости (проводящие полоски) на рабочей стороне первой пластины от воздействия внешней среды. Соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью промежуточных высоколегированных областей р+-типа проводимости. Высоколегированные промежуточные области р+-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания. Углубление в основании корпуса обеспечивает расположение в одной плоскости контактных площадок чувствительного элемента и траверсов гермовыводов для возможности выполнения микроконтактирования. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы перемычками из микропроволоки. Крышка герметично соединяется с пластиной-основанием корпуса датчика в атмосфере сухого воздуха или инертного газа или заполняется другой газообразной антикоррозионной средой. При этом чувствительный элемент абсолютного давления и выводы от него к траверсам защищены от воздействия внешней среды.

К недостаткам конструкции аналога можно отнести:

1. Электрическое соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью переходных высоколегированных областей р+-типа проводимости, поскольку при этом внедрение акцепторных атомов легирующей примеси высокой концентрации в структуру монокремния обуславливает возникновение напряжений, предающихся в область мембраны и релаксирующих случайным образом, особенно в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, характерных для авиационно-космической техники. В результате этого может возникать временная нестабильность датчика. Кроме этого, временная нестабильность может быть обусловлена токами утечки через обратно смещенные р-n переходы, изолирующие тензорезисторы от подложки. При этом снижается тензочувствительность.

2. Возможность утечки газообразной среды из герметичной полости внутри корпуса.

3. Приклеивание ЧЭД к основанию корпуса обуславливает нестабильность и низкую надежность.

4. Ненадежность проволочных перемычек между контактами ЧЭД и траверсами.

5. Конструкцией датчика не обеспечивается развязка от передачи напряжений корпуса датчика на тензорезисторы.

За прототип принят известный датчик абсолютного давления фирмы MEMSCAP (SP82 User Manual, Doc. 0207, 2006, pp. 14) с чувствительным элементом из семейства сенсоров четвертого поколения типа SP82. Датчики фирмы MEMSCAP применяются в аэрокосмической, оборонной и других отраслях промышленности, включая авиапромышленность России. Тензорезисторный датчик абсолютного давления содержит металлостеклянный корпус со стеклянной трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, внутри которого на торцевой поверхности стеклянной трубки (пьедестале) закреплен многоэлементный чувствительный элемент, состоящий из трех монокристаллических кремниевых пластин, жестко соединенных между собой и с поверхностью пьедестала стеклянной фриттой.

Средняя пластина р-типа проводимости с тонкой мембраной с рабочей стороны, в приповерхностном слое которой сформирован измерительный мост Уинстона из диффузионных тензорезисторов n-типа проводимости, а с противоположной — трапецеидальная выемка, ограниченная тонкой мембраной, является чипом тензопреобразователя, а трапецеидальная выемка в ней — приемником измеряемого давления. Трапециедальная выемка на нижней стороне верхней пластины образует с поверхностью на рабочей стороне средней пластины герметичную вакуумную камеру. Верхняя пластина защищена металлическим колпачком. Для снижения напряжений, передаваемых на чип тензопреобразователя через корпус датчика, нижняя пластина имеет сравнительно большую толщину и опирается не по всей плоскости, а только на торцевую поверхность стеклянного пьедестала и на специальные выступ в пластине-основании. В нижней пластине сформирован сквозной канал, соединяющийся с приемником давления в средней пластине. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы микросваркой золотых перемычек.

К недостаткам прототипа и аналогов следует отнести: невысокие надежность и временная стабильность, ограниченный температурный диапазон эксплуатации, чувствительность к радиации. Эти недостатки обусловлены, прежде всего, физико-технологическими особенностями полупроводниковых преобразователей датчиков, в частности тензопреобразователей, у которых тензорезисторы и проводники электрической цепи сформированы методами диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в локальных областях монокристаллической подложки, а изоляция их от подложки обратно смещенным электрическим р-n переходом — не совершенна. Возникающие дефекты дислокации в процессе локальной диффузии или ионной имплантации в монокристаллах, например, кремния являются основными причинами деградации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов, включая датчики, и их временной нестабильности. И прежде всего, для датчиков авиационно-космической техники, функционирующих в жестких условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, ускоряющих процессы деградации. Несовершенство изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом приводит к возникновению шунтирующего тока утечки I₀, экспоненциально возрастающего с повышением температуры [3]:

где

I₀ — обратный ток через переход,

n_i — концентрация собственных носителей заряда,

ΔЕ₃ — ширина запрещенной зоны,

k — постоянная Больцмана,

Т — абсолютная температура.

Температурная зависимость тока утечки также является причиной временной нестабильности и ограничения верхнего предела рабочей температуры величиной +125°С для кремниевых тензопреобразователей, у которых изоляция от подложки обеспечивается обратно смещенным электрическим р-n переходом.

К другим причинам нестабильности и ненадежности можно отнести возможность образования микротрещин в переходной области спая металл-стекло гермовыводов и центров зарождения релаксирующих напряжений, а также обрывы микропроволочных перемычек. Вероятность этих событий повышается в жестких условиях эксплуатации самолетов при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как удары и вибрации в период всего ресурса самолета (до 30 тыс. часов). Попадание легкоплавкого стекла в процессе склеивания ЧЭД на мембрану или контактные площадки также может быть причиной нестабильности и ненадежности.

Согласно известных патентов РФ №2474007 и №2478193 (аналоги) применение в датчиках абсолютного давления КНИ чувствительного элемента с монокристаллическими тензорезисторами, взамен диффузионных тензорезисторов на кремниевой подложке, позволяет увеличить чувствительность и повысить воспроизводимость начального выходного сигнала датчика. Сущность изобретений: чувствительный элемент преобразователя давления на КНИ-структуре содержит основание из монокристаллического кремния, первый изолирующий слой с окном в нем, слой упругого материала, второй изолирующий слой, по крайней мере, один тензорезистор и контакты к тензорезистору. Окно в первом изолирующем слое по всему периметру окружено первым изолирующим слоем. Слой упругого материала расположен на первом изолирующем слое и перекрывает окно в первом изолирующем слое по всему его периметру. Основание, первый изолирующий слой и слой упругого материала в месте расположения окна образуют герметичную камеру. Тензорезистор расположен частично между первым изолирующим слоем и слоем упругого материала, частично на поверхности слоя упругого материала над окном. Второй изолирующий слой разделяет тензорезистор и слой упругого материала. Тензорезистор выполнен из монокристаллического кремния. На части тензорезистора, расположенной на поверхности слоя упругого материала над окном и не покрытой вторым изолирующим слоем, расположен третий изолирующий слой, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора.

К недостаткам этих аналогов следует отнести:

1. Более высокая основная погрешность для датчиков на основе тензопреобразователей с пленочной мембраной (аналог) по сравнению с тензопреобразователями на основе монокристаллической мембраны [2].

2. Сложность конструкции ЧЭД преобразователя, что обуславливает его невысокую технологичность.

Целью настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.

Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике абсолютного давления, содержащем корпус с трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из металлической пластины-основания и металлической крышки, внутри которого имеется электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой и жестко закреплен чувствительный элемент абсолютного давления, состоящий из чипа тензопреобразователя с измерительным мостом Уинстона, стеклянного пьедестала и вакуумированной полости, чип тензопреобразователя выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, причем в верхней сформирована монолитная тензорамка, а в нижней сформированы трапециевидная выемка и мембрана, образующие вакуумированную полость в результате герметичного соединения чипа тензопреобразователя с пьедесталом по полоске на периметре пьедестала, при этом пьедестал выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте на пластине-основании, выполненном в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем, а монолитная тензорамка состоит из четырех объемных тензорезисторов равной длины и равного сечения, образующих измерительный мост Уинстона; трубка для подвода измеряемого давления установлена в крышке корпуса со стороны рабочей поверхности чипа тензопреобразователя; электрическая цепь коммутации выполнена в виде гибкого шлейфа на основе полиимидной пленки, который ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, а на другом конце шлейфа расположен ряд контактных площадок для соединения с внешней электрической схемой, проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены тонкой неорганической пленкой. При этом тензорезисторный датчик абсолютного давления отличается тем, что ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом больше или равна 0,5 мм, а глубина посадки чувствительного элемента в посадочное место на пластине-основании составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки одинакова с шириной ступеньки.

Устройство датчика показано на Фиг. 1 и 2.

Тензорезисторный датчик абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы содержит металлический корпус датчика, состоящий из пластины-основания 1 и крышки 11 с трубкой 7, внутри которого размещены многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 и гибкий шлейф на основе полиимидной пленки 6 (ГШПМ) для электрической коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой (контактный узел 15).

Многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 состоит из чипа тензопреобразователя с КНИ микромеханической системой, пьедестала 2 и пластины-основания 1. Чип тензопреобразователя [1] выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика 4, согласованного по коэффициенту теплового расширения в широком температурном диапазоне с кремнием. При этом в верхней пластине сформирована монолитная тензорамка 5, а в нижней сформированы трапециевидная выемка 10 и мембрана 9.

Мембрана 9, слой неорганического диэлектрика 4 и тензорамка 5 образуют трехслойную структуру КНИ микромеханической системы. Монолитная тензорамка 5 одновременно является как конструктивным элементом микромеханической мембранной структуры тензопреобразователя, так и функциональным элементом. На поверхности тензорамки сформированы четыре тонкопленочные контактные площадки для формирования микроконтактного узла 8 с ленточными выводами гибкого шлейфа 6, между которыми расположены равной длины и равного сечения четыре интегральных объемных резистора 18, образующих измерительный мост Уинстона.

Пьедестал 2 выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте 12. Посадочное место сформировано на пластине-основании 1 в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем. При этом глубина посадки составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки равна ширине ступеньки. Указанные размеры ступеньки определены экспериментально из условия минимизации передачи напряжений (помехи) от корпуса датчика на тензопреобразователь.

Вакуумированная полость 10 образована в подмембранной области чипа тензопреобразователя между поверхностью пьедестала 2 и внутренней поверхностью трапециевидной выемки 10 с нерабочей стороны чипа тензопреобразователя, а ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом определяется из условия b>=0,5 мм, где

где L_ч — длина стороны квадратного основания чипа тензопреобразователя,

а — длина стороны квадратного основания трапециевидной выемки.

Ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом ограничена минимальным размером b>=0,5 мм в связи с технологическими ограничениями по качеству и надежности соединения кремний-стекло.

Гибкий шлейф 6 на основе полиимидной пленки ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, образуя микроконтактные узлы 8, а на другом конце шлейфа, в его хвостовой части 16, расположен ряд контактных площадок 17 для соединения с внешней электрической схемой (контактный узел 15). Хвостовая часть шлейфа 16 выводится через щелевидное отверстие, сформированное в граничной области между пластиной-основанием 1 и крышкой 11. Проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены от влажной среды и коррозии тонкой неорганической пленкой.

В основу работы тензорезисторного датчика абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы положена зависимость электрического сопротивления монолитной кремниевой тензорамки 5 от величины равномерно распределенного разностного давления на трехслойной мембранной структуре КНИ микромеханической системы, как разницы между измеряемым давлением внешней газовой среды, подаваемой через трубку 7 на рабочую сторону тензопреобразователя, и постоянным давлением воздуха в вакуумированной полости 10. В зависимости от знака разностного давления прогиб мембраны может происходить во взаимно противоположных направлениях. Монолитная кремниевая тензорамка 5 как конструктивный элемент микромеханической мембранной структуры обуславливает распределение максимальных тангенциальных напряжений и, соответственно, деформаций по контуру ее внешней границы на мембране [2]. В результате при подключении датчика (одной из диагоналей измерительного моста) к источнику питания с выхода датчика (второй диагонали) снимается электрический сигнал, пропорциональный разностному давлению.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.

1. Повышение временной стабильности и надежности датчика достигается:

— исключением процессов локальной диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в монокремний в процессе производства датчиков на основе КНИ микроэлектромеханической системы и в результате исключается деградация электрофизических характеристик, обусловленная генерацией дефектов дислокации, зарождением и релаксацией локальных упругих напряжений в монокремнии [3-5], а следовательно, минимизируется временной дрейф электрофизических характеристик;

— минимизацией напряжений на чипе тензопреобразователя, предаваемых через корпус датчика, благодаря особенностям заявляемой конструкции многоэлементного ЧЭД;

— изоляцией кремниевой монолитной тензорамки от кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика (гальваническая развязка) в отличие от применения способа изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом в прототипе;

— заявляемой конструкцией ГШПМ (взамен гермовыводов с микропроволочными перемычками в прототипе), содержащей электрические проводники на основе тонкопленочной металлизации с высокой коррозионной стойкостью, ряд контактных площадок для выполнения электрических соединений с внешней электронной схемой и гибкие ленточные выводы для микроконтактирования с чипом тензопреобразователя, а также защитой электрических проводников и микроконтактных узлов от воздействия атмосферной влаги и коррозии тонкой неорганической пленкой, при этом уменьшается количество микроконтактных узлов в датчике (исключаются четыре микроконтакта на гермовыводах по сравнению с прототипом), повышается прочность выводов по сравнению с микропроволочными перемычками у прототипа, снижается трудоемкость изготовления датчика.

2. Расширение диапазона рабочей температуры, снижение чувствительности к воздействию гамма-радиации достигается преимуществом конструкции тензопреобразователей на основе КНИ микроэлектромеханической системы, а именно гальванической развязкой кремниевой монолитной тензорамки и кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, имеющим бесконечное электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление в отличие от способа изоляции обратно смещенным р-n переходом у прототипа, что позволяет исключить токи утечки, минимизировать перегрев тензорезисторов, а также снизить чувствительность к воздействию гамма-радиации. Экспериментальными исследованиями процессов деградации при спецвоздействиях установлено [6, 7], что приборы с КНИ структурами сохраняют свои электрические параметры при температурах до 250-300°С и остаются работоспособными при воздействии гамма-радиации до дозы 10⁵-5×10⁵ Гр.

Предполагается замещение импортных датчиков SP-82 фирмы MEMSCAP, Норвегия, в изделиях разработки АО «УКБП», г. Ульяновск, на датчики по предлагаемой заявке на изобретение. Проработаны вопросы технологии производства, определены предприятия-изготовители предлагаемых датчиков.

Кроме этого, на базе заявляемого изобретения возможно общепромышленное применение датчиков в авиакосмической и оборонной технике, в атомной энергетике, на транспорте, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Источники информации

1. Соколов Л.В. Патент РФ №2327125, 2008 г.

2. Leonid V. Sokolov. Conceptual basis for creating new-generation high-stable high-temperature microelectromechanical sensors based on a silicon-on-isolator heterostructure with a monolithic integral tensoframe for intelligent transducers // Proceedings of 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTII-2009, v. 3, S-Petersburg, 29 June — 2 July 2009, pp. 248-251.

3. B.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. M.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит, 1977, 672 с.

4. B.C. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит, 1990, 216 с.

5. М.И. Горлов, В.А. Емельянов, А.В. Строганов. Геронтология кремниевых интегральных схем. М: Наука, 2004, 240 с.

6. Асеев А.Л. и др. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе в микро- наноэлектронике и микросистемной технике // Микросистемная техника. 2002, №9, с. 22-29.

7. Артамонов А.С. и др. Экспериментальное исследование радиационного поведения SMART-CUT КНИ-структур // ВАНТ. Научно-технический сборник. Радиационная стойкость электронных систем («Стойкость — 2001»). 2001, вып. 4, с. 37-38.

APZ серия датчиков давления

Тип датчика	Тип сенсора	Диапазон измерений, тип давления	Выходной сигнал	Особенности
APZ 1120	Кремниевый тензорезистивный	0…0,4 бар до 0…600 бар вакуумметрическое избыточное абсолютное	0,5…4,5 В потребление тока <2 мA,	Высокоточный датчик давления с малым энергопотреблением. Exia – опция.
APZ 2030	Кремниевый тензорезистивный	0,1…40 бар дифференциальное	аналоговые: 0…10 В, 4…20 мА (3-проводные) дискретный: контакты реле	Компактный дифференциальный датчик давления.
APZ 2410	Керамический	0…1 бар до 0…160 бар избыточное	4…20 мА 2-проводный	Бюджетный многодиапазонный датчик давления OEM серии.
APZ 2410a	Керамический	0…1 бар до 0…40 бар избыточное	4…20 мА 2-проводный	Малогабаритный датчик давления OEM серии с возможностью калибровки нуля.
APZ 2412	Керамический	0…1,6 бар до 0…400 бар избыточное	4…20 мА 2-проводный	Бюджетный многодиапазонный датчик давления OEM серии.
APZ 2422	Кремниевый тензорезистивный	0…6 бар до 0…600 бар избыточное вакуумметрическое	4…20 мA 2-провводный	Бюджетный OEM датчик давления для холодильной техники.
APZ 2422a	Кремниевый	0…6 бар до 0…600 бар избыточное	4…20 мА 2-проводный	Экономичный многодиапазонный датчик давления OEM серии.
APZ 3020	Кремниевый тензорезистивный	0…0,1 бар до 0…25 бар дифференциальное	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Компактный дифференциальный датчик давления.
APZ 3230	Кремниевый тензорезистивный	6 мбар до 0…1000 мбар избыточное вакуумметрическое	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Датчик низких давлений и разрежений неагрессивных газов. Exia – опция
APZ 3240	Керамический емкостной	0…0,04 бар до  0…10 бар избыточное абсолютное	4…20 мА 4…20 мА / HART RS-485 /(Modbus RTU)	Цифровой датчик давления для агрессивных сред. Основная погрешность 0,20% ДИ (для корпуса из стали).
APZ 3240k	Керамический емкостной	0…0,04 бар до 0…10 бар избыточное, абсолютное	4…20 мА 4…20 мА / HART RS-485 /(Modbus RTU)	Датчик давления агрессивных сред для судостроения. Основная погрешность 0,20% ДИ (для корпуса из стали).
APZ 3410	Керамический	0…0,6 бар до  0…600 бар вакуумметрическое, избыточное, абсолютное	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В	Датчик давления для агрессивных сред.  Exia – опция.
APZ 3410k	Керамический	0…0,6 бар до 0…600 бар вакуумметрическое, избыточное, абсолютное	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В	Датчик давления агрессивных сред для судостроения. Exia – опция.
APZ 3420	Кремниевый тензорезистивный	0…0,04 бар до 0…600 бар избыточное абсолютное вакуумметрическое	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Общепромышленный датчик давления. Exia – опция
APZ 3420k	Кремниевый тензорезистивный	0…0,04 бар до 0…600 бар избыточное абсолютное вакуумметрическое	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Датчик давления для судостроения. Exia – опция
APZ 3420m	Кремниевый тензорезистивный	0…0,1 бар до 0…600 бар избыточное абсолютное	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Датчик давления с разделителем сред. Exia – опция
APZ 3420s	Кремниевый тензорезистивный	от 0…0,1 бар до 0…40 бар избыточное абсолютное	4…20 мА 0…20 мА 0…10 В 0…5 В 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Датчик давления с разделителем сред. Exia – опция
APZ 3421	Кремниевый тензорезистивный	0…0,04 бар до 0…600 бар избыточное абсолютное вакуумметрическое	4…20 мА 0,5…4,5 В Modbus RTU HART	Высокоточный датчик давления. Exia – опция.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Вергазов И.Р.¹, Петрин В.А.², Тареева Ю.А.³

¹Соискатель,

²соискатель,

³аспирант,

Пензенский государственный университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА

Аннотация

Проанализирована электрическая схема датчика давления с частотным выходным сигналом. Представлены результат моделирования, показывающие снижение температурной погрешности датчика для данной схемы.

Ключевые слова: тензорезистивный датчик давления, интегрирующий преобразователь, температурная погрешность.

Vergazov I.R.¹, Petrin V.A.², Tareeva Yu. A.³

¹Applicant,

²applicant,

³post-graduate student,

Penza State University

USING FREQUENCY CONVERSION FOR DECREASE OF STRAIN GAUGE SENSOR ERROR

Abstract

The electric circuit of pressure sensor with frequency output signal is analyzed. The simulation results showing a decreasing of temperature error for this circuit are shown.

Keywords: strain gauge pressure sensor, integrating converters, temperature error.

Современные информационно-измерительные системы выдвигают повышенные требования к применяемым для их построения датчикам с точки зрения повышения метрологических и эксплуатационных характеристик, таких, как точность, надежность и стабильность [1 – 3].

Перспективным направлением для создания современных датчиков давлений является использование принципа частотного преобразования параметров резистивных чувствительных элементов (ЧЭ) с использованием метода интегрирующего развертывающего преобразования [4]. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность [4].

Одним из недостатков полупроводниковых резистивных ЧЭ является значительная температурная погрешность, уменьшение которой возможно путём применения различных топологических и конструктивно-технологических решений, введения в измерительную схему дополнительных компенсирующих терморезистивных элементов и т. п., так и вторичных преобразователей сигналов с первичных датчиков в удобные для передачи, хранения и обработки информации частотно-временные сигналы [1 – 3, 4, 5 – 8]. Во вторичных преобразователях, как правило, это удаётся осуществить за счёт схемотехнических решений [9, 10].

Примером для рассмотрения может служить устройство [11] для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом, представленная на рисунке 1.

Рис. 1 – Функциональная схема устройства для измерения давления

Она включает тензомост датчика давления и частотный преобразо-ватель сигнала с выхода тензомоста датчика.

Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19 (рисунок 1), выполненный на операционном усилителе 20 и компаратор – на операционном усилителе 22, а также конденсаторы 21 и 23 в цепи отрицательной обратной связи и резисторы 24, 25 и 26. При этом резисторы 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на её основании.

Выражение для выходной частоты преобразователя имеет вид

,                     (1)

где ε_R = ΔR/R – относительное изменение сопротивления R тензомоста 18 под действием давления,   – коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к сопротивлению R тензомоста 18,  С₂₃  и С₂₁– ёмкости конденсаторов 23 и 21, R_и – сопротивление резистора интегратора.

При разбалансе тензомоста 18 в ту или другую сторону, как это происходит в датчиках дифференциального давления, величина относительного изменения сопротивления плеч тензомоста будет изменяться в зависимости от измеряемого давления в диапазоне от –0,01 до +0,01 () и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (1) можно определить девиацию частоты  выходного сигнала преобразователя

,                                        (2)

которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости С₂₃ конденсатора 23 и сопротивления R_и резистора  интегратора.

Зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста  согласно выражения (1) в диапазоне от – 0,01 до + 0,01 (относительных единиц), без учёта влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивления интегратора R_и=52630 Ом и R₂₆=1250000 Ом, ёмкость конденсатора С₂₃=20 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (n=m=0) носит линейный характер во всём диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области, а что частота f выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5033 Гц при = – 0,01 до 15000 Гц при =+0,01 и равна 10000 Гц при =0.

С учётом влияния температуры, при которой будут изменяться сопротивления плеч тензомоста (независимо от измеряемого давления) и  сопротивления дополнительных резисторов 24 и 25, установленных на основании мембраны датчика давления в непосредственной близости от тензорезисторов, но в зоне нечувствительности к механическим дефор-мациям от измеряемого давления, для выходной частоты преобразова-теля выражение (1) принимает вид

,                       (3)

где  значения  зависят от  относительного изменения сопротивлений тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов.

На рисунке 2 показаны зависимости выходной частоты преобразова-теля от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25 (n и m) при разбалансе тензомоста +0,01.

Рис. 2 –  Зависимость выходной частоты преобразователя от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25.

При включении в схему устройства резисторов 24 и 25 с увеличе-нием соотношения m=R₂₄/R и  n=R₂₅/R (m=n=1; 4; и т.д.) и размещении их на основании мембраны датчика давления происходит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на рис. 3.

С увеличением величины резисторов 24 и 25, например, в четыре раза (R₂₄=R₂₅=2800 Ом), температурная погрешность не превышает 1 0,34% при разбалансе +0,01.

Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путём правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или полностью компенсировать) погрешность измерения устройства, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.

Литература

1. Мокров Е.А., Баринов И.Н., Цибизов П.Н. Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки: учеб. пособие – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 104 с.
2. Баринов И.Н., Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.−2010.− №11.−С. 50-60.
3. Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.−2009.−№4.−С. 47-51.
4. Громков Н.В. Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография  – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 244 с.
5. Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. – № 9. – с. 29 – 35.
6. Баринов И.Н., Федулов А.В., Волков В.С. Высокотемпературные датчики абсолютного давления на структуре «поликремний – диэлектрик» с улучшенными метрологическими характеристиками // Датчики и системы. – 2012. – № 10. – с. 2 – 6.
7. Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.- 2012. – . № 7. – с. 9 – 14.
8. Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. – № 12. – с. 20 – 26.
9. Волков В.С., Фандеев В.П., Баринов И.Н. Использование информационных технологий для разработки диагностического обеспечения электронных устройств // Технологии приборостроения. – 2006. – № 4. – с. 21 – 23.
10. Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. – . № 7. – с. 50 – 55.
11. Васильев В.А., Громков Н.В.Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической  системы с частотным выходным сигналом. Заявка на изобретение №2009133752 от 08.09.2009г.

References

1. Mokrov E.A., Barinov I.N., Cibizov P.N. Poluprovodnikovye p’ezochuvstvitel’nye jelementy mikrojelektronnyh datchikov davlenij. Osnovy proektirovanija i razrabotki: ucheb. posobie – Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. – 104 s.
2. Barinov I.N., Cypin B.V. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija vysokotemperaturnyh tenzorezistivnyh datchikov davlenij na osnove karbida kremnija // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol’, diagnostika.−2010.− №11.−S. 50-60.
3. Barinov I.N. Optimizacija parametrov poluprovodnikovyh chuvstvitel’nyh jelementov datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.−2009.−№4.−S. 47-51.
4. Gromkov N.V. Integrirujushhie razvjortyvajushhie preobrazovateli parametrov datchikov sistem izmerenija, kontrolja i upravlenija: monografija  – Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. – 244 s.
5. Barinov I.N., Volkov V.S. Obespechenie dolgovremennoj stabil’nosti parametrov vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh tenzorezistivnyh datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.- 2012. – № 9. – s. 29 – 35.
6. Barinov I.N., Fedulov A.V., Volkov V.S. Vysokotemperaturnye datchiki absoljutnogo davlenija na strukture «polikremnij – dijelektrik» s uluchshennymi metrologicheskimi harakteristikami // Datchiki i sistemy. – 2012. – № 10. – s. 2 – 6.
7. Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory.- 2012. – . № 7. – s. 9 – 14.
8. Volkov V.S., Barinov I.N. Avtomatizacija razrabotki diagnosticheskogo obespechenija intellektual’nyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2009. – № 12. – s. 20 – 26.
9. Volkov V.S., Fandeev V.P., Barinov I.N. Ispol’zovanie informacionnyh tehnologij dlja razrabotki diagnosticheskogo obespechenija jelektronnyh ustrojstv // Tehnologii priborostroenija. – 2006. – № 4. – s. 21 – 23.
10. Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol’zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. – . № 7. – s. 50 – 55.
11. Vasil’ev V.A., Gromkov N.V.Ustrojstvo dlja izmerenija davlenija na osnove nano- i mikrojelektromehanicheskoj  sistemy s chastotnym vyhodnym signalom. Zajavka na izobretenie №2009133752 ot 08.09.2009g.

Что такое Тензометрический датчик (тензодатчик)?

Зачем нужен и в какой сфере применяется?

Тензометрический датчик (тензодатчик; от лат. tensus — напряжённый) — датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический), основной компонент тензометра (прибора для измерения деформаций).

Существует множество способов измерения деформаций: тензорезистивный, пьезоэлектрический, оптико-поляризационный, пьезорезистивный, волоконно-оптический, или простым считыванием показаний с линейки механического тензодатчика. Среди электронных тензодатчиков, наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики.

На нашем сайте вы можете купить тензодатчики. Мы предоставляем сертифицированную продукцию, такую как аналоговые тензодатчики и цифровые тензометрические датчики.

Тензорезистивный датчик обычно представляет собой специальную упругую конструкцию с закреплённым на ней тензорезистором и другими вспомогательными деталями. После калибровки, по изменению сопротивления тензорезистора можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.

Существуют разные типы датчиков:

• датчики силы (измеряет усилия и нагрузки)
• датчики давления (измерение давления в различных средах)
• акселерометры (датчик ускорения)
• датчики перемещения
• датчики крутящего момента

Наиболее типичным применением тензодатчиков являются весы. В зависимости от конструкции грузоприёмной платформы, применяются тензодатчики различного типа:

• консольные
• s-образные
• шайба
• бочка

Конструкция резистивного тензодатчика представляет собой упругий элемент, на котором зафиксирован тензорезистор. Под действием силы (веса груза) происходит деформация упругого элемента вместе с тензорезистором. В результате изменения сопротивления тензорезистора, можно судить о силе воздействия на датчик, а следовательно, и о весе груза.

Принцип измерения веса при помощи тензодатчиков основан на уравновешивании массы взвешиваемого груза с упругой механической силой тензодатчиков и последующего преобразования этой силы в электрический сигнал для последующей обработки.

Для характеристики защиты тензодатчика от воды и пыли используется IP-рейтинг.

Тензорезистивные МЭМС-преобразователи давления и модули на их основе :.

Представлены результаты разработки группы тензорезистивных преобразователей давления, изготовленных по технологии объемной микрообработки кремния. Рассмотрены одноканальные преобразователи абсолютного и избыточного давления на основе сложнопрофилированных мембран со встроенной защитой от перегрузки. Показаны их преимущества по сравнению с преобразователями давления, созданными на основе кремниевых плоских мембран и мембран с жестким центром. Описан многоканальный сканер давления для измерения давления на поверхности моделей летательных аппаратов при проведении испытаний в аэродинамической трубе. Приведены конструктивно-технологические принципы создания многоканальных модулей для измерения газодинамических потоков. Представлены матрицы чувствительных элементов давления и модули на их основе для тактильных датчиков, а также конструкция кремниевой матрицы чувствительных элементов давления и модулей на их основе, предназначенных для использования в составе установки тактильной диагностики внутренних органов при проведении операций малоинвазивной хирургии.

1. Тензорезистивные преобразователи давления на основе сложнопрофилированных кремниевых мембран / Н.С. Землянников, Н.Л. Данилова, В.В. Панков и др. // Нано- и микросистемная техника. – 2013. – № 4. – С. 32–35.
2. Гусев Д.В., Данилова Н.Л., Землянников Н.С., Суханов В.С. Многоканальные тензорезистивные преобразователи давления // Нано- и микросистемная техника. – 2014. – № 6. – С. 25–27.
3. Preusche C., Ortmaier T., Hirzinger G. Teleoperation concepts in minimal invasive surgery // Control Eng. Practice. – 2002. – Vol. 10. – P. 1245–1250.
4. Разработка и создание опытных образцов искусственных тактильных механорецепторов для эндоскопии / В.В. Амеличев, В.М. Буданов, Д.В. Гусев и др. // Нано- и микросистемная техника. – 2009. – № 2. – С. 30.

Датчик давления ОТ-1 WIKA

Технические данные		Модель OT-1
Диапазон измерений	бар	6	10	16	25	40	60
Предельно допустимое давление	бар	20	20	32	50	80	120
Предел прочности	бар	100	100	160	250	400	550
		Другие диапазоны по запросу
Материалы
*Смачиваемые детали		Нержавеющая сталь
*Корпус		Высокопрочный пластик (PBT)
Выходной сигнал		Выходной сигнал		Питание		Нагрузка
Питание		4 … 20 мА, 2-проводный		8 … 36 DC В		R A <(UB – 8 В) / 0.02 A с
Нагрузка						R A в Ом и UB в Вольт
		1 … 6 В, 3- проводный		9 … 36 DC В		R A > 2.5 кОм
		1 … 5 В, 3- проводный		8 … 36 DC В		R A > 2.5 кОм
		0 … 10 В, 3- проводный		14 … 36 DC В		R A > 5 кОм
		0.5 … 4.5 В, логометр.		5 + 0.5 DC В		R A > 4.5 кОм
Время срабатывания (10 … 90 %)	мс	< 2
Погрешность	% от диапазона	< 1.0 (предельная точка калибровки)
	% от диапазона	< 2.0 (предельная точка калибровки) для диапазонов < 10 бар
	% от диапазона	< 0.5 (BFSL)
	% от диапазона	< 1.0 (BFSL) для диапазонов < 10 бар
		Включая нелинейность, гистерезис и повторяемость
		Предельная точка калибровки
Повторяемость	% от диапазона	< 0.3
Стабильность в течение года	% от диапазона	< 0.3 (при соответствующей эксплуатации)
Допустимая температура
*Измеряемой среды		-40 … +125 °C			-40 … +257 °F
*Окружающей среды		-40 … +100 °C			-40 … +212 °F
		С кабельной версией температура ограничена в -40 … +90 °C (-40 …+194 °F)
*Хранения		-40 … +120 °C			-40 … +248 °F
		С кабельной версией температура ограничена в -40 … +90 °C (-40 …+194 °F)
*Компенсации		0 … +80 °C			+32 … +176 °F
Температурный коэффициент в
диапазоне компенсации
*TК нуля	% от диапазона	< 0.3 / 10K (для специальных диапазонов повышенный ТК нуля)
*TК диапазона	% от диапазона	< 0.2 / 10K
СЕ-соответствие		89/336/EWG помехоустойчивость и ЭМС по EN 61 326
		97/23/EG Директива по СИ давления
Защита электроники		Защита от неправильной полярности и короткого замыкания
		Для логометрического выхода защита от неправильной полярности искл-ся
Пылевлагозащита		По IEC 60 529 / EN 60 529, смотри страницу 3
Масса	гр	Около 70

Датчик давления

| Как это работает

Что такое датчик давления? Какие существуют типы датчиков давления и датчиков давления и как они работают при измерении давления?

Датчик давления

: определение, принцип работы и типы. Ознакомьтесь с функциями и возможностями различных датчиков измерения давления в этом подробном руководстве.

Преобразователи давления

производятся в США компанией FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), ведущим производителем сенсоров, с использованием одной из самых передовых технологий в сенсорной индустрии: тензометрических датчиков с металлической фольгой.Датчик давления определяется как датчик, который преобразует входное механическое давление в электрический выходной сигнал (определение датчика давления). Существует несколько типов датчиков давления в зависимости от размера, емкости, метода измерения, технологии измерения и требований к выходу.

Посетите наш магазин датчиков давления. Доступно более 60+ типов датчиков!

Что такое датчик давления?

Для чего нужен датчик давления? Датчик давления — это преобразователь или прибор, который преобразует входное механическое давление в газах или жидкостях в электрический выходной сигнал.Датчик давления состоит из чувствительного к давлению элемента, который может измерять, обнаруживать или контролировать прикладываемое давление, и электронных компонентов для преобразования информации в электрический выходной сигнал.

Давление определяется как величина силы (оказываемой жидкостью или газом), приложенной к единице «площади» (P = F / A), и общепринятыми единицами измерения давления являются Паскаль (Па), Бар (бар), Н / мм2 или psi (фунтов на квадратный дюйм). В датчиках давления часто используется пьезорезистивная технология, поскольку пьезорезистивный элемент изменяет свое электрическое сопротивление пропорционально испытываемой деформации (давлению).

Как работает датчик давления?

Чтобы понять, как работает промышленный датчик давления и как измерять давление, во-первых, необходимо понять физику и материаловедение, лежащие в основе принципа работы датчика давления и пьезорезистивного эффекта , который измеряется тензодатчиком (иногда называемый тензодатчиком ). Тензорезистор из металлической фольги — это датчик, электрическое сопротивление которого зависит от приложенного давления.Другими словами, он преобразует силу, давление, растяжение, сжатие, крутящий момент и вес (также известные как датчики веса) в изменение электрического сопротивления, которое затем можно измерить.

Тензодатчики — это электрические проводники, плотно прикрепленные к пленке зигзагообразно. Когда эту пленку натягивают, она вместе с проводниками растягивается и удлиняется. Когда его толкают, он сокращается и становится короче. Это изменение формы вызывает изменение сопротивления в электрических проводниках. Деформация, приложенная к датчику давления, может быть определена на основе этого принципа, поскольку сопротивление тензодатчика увеличивается с приложенной деформацией и уменьшается с уменьшением.

Рис. 1. Тензорезистор из металлической фольги. Источник: ScienceDirect

Посетите наш магазин датчиков давления. Доступно более 60+ типов датчиков!

Конструктивно датчик тензометрического датчика давления состоит из металлического корпуса (также называемого изгибом), к которому прикреплены тензодатчики из металлической фольги . Корпус этих датчиков давления обычно изготавливается из алюминия или нержавеющей стали, что придает датчику две важные характеристики: (1) обеспечивает прочность, чтобы выдерживать высокие давления, и (2) обладает эластичностью, позволяющей минимально деформироваться и возвращаться к своей исходной форме, когда давление снимается.

Датчик давления преобразует давление в электрический сигнал. В промышленных датчиках давления FUTEK используется пьезорезистивный эффект, который заключается в тензодатчиках из металлической фольги, установленных на диафрагме. При изменении давления диафрагма меняет форму, вызывая изменение сопротивления в тензодатчиках, что позволяет измерять изменения давления электрически. Наши датчики давления, естественно, вырабатывают электрический сигнал в милливольтах, который изменяется пропорционально давлению и напряжению возбуждения датчика (мВ / В — милливольт на вольт).Однако мы предлагаем датчики давления с внутренними аналоговыми усилителями. Датчики давления со встроенными усилителями генерируют сигналы либо с переменным напряжением, т. Е. ± 10 В, либо с переменным током (т. Е. Выход датчика давления 4-20 мА). Однако, если для вашего приложения требуется усилитель с цифровым датчиком или USB-датчиком давления, см. Наши датчики давления, инструменты и страницу магазина усилителей.

Тензодатчики расположены в так называемой схеме усилителя на мосту Уитстона (см. Анимированную схему ниже).Это означает, что четыре тензодатчика соединены между собой как контурная петля, и измерительная сетка измеряемого давления выровнена соответствующим образом.

Тензометрические мостовые усилители обеспечивают регулируемое напряжение возбуждения и преобразуют выходной сигнал мВ / В в другую форму сигнала, более полезную для пользователя. Сигнал, генерируемый тензометрическим мостом, является сигналом низкой мощности и может не работать с другими компонентами системы, такими как ПЛК, модули сбора данных (DAQ) или компьютеры.Таким образом, функции формирователя сигнала датчика давления включают в себя напряжение возбуждения, фильтрацию или ослабление шума, усиление сигнала и преобразование выходного сигнала.

Кроме того, изменение выходного сигнала усилителя откалибровано так, чтобы быть пропорциональным давлению, приложенному к изгибу, которое можно рассчитать с помощью уравнения цепи датчика давления.

Рис. 2: Цепь датчика измерения давления.

Посетите наш магазин датчиков давления. Поговорите с инженером сегодня!

Как измерить давление? Какие бывают типы датчиков давления и методы измерения?

Датчики давления

можно классифицировать по типу измеряемого ими давления, а также по технологии измерения давления, с которой работает датчик.В связи с этим существует три метода измерения давления: дифференциальное, абсолютное и манометрическое.

Преобразователь перепада давления: Дифференциальное давление — это измерение разницы давления между двумя значениями давления или двумя точками давления в системе , таким образом, измеряется то, насколько эти две точки отличаются друг от друга, а не их величина относительно атмосферного давления. или другому эталонному давлению, например абсолютному вакууму. Это отличается от датчика статического или абсолютного давления, который будет измерять давление, используя только один порт, и обычно датчики дифференциального давления комплектуются двумя портами, к которым могут быть присоединены трубы и подключены к системе в двух разных точках давления, откуда может возникнуть перепад давления. быть измеренным и рассчитанным.

Этот метод измерения давления обычно используется для измерения расхода жидкости или газа в трубах или каналах.

Рис. 3: Как работает датчик дифференциального давления? Измерение уровня в резервуаре с помощью датчика измерения перепада давления.

Датчик абсолютного или вакуумного давления: Этот датчик измеряет абсолютное давление , , которое определяется как давление, измеренное относительно абсолютного герметичного вакуума .Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянное опорное значение . Эти приложения требуют привязки к фиксированному давлению, поскольку их нельзя просто привязать к окружающему давлению окружающей среды. Например, этот метод используется в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как мониторинг вакуумных насосов, измерение давления жидкости, промышленная упаковка, управление производственными процессами, а также аэрокосмический и авиационный контроль. Когда дело доходит до измерения давления воздуха, особенно для таких приложений, как барометрические измерения погоды или высотомеры, предпочтительным устройством является датчик абсолютного давления.

Посетите наш магазин датчиков давления. Обратитесь к нашему специалисту по применению сегодня!

Манометрическое или относительное давление Преобразователь : Манометрическое давление — это просто особый случай перепада давления с давлениями, измеряемыми дифференциально, но всегда относительно местного давления окружающей среды . В этом же отношении абсолютное давление также можно рассматривать как дифференциальное давление, когда измеренное давление сравнивается с абсолютным вакуумом.Изменения атмосферного давления из-за погодных условий или высоты непосредственно влияют на выходной сигнал датчика избыточного давления. Манометрическое давление выше, чем давление окружающей среды, называется положительным давлением. Если измеренное давление ниже атмосферного, оно называется отрицательным или вакуумметрическим давлением.

Рис. 4: Измерение давления с помощью датчика давления в водяной насосной системе

Типы технологий измерения давления или принципы работы

Существует множество технологий измерения давления, или принципов измерения, способных преобразовывать давление в измеримый и стандартизированный электрический сигнал.В этой статье основное внимание будет уделено типам коллекторов силы, которые используют датчик силы (то есть диафрагму) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной силы по площади (давления).

Резистивный или пьезорезистивный эффект: Резистивные датчики измерения давления используют изменение электрического сопротивления тензодатчика, прикрепленного к диафрагме (также известной как элемент изгиба), которая подвергается воздействию среды под давлением.

Тензодатчики часто состоят из металлического резистивного элемента на гибкой основе, прикрепленной к диафрагме (т.е.е. тензорезистор из металлической фольги) или нанесенный непосредственно с использованием тонкопленочных технологий.

Обычно тензодатчики подключаются по схеме моста Уитстона, чтобы максимизировать выходной сигнал датчика и снизить чувствительность к ошибкам. Это наиболее часто используемая сенсорная технология для измерения давления общего назначения.

Видео на YouTube: Миниатюрный датчик давления (PFT510) | Преобразователь давления с мембраной, устанавливаемой заподлицо.

Посетите наш магазин датчиков давления.Доступно более 60+ датчиков!

Емкостный: Емкостные датчики давления используют диафрагму, которая отклоняется под действием приложенного давления, чтобы создать переменный конденсатор для определения деформации из-за приложенного давления. При приложении давления внешнее давление сжимает диафрагму, и значение емкости уменьшается. Когда давление сбрасывается, диафрагма возвращается к своей первоначальной форме, и за ней следует емкость. В обычных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые диафрагмы.Емкость можно откалибровать для получения точных показаний давления.

Емкостные датчики, которые показывают изменение емкости при отклонении одной пластины под действием приложенного давления, могут быть высокочувствительными и выдерживать большие перегрузки. Однако ограничения по материалам, а также требования к соединению и герметизации могут ограничивать области применения.

Пьезоэлектрический эффект: Пьезоэлектрические датчики давления используют свойство пьезоэлектрических материалов, таких как керамика или металлизированный кварц, генерировать электрический потенциал на поверхности, когда материал подвергается механическому напряжению и создается деформация.Величина заряда пропорциональна приложенному давлению, а полярность определяется направлением давления. Электрический потенциал накапливается и быстро рассеивается при изменении давления, что позволяет измерять быстро изменяющиеся динамические давления.

Каковы основные области применения датчиков давления?

На странице приложений датчиков давления

FUTEK представлено несколько промышленных приложений датчиков давления. Одно из распространенных приложений — измерение давления в гидравлической системе крана.

Стандарты измерения давления

Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности (P = F / A). В физической науке символ давления — p, а единица измерения давления в системе СИ — паскаль (символ: Па). Один паскаль — это сила в один Ньютон на квадратный метр, действующая перпендикулярно поверхности. Другими обычно используемыми единицами измерения давления для определения уровня давления являются фунты на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм) и бар. Использование единиц давления имеет региональные и прикладные предпочтения: фунты на квадратный дюйм обычно используются в Соединенных Штатах, а бар — предпочтительная единица измерения в Европе.

	Паскаль	Бар	Стандартная атмосфера	Фунтов на квадратный дюйм
	(Па)	(бар)	(атм)	(фунт / дюйм2 или фунт-сила / дюйм 2 )
1 Па	1	10 −5 бар	9,8692 × 10 −6 атм	1,45 х 10 −4
1 бар	100 000	1	0.98692	14,5038
1 атм	1013,25	1.01325	1	14,6959
1 фунт / кв. Дюйм или фунт-сила / дюйм 2	6 894,76	0,06894	0,06804	1

Почему так важна калибровка датчика давления?

Калибровка датчика давления — это регулировка или набор корректировок, которые выполняются на датчике , или приборе (усилителе), чтобы убедиться, что датчик работает как точно или безошибочно, насколько это возможно.

Каждый датчик подвержен ошибкам измерения . Эти структурные погрешности представляют собой просто алгебраическую разницу между значением, которое отображается на выходе датчика , и фактическим значением измеряемой переменной или известными эталонными давлениями. Ошибки измерения могут быть вызваны многими факторами:

Смещение нуля (или баланс нуля датчика давления): Смещение означает, что выходной сигнал датчика при нулевом давлении (истинный ноль) выше или ниже идеального выходного сигнала.Кроме того, стабильность нуля относится к степени, в которой преобразователь поддерживает баланс нуля при постоянных условиях окружающей среды и других переменных.

Линейность (или нелинейность): Некоторые датчики имеют полностью линейную характеристическую кривую, что означает, что выходная чувствительность (крутизна) изменяется с разной скоростью во всем диапазоне измерения. Некоторые датчики достаточно линейны в желаемом диапазоне и не отклоняются от прямой (теоретически), но некоторые датчики требуют более сложных вычислений для линеаризации выходного сигнала.Таким образом, нелинейность датчика давления — это максимальное отклонение фактической калибровочной кривой от идеальной прямой линии, проведенной между выходами без давления и номинальным давлением, выраженное в процентах от номинального выхода.

Гистерезис: Максимальная разница между показаниями на выходе датчика для одного и того же приложенного давления; одно показание получается путем увеличения давления от нуля, а другое — за счет уменьшения давления от номинального выхода. Обычно он измеряется при половине номинальной мощности и выражается в процентах от номинальной мощности.Чтобы свести к минимуму ползучесть, измерения следует проводить как можно быстрее.

Повторяемость (или неповторяемость): Максимальная разница между показаниями на выходе датчика для повторяющихся входов при одинаковом давлении и условиях окружающей среды. Это означает способность датчика поддерживать постоянный выходной сигнал при многократном приложении одинакового давления.

Температурный сдвиг диапазона и нуля: Изменение выходного сигнала и нулевого баланса, соответственно, из-за изменения температуры преобразователя.

Рис. 5: Калибровочная кривая датчика давления.

Каждый датчик давления имеет «характеристическую кривую» или «калибровочную кривую», которая определяет реакцию датчика на входной сигнал. Во время регулярной калибровки с использованием калибровочной машины датчика мы проверяем смещение нуля датчика и линейность, сравнивая выходной сигнал датчика с эталонными весами и регулируя реакцию датчика на идеальный линейный выходной сигнал. Оборудование для калибровки датчика давления также проверяет гистерезис, повторяемость и температурный сдвиг, когда заказчики запрашивают его для некоторых критических приложений измерения давления.

Для получения дополнительной информации о калибровке, пожалуйста, обратитесь к нашей странице часто задаваемых вопросов о калибровке сенсора.

Если у вас есть дополнительные вопросы о терминах и определениях калибровки, обратитесь к нашему Глоссарию терминов калибровки датчиков.

Хотите знать, какие услуги по калибровке мы предлагаем для вашего датчика и / или системы?

Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше!

Как часто следует калибровать датчик давления?

Поскольку датчик тензометрического датчика давления подвержен постоянному использованию, старению, дрейфу выходного сигнала, перегрузкам и неправильному обращению, FUTEK настоятельно рекомендует ежегодно проводить повторную калибровку.Частая повторная калибровка помогает подтвердить, сохраняла ли датчик свою точность с течением времени, и предоставляет сертификат калибровки весоизмерительного датчика, чтобы показать, что датчик по-прежнему соответствует спецификациям.

Однако, когда датчик используется в критических приложениях и суровых условиях, датчики давления могут потребовать еще более частой калибровки. Пожалуйста, проконсультируйтесь о соответствующих интервалах калибровки с нашей группой технической поддержки, которая поможет вам оценить наиболее экономичный интервал обслуживания калибровки для вашего датчика.

Как работает тензодатчик ~ Изучение контрольно-измерительной техники

Пользовательский поиск

Существует несколько различных технологий преобразования давления жидкости в отклик электрического сигнала. Эти технологии составляют основу современных электронных датчиков давления. Одной из таких технологий является обсуждаемый здесь тензодатчик.

Тензодатчик — это то, что можно назвать «пьезорезистивным элементом». Это означает, что его сопротивление изменяется при изменении приложенного давления. По сути, тензодатчик использует изменение электрического сопротивления материала (проволоки, фольги или пленки) при деформации для измерения давления.

Электрическое сопротивление любого проводника пропорционально отношению длины к площади поперечного сечения (R ∝ L / A), что означает, что деформация при растяжении (растяжение) увеличивает электрическое сопротивление за счет одновременного увеличения длины и уменьшения площади поперечного сечения при сжатии. деформация уменьшит электрическое сопротивление за счет одновременного уменьшения длины и увеличения площади поперечного сечения.

В комплект тензометрического манометра входит:

• Чувствительный элемент (трубка Бурдона, сильфон или диафрагма)
• Тензодатчик, прикрепленный к элементу
• Стабильный источник питания и считывающее устройство

В практических устройствах, использующих технологию тензодатчиков, тензодатчик прикреплен к диафрагме (технология различается для разных производителей). В результате получается устройство, которое изменяет сопротивление в зависимости от приложенного давления.Давление заставляет диафрагму деформироваться, что, в свою очередь, вызывает изменение сопротивления тензодатчика. Измеряя это изменение сопротивления, мы можем сделать вывод о величине давления, приложенного к диафрагме.

В ранее выпускаемых марках в качестве тензодатчика использовались металлы. В пределах своей упругости многие металлы обладают хорошими упругими характеристиками. Металлы, однако, подвержены усталости при повторяющихся циклах деформации (растяжения и сжатия), и они начнут «течь (пластическая деформация)», если будут деформированы за пределами их предела упругости.Это частый источник ошибок в тензодатчиках на металлической основе.

Современные технологии производства сделали возможным создание тензодатчиков из кремния вместо металла. Кремний демонстрирует очень линейные пружинные характеристики в узком диапазоне движения и высокую устойчивость к усталости. Эта характеристика желательна в реальных приложениях, так как неисправный датчик потребует его замены (тогда как металлический датчик деформации может создать ложное впечатление о продолжении работы после операции перенапряжения).

Упрощенная схема расположения датчика давления диафрагма / тензодатчик показана ниже:

Foxboro производит серию датчиков давления, использующих тензодатчик в качестве чувствительного элемента. Вы можете проверить это здесь Преобразователь давления Foxboro.

Одним из основных недостатков тензодатчиков является то, что для всех их приложений требуются стабилизированные источники питания для напряжения возбуждения, хотя это обычно является внутренним элементом цепей датчиков.

Вы также можете узнать больше об эволюции тензодатчика от Omega.

Датчик давления для космической ракеты

Это настоящая позиция.

Основной текст выглядит следующим образом.

MinebeaMitsumi, выход в открытый космос!
Сверхточная технология, которая хорошо работает в космосе

Измерительные компоненты

Космические ракеты производятся путем соединения высокоточных деталей. На этот раз MinebeaMitsumi разработала высокоточный датчик для измерения широкого спектра давлений, которые жизненно важны для управления ракетами. Сверхточность была естественным условием для достижения прочности и надежности, позволяющих противостоять определенным условиям в космосе, а также требовались передовые технологии, чтобы эффективно конкурировать с мировой космической отраслью.MinebeaMitsumi производит детали для авиационной промышленности с момента своего основания, но производство продукции, используемой в космосе, — это совсем другая история. В полной мере используя свой опыт, накопленный на сегодняшний день, MinebeaMitsumi смогла успешно производить датчики давления для космических ракет на линиях массового производства.

Тензодатчик, способный измерять различные «силы»

Тензодатчик — это датчик, который может обнаруживать изменения электрического сопротивления и измерять приложенную к нему нагрузку (силу).Тензодатчик — это механизм, который измеряет величину изменения нагрузки (силы) при приложении нагрузки (силы) к объекту, который измеряет тензодатчик. По мере того как тензодатчик расширяется и сжимается вместе с деформацией объекта, значения электрического сопротивления изменяются соответствующим образом, при этом тензодатчик измеряет такое изменение электрического сопротивления.

Поскольку технические характеристики, необходимые для различных продуктов, различаются в зависимости от области применения и рабочей среды, материалы и формы необходимо соответствующим образом отрегулировать.Они широко делятся на тензодатчики из металлической фольги и полупроводниковые тензодатчики, и MinebeaMitsumi подбирает подходящее вещество для оптимального применения среди множества материалов. Первоначально разработка началась для использования при обнаружении напряжения, прикладываемого к самолету, и эта технология также была принята для анализа прочности автомобилей и тому подобного. В настоящее время технология применяется для крупномасштабных измерений — от грузоподъемности тяжелых грузовиков и веса винных бочонков до тензодатчиков для точных весов, используемых в магазинах и при розливе напитков.Приложения также включают весы для микроволн, указательные устройства для клавиатур ПК, датчики силы для медицинского оборудования, измеряющие внутривенное вливание через трубку, и систему давления почвы для разработки туннельного щита. MinebeaMitsumi работает в самых разных областях, от датчиков крутящего момента для определения крутящего момента двигателя автомобиля до датчика давления для измерения пневматического и гидравлического давления. В последние годы на рынке Северной Америки датчик для измерения веса пассажира был установлен на пассажирских сиденьях автомобилей, чтобы контролировать срабатывание подушек безопасности во время столкновения.

---

Путь к развитию датчиков давления для космических ракет

MinebeaMitsumi передала технологии Shinko своему бизнес-подразделению по производству сенсорных устройств, и с 1974 года производит тензодатчики и различные датчики, использующие эту технологию. Спустя двадцать лет, в 1996 году, MinebeaMitsumi приступила к разработке первого продукта для использования в космосе по запросу Mitsubishi Heavy Industries для разработки датчиков давления для ракеты H-II A, в которой манометр MinebeaMitsumi использовался в испытательном оборудовании двигателей для предыдущего космоса. ракета.Разработка деталей, используемых в космосе, которые могут выдерживать суровые условия окружающей среды, в некотором смысле является вершиной производства. Это потребовало создания производственной системы, удовлетворяющей потребности в разработке продуктов, обладающих высокой водонепроницаемостью, антикоррозийными свойствами и, кроме того, способных обеспечить стабильную поставку деталей. Задача MinebeaMitsumi по обеспечению высокой надежности и стабильного снабжения началась.

---

Сверхвысокое качество, необходимое на вершине производства

Высокая прочность и надежность необходимы для того, чтобы выдерживать суровые условия в космосе, так как малейшая ошибка может привести к серьезным авариям в деталях, установленных на космической ракете, которая полностью отличается от окружающей среды на Земле.Тензодатчик из металлической фольги для массового производства допускает общую погрешность до 0,5% при общем измерении, но в изделиях для использования в космосе допускается погрешность только до 0,2%. Поэтому для достижения высокой точности в качестве основного материала используется кремний на сапфире (SOS), который изготавливается путем выращивания кристаллов сапфира со слоем кремния на сапфировой подложке. Сапфир обладает превосходными механическими свойствами, что позволяет более точно определять давление. Кроме того, сапфир является наиболее оптимальным материалом для использования в космосе, поскольку он выдерживает высокую температуру в 380 градусов по Цельсию и устойчив к космическим лучам, таким как гамма-лучи.

---

Тщательный контроль качества и производственный контроль

Поскольку датчики, установленные на космических ракетах, размещаются в суровых условиях, они подвергаются строгим экологическим испытаниям посредством испытаний на вибрацию. Поскольку даже незначительные примеси в жидком кислороде и жидком водороде, входящие в состав топлива для ракетных двигателей, могут привести к фатальной химической реакции, выполняется тщательная очистка. Пока готовится специализированное инспекционное оборудование для использования в космосе, осуществляется окончательный внутренний контроль качества.Чтобы сохранить рентабельность в процессе производства, мы не подготавливаем производственную линию для использования в космосе отдельно, а используем ту же линию массового производства, что и для потребительских товаров. Твердое управление людьми, оборудованием и производством на производстве позволяет производить дорогостоящие продукты с добавленной стоимостью на производственной линии для потребительских товаров, а опыт и навыки участников производства, полученные в результате этого опыта, применяются для производства других измерительных датчиков.

---

Решающее различие между продуктами массового производства и продуктами для использования в космосе заключается в способе поддержания производственного процесса, помимо характерного различия в самих продуктах. Цикл PDCA обычно внедряется в процессе массового производства с целью постепенного повышения производительности и производительности продукта, но для продуктов, используемых в космосе, после того, как приложение для закрепления конструкции будет принято, последующий производственный процесс должен быть сохранен. без изменений.Чрезвычайно сложно, но необходимо внедрить эту совершенно новую концепцию в сотрудников, участвующих в производстве, и способ достижения эффективности в процессе представляет собой серьезную проблему. Взаимодействие между сотрудниками росло по мере продвижения разработки, и они объединились и усердно работали над достижением цели с чувством сильной солидарности, поскольку им, например, нравилось вместе наблюдать за трансляцией в прямом эфире во время запуска ракеты. MinebeaMitsumi всегда будет заниматься производством с общей целью — продолжать стремиться к сверхточности.

---

Это заканчивается основным текстом.

Тензометрический датчик давления Принцип

Тензометрический датчик давления Принцип:

Когда закрытый контейнер подвергается приложенному давлению, он деформируется (то есть изменяется его размер).

Измерение этой деформации с помощью вторичного преобразователя, такого как тензодатчик (металлический проводник), становится мерой приложенного давления.

То есть, если тензодатчики прикреплены к контейнеру, подвергающемуся приложенному давлению, тензодатчики также изменят свои размеры в зависимости от расширения или сжатия контейнера.

Изменение размера тензодатчика приведет к его сопротивлению изменению. Это изменение сопротивления тензодатчика становится мерой давления, приложенного к контейнеру (эластичному контейнеру или ячейке).

Существует два типа тензометрических датчиков давления, а именно:

1. Датчик давления с плоской трубкой
2. Датчик давления цилиндрического типа

Датчик давления с плоской трубкой

Основные части аранжировки следующие:

Измеряемое давление прикладывается к открытому отверстию трубки.Из-за давления трубка имеет тенденцию закругляться, то есть размер изменяется (деформируется).

По мере того, как тензодатчики устанавливаются на трубу, размеры тензодатчиков также изменяются пропорционально изменению размера трубы, вызывая изменение сопротивления тензодатчиков.

Изменение размера трубки пропорционально приложенному давлению. Следовательно, измерение изменения сопротивления тензодатчиков становится мерой приложенного давления при калибровке.

Датчик давления цилиндрического типа

Основными частями этой договоренности являются:

Измеряемое давление прикладывают к открытому концу цилиндрической трубки. Под действием давления цилиндрическая труба деформируется, то есть ее размеры меняются.

Поскольку тензодатчики устанавливаются на цилиндрической трубе, размеры чувствительных тензодатчиков также изменяются пропорционально изменению размера цилиндрической трубы, вызывая изменения сопротивления тензодатчиков.

Изменение размера цилиндрической трубки пропорционально приложенному давлению.

Следовательно, измерение изменения сопротивления тензодатчиков становится мерой приложенного давления при калибровке.

Применение тензометрических датчиков давления

• Ячейка для измерения давления с плоской трубкой используется для измерения низкого давления.
• Датчик давления цилиндрического типа используется для измерения среднего и высокого давления.

TPS Тензометрический датчик давления

Тензометрический датчик давления с выходом в милливольтах напрямую от четырехрычажной цепи тензодатчика с мостом Уитстона в диапазонах давления от 10 до 1000 бар.

В тензометрическом датчике давления TPS используется прочная диафрагма из нержавеющей стали 17-4PH с приклеенными тензодатчиками из фольги, а также инновационная механическая конструкция, которая делает датчик нечувствительным к затяжке во время установки.

Тензометрический датчик давления TPS идеально подходит для приложений, требующих высокой точности в динамических пневматических или гидравлических системах управления и испытаний, таких как машины для испытания материалов.

Параметры продукта

• Диапазоны давления: от 10 до 1000 бар
• Точность: 0.2% полной шкалы BSL> 200 бар, 0,5% полной шкалы BSL <= 200 бар
• Выходной сигнал: выходная чувствительность от 1,5 до 3 мВ / В в зависимости от диапазона
• Электрические соединения: варианты вилок и кабелей со степенью защиты от IP65 до 67
• Напорные соединения: BSP, NPT, UNF и метрическая резьба, наружная или внутренняя

Описание продукта

Приложения

Обычно гидравлические методы используются для приложения силовой или весовой нагрузки к образцу материала, такого как бетон или грунт.При проведении разрушающих испытаний возникают скачки давления высокого уровня, когда образцы начинают ослабевать в ответ на приложенные напряжения. Важно, чтобы датчик давления, измеряющий гидравлическое давление, мог выдерживать это внезапное изменение давления в течение многих циклов без ухудшения рабочих характеристик.

Прецизионный датчик давления TPS имеет прочную механическую конструкцию и используется для испытаний материалов под высоким давлением, таких как испытание на сжатие бетона или грунта.

Принцип чувствительности

Оба тензометрических датчика давления TPS включают в себя надежную технологию датчика давления, которая включает относительно толстую чувствительную диафрагму из нержавеющей стали 17-4ph, которая вырезана из цельного куска металла, и высокоточные тензодатчики из фольги, которые точно прикреплены к обратной стороне для образования схема моста Уитстона с четырьмя рукавами. Чувствительный элемент механически сконструирован таким образом, чтобы изолировать его от механических нагрузок, вызванных затяжкой датчика давления во время установки.

Диапазоны давления

Диапазоны давления от 10 до 1000 бар могут быть превышены до двух раз по сравнению с диапазоном без ущерба для допусков спецификации.

Выходной сигнал

Прецизионный датчик давления TPS имеет выход сигнала в мВ для обеспечения высокого динамического отклика сигнала с пассивной схемой.

Подключения

Доступен широкий выбор соединений под давлением и электрических соединений, что позволяет указать предпочтения для большинства установок.

Справка по продукту

Замена устаревшего TFN

Мы ищем замену датчика давления для нашей машины для испытания бетонных кубов на сжатие, которая измеряет максимальное усилие 2000 кН. Старый датчик давления имеет маркировку TFN-V-7C, 700 бар, 3,0 мВ / В.

TFN больше не производится, и в качестве альтернативы мы предлагаем TPS со спецификацией ниже:

• Артикул: s1-tps-96-28073
• Диапазон давления: от 0 до 700
• Единицы: бар
• Тип диапазона: положительный манометр (от атм до + P)
• Выходной сигнал: 3 мВ / В
• Электрическое соединение: 6-контактный разъем в стиле милитари IP66
• Дополнительный соединительный разъем: 6-контактный IP66 в стиле милитари плюс 2 метра кабеля (C02W)
• Присоединение к процессу: G1 / 4, розетка

Гидравлическое масло до 700 бар

Мне нужен гидравлический преобразователь для работы на масле под давлением до 700 бар с 4-проводной конфигурацией, которая будет работать в диапазоне от 5 до 10 В постоянного тока с выходным сигналом в мВ.

TPS совместим с гидравлическим маслом и будет работать с любым напряжением между питанием 5-10 В постоянного тока, поскольку он имеет логометрическую схему ввода / вывода, но имейте в виду, что напряжение питания должно быть стабильным, чтобы обеспечить стабильный выход.

• Артикул: s1-tps-0001
• Номер детали: TPS-1-F-B07C-T-2130-X000X00
• Диапазон давления: 700
• Единицы: бар
• Тип диапазона: положительный манометр (от атм до + P)
• Выходной сигнал: мВ / В
• Электрическое соединение: встроенный экранированный кабель (длиной 1 метр)
• Дополнительные ответные соединители: не требуются
• Присоединение к процессу: G1 / 4, наружная резьба (DIN3852-A)

Сопутствующие документы

Лист технических данных

Запросить цену продукта

Пожалуйста, выберите опции, которые вам требуются для тензометрического датчика давления TPS в вашем приложении, и запросите ценовое предложение.

Что такое тензодатчик?

Время от времени мы получаем электронные письма от людей, которые спрашивают, что такое тензодатчик, поэтому позвольте нам объяснить, что такое тензодатчик и для каких различных приложений он может использоваться. Если у вас есть какие-либо вопросы, касающиеся тензодатчиков или любого из наших продуктов, не стесняйтесь обращаться к нашим специалистам в Великобритании, которые смогут помочь и посоветовать вам, что такое тензодатчики.

Когда к неподвижному объекту прикладываются внешние силы, возникают напряжение и деформация.Деформация может быть сжимающей или растягивающей и обычно измеряется тензодатчиком. Тензодатчик используется в течение многих лет и является основным чувствительным элементом для многих типов датчиков, включая датчики давления.

Многолетнее производство тензодатчиков

Большинство тензодатчиков являются фольгированными, доступны в широком ассортименте форм и размеров для различных применений. Самый распространенный тип состоит из изолирующей гибкой основы, поддерживающей узор из металлической фольги.Они работают по принципу, согласно которому, когда фольга подвергается нагрузке, сопротивление фольги изменяется определенным образом. Датчик прикрепляется к объекту подходящим клеем. По мере деформации объекта фольга деформируется, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как калибровочный коэффициент. Полный мост Уитстона возбуждается стабилизированным источником постоянного тока. Когда к прикрепленному тензодатчику прикладывается напряжение, происходит изменение сопротивления и дисбаланс моста Уитстона.Это приводит к выходному сигналу, связанному со значением напряжения. Типичное входное напряжение составляет 5 В или 12 В, а типичные выходные значения — в милливольтах (мВ).

Тензодатчики

используются во многих различных областях применения

Фольговые тензодатчики

используются во многих различных областях. В большинстве случаев важна ориентация тензодатчика. Обычно ожидается, что датчики, прикрепленные к датчику нагрузки, будут оставаться стабильными в течение нескольких лет, в то время как датчики, используемые для измерения отклика в динамическом эксперименте, могут быть прикреплены к объекту только в течение нескольких дней.Подготовка поверхности для приклеивания тензодатчика имеет первостепенное значение. Поверхность необходимо выровнять, обезжирить растворителем, затем удалить следы растворителя и сразу после этого приклеить тензодатчик, чтобы избежать окисления или загрязнения подготовленного участка. Если эти шаги не выполняются, прикрепление тензодатчика к поверхности может быть ненадежным, и могут возникнуть ошибки измерения.

Идеальный тензодатчик изменяет сопротивление только из-за деформации поверхности, к которой прикреплен датчик.Однако в реальных условиях на сопротивление влияют температура, свойства материала, клей, который прикрепляет датчик к поверхности, и стабильность металла. Поскольку большинство материалов не имеют одинаковых свойств во всех направлениях, знания только осевой деформации недостаточно для полного анализа. Также необходимо измерить пуассоновские деформации, деформации изгиба и скручивания. Для каждого из них требуется разное расположение тензодатчиков.

При выборе тензодатчика необходимо учитывать не только деформационные характеристики датчика, но также его стабильность и температурную чувствительность.Тщательный выбор важен для получения точных и надежных измерений деформации и достижения наилучших характеристик. Все базовые конструкции имеют встроенные лепестки под пайку из фольги, предназначенные для присоединения выводов. Большинство конфигураций также доступно с вариантами крепления и герметизации выводных проводов. После определения желаемого типа фольги и материала основы выберите калибр с подходящим размером, сеткой, геометрией выступов и сопротивлением манометра из таблиц, приведенных на следующих страницах. Затем необходимо будет определить температурную компенсацию и любые другие требуемые опции.

Большинство производителей тензодатчиков предлагают широкий спектр различных моделей для широкого спектра применений в исследовательских и промышленных проектах. Они также поставляют все необходимые аксессуары, включая подготовительные материалы, клеящие составы, соединительные бирки, кабели и т. Д. Крепление тензодатчиков — это навык, и некоторые поставщики предлагают курсы обучения. Есть также компании, которые предлагают услуги по склеиванию и калибровке, как внутри компании, так и на месте.

Что такое тензодатчик, вы все еще не уверены?

Мы надеемся, что вы понимаете, что такое тензодатчик, и ответили на свои вопросы, однако, если вы все еще не уверены, отправьте нам электронное письмо, и один из наших специалистов по тензодатчикам свяжется с вами.

Альтернативный тензодатчик | Текскан

Альтернативный вариант тонкого и гибкого тензодатчика

Тензодатчики и датчики FlexiForce ™ — это технологии на основе сопротивления, доступные в различных формах и размерах.Датчики FlexiForce представляют собой гибкое, тонкое, как бумага, решение толщиной всего 0,008 дюйма (0,2 мм).

Преимущества использования датчика FlexiForce ™ по сравнению с тензометрическим датчиком Прямое измерение силы — прямое измерение нагрузки, в отличие от корреляции деформации сборки с нагрузкой. Больший динамический диапазон (диапазон сопротивления от МОм до КОм). Простая электроника — просто измеряется мультиметром или интегрируется с недорогой схемой. Более низкая стоимость — стандартные датчики доступны в готовом виде в упаковках по четыре и восемь штук для удовлетворения ограниченных бюджетов или требований небольшого объема. Также доступны скидки при больших объемах. Легче интегрировать — простой процесс монтажа.

Приложения для тензодатчиков и датчиков силы

• Сенсорные кнопки для бытовой электроники
• Аппликации в обуви
• Измерение совместной силы (пример: измерение силы на колене, плече, бедре и т. Д.)
• Количественное определение силы массажа / пальпации
• Низкозатратное управление запасами (пример: примерное измерение количества деталей, оставшихся в корзине? Она полная? Наполовину полная? Пустая?)

Бесплатная электронная книга описывает альтернативу тензометрическому датчику с тонким гибким датчиком

Электронная книга: Force Sensors for DesignЗагрузите бесплатную электронную книгу, опубликованную журналом Machine Design, и узнайте больше о выборе тонкого, маломощного и недорогого датчика силы для бесшовной интеграции и более элегантного дизайна.

Электронные книги включают:

• Сравнение различных технологий измерения силы, таких как тензодатчики, пьезорезистивные и емкостные датчики
• Обсуждение вопросов, включая энергопотребление, размер, стоимость и долговечность
• Фон из тонких и гибких тактильных датчиков
• Реальные примеры того, как тонкие и гибкие сенсоры тактильной силы способствовали успеху OEM-производителей в различных областях применения и отраслях
• Что следует учитывать при выборе технологического партнера, включая техническую поддержку, настройку и производственные возможности

.