Тензорезисторные измерительные преобразователи давления реферат

Обновлено: 02.07.2024

Давле́ние — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности.

Известны следующие основные методы измерения давления: весовой, пружинный, силовой, частотный, пьезорезисторный, термокондуктивный, ионизационный и электрокинетический.

1. Весовой метод

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при наклонах и ускорениях.

2. Пружинный метод

Пружинный метод основан на зависимости деформации упругого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройство, а в датчиках преобразуется в электрическую величину, которая и служит выходным сигналом . Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст.до сотен атмосфер.

3. Силовой метод

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным элементом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления.

а— силовые датчики прямого преобразования , в которых развиваемая чувствительным элементом сила преобразуется с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы.

б — приборы и датчики с силовой компенсацией, в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, уравновешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом. В зависимости от типа компенсирующего устройства выходным сигналом может служить сила тока, линейное или угловое перемещение.

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод

Частотный метод основан на зависимости частоты собственных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу, называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет использовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными машинами.

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от величины воздействующего на него давления.

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопроводности газа от его абсолютного давления (при малых абсолютных давлениях). При протекании по проволоке электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопроводности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависимости от давления в области малых давлений. Температуру проволоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопары, если же применить материал с большим температурным коэффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изменению сопротивлению проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Источники информации

3. Методы электрических измерений. Учебное пособие для вузов. – Под ред. Э.И. Цветкова и Л., Энергоатомиздат.

4. Кунце Х.-И.: Методы физических измерений. – М.: Мир

5. Г.Г. Раннев, А.П. Тарасенко – Методы и средства измерений. Учебник. – М. ACADEMA

Методы измерения давления

1. Весовой метод

2. Пружинный метод

3. Силовой метод

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразвателей давления

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта. На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преобразователи давления являются самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую и (или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста. При этом одна пара тензорезисторов, включенных в противоположные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а другая — отрицательную. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине и мост сбалансирован. При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.

Тензорезисторы выполняются как из металлов (проволочные, фольговые), так и из полупроводников. Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя способами

В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания (рис. 1). Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит изменение температуры.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Содержание работы

Содержимое работы - 1 файл

Документ Microsoft Word.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РТ

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

Кафедра нефтегазового оборудования

Проверил: ст. преподователь

Альметьевск 2012 г.

Тензодатчики. Аналитический обзор……………………………………..4
Параметры тензометрических датчиков силы…………………………. 5
Конструкция тензодатчика……………………………………………. .….7
Тензометрические датчики - выбор по типу……………………….…….9
О компаниях……………………………………………………… ………11

Тензометрический измерительный преобразователь (тензодатчик) – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д. Хвольсоном. В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента. Несмотря на всеобщую симпатию к тензодатчикам, пневматические и гидравлические датчики все еще используется в некоторых сферах деятельности человека. Например пневматические датчики нагрузки все еще используются в местах, где очень важен фактор внутренней безопасности и гигиены, тогда как гидравлические датчики нагрузки спасают в отдаленных местах, где нет доступа к источнику бесперебойного питания, так как они в нем совсем не нуждаются.

1. Аналитический обзор

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры.

Тензометр — это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить. По описанному принципу функционируют датчики с металлическими тензометрами. Существуют также иные принципы и типы датчиков, например датчики с полупроводниковыми тензометрами. Полупроводниковые тензометры изготавливают из кремния, по-этому их чувствительность значительно выше, чем у металлических. Однако они очень сильно зависят от температуры и поэтому используются только специальных случаях.

На ином принципе работает пьезоэлектрический датчик силы. Он использует пьезоэлектрическое явление, то есть возникновение напряжения в кристалле при механическом усилии. С помощью пьезоэлектрического датчика измеряют динамические силы, а для измерения статических сил он не подходит. Существуют и другие виды датчиков, например, вибрационные, гидравлические, электродинамические, магнитоупругие и т. п. Однако ни один из них не применяется так широко, как датчики с металлическими тензометрами. Остальные датчики подходят только для решения специализированных задач, или они очень дороги. По сравнению с ними датчики силы с металлическими тензометрами универсальны: они пригодны для измерения как статических, так и динамических сил.

2. Параметры тензометрических датчиков силы

1. Форма датчика

Для применения тензометров в конкретных случаях очень важен тип датчика, то есть его форма и возможности закрепления. От формы датчика и
материала, из которого он изготовлен, зависят такие параметры, как точность, величина перегрузки и т. п. Поэтому существуют разные типы датчиков, но обычно они являются модификациями нескольких основных типов, таких как мембранные, гибкие, колонные и др.

2. Диапазон измерения

3. Чувствительность датчика

Важным параметром, особенно с точки зрения обработки выходного сигнала, является чувствительность датчика. Она измеряется в единицах мВ/В, и ее
значения чаще всего находятся в пределах от 1 до 3. Например, если чувствительность датчика 2 мВ/В и датчик питается постоянным напряжением 10 В, то выходной сигнал датчика при полной нагрузке будет иметь значение: 2*10 = 20 мВ. Это относительно низкое значение, поэтому сигнал обычно усиливается и только потом поступает на измерительный прибор или аналоговую карту в PC или PLC.

3. Температурные характеристики

С ростом или падением температуры изменяется как сигнал ненагруженного датчика (ошибка нуля), так и сигнал нагруженного датчика (ошибка
чувствительности). Обе ошибки указываются в процентах диапазона.

Пусть датчик имеет ошибку нуля, например 0,01% FS/°С. Если он имеет чувствительность 2 мВ/В и питается напряжением в 10 В, то при изменении
температуры на 20 °С сигнал ненагруженного датчика может измениться на (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. Аналогично подсчитывается и ошибка
чувствительности.

4. Точность датчика

У датчиков для измерения силы точность характеризуется с помощью класса точности, который указывает процентную ошибку датчика, относящуюся к
его диапазону. Этот способ общеизвестный. Иначе рассчитывается точность датчиков, применяемых для взвешивания. У них точность указывается при
помощи так называемого проверочного деления. Однако существует отношение между обоими способами. Например: датчик имеет точность,
установленную при помощи проверочного деления, и это значение — 3000 делений (класс точности СЗ). В этом случае процентная погрешность (класс
точности) будет: (1/(2*3000))*100 = ±0,017% FS.

Более подробную информацию об ошибках датчиков, предназначенных для взвешивания, можно найти в международных рекомендациях OIML R60.

5. Диапазон температуры

Часто приводятся даже три диапазона температуры: компенсированный, рабочий и для хранения. Компенсированный диапазон температуры
соответствует диапазону, при котором производитель испытывал датчик, и поэтому все его параметры гарантированы. Рабочий диапазон
температуры обычно больше компенсированного. Датчик и в этом диапазоне можно применять без риска его повреждения, но все параметры датчика
уже не гарантируются. При диапазоне температуры хранения датчик применять не рекомендуется, так как может произойти его повреждение.

6. Иные параметры

Другими важными параметрами являются: входное сопротивление (с точки зрения обработки сигнала), изоляционное сопротивление (с точки
зрения безопасности), степень защиты (сточки зрения условий труда) и т. п.

3. Конструкция тензодатчика

Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):

1) Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

2) Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

3) Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

4) Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля.

На Рисунке 2 отображена конструкция тензодатчика с упругим элементом в виде кольца поз. 1.

Для правильно функционирования весов, важно соблюдать характер приложения нагрузки. Вектор силы, воздействующий на датчик, должен быть строго в направлении оси датчика (упругий элемент тензодатчика стержень, кольцо). Для исключения бокового влияния нагрузки, применяют самоустанавливающиеся (самоцентрирующиеся) конструкции. Поверхность опор таких тензодатчиков имеет сферическую выпуклую форму.

Принцип действия тензодатчика основан на измерении изменения сопротивления тензорезисторов наклееных на упругое тело, которое под действием силы (вес груза), деформируется и деформирует размещенные на нем тензорезисторы.

4. Тензометрические датчики - выбор по типу

Выбирая датчики веса учитывается много исходных данных, такие как: предел измерения, погрешность, материал датчика, но наиболее важный параметр это тип тензометрического датчика. Нет общепринятых наименований видов, поэтому у различных фирм одинаковые виды называются по-разному. Датчики силы балочные - датчики имеют форму балки, также такие датчики называют простая балка или балка среза. Способ использования заключается в том, что один край крепится жестко, а на другой конец прикладывается сила.

Тензодатчики мостовые - датчики похожи на балочные датчики, но крепятся с обоих сторон, а вес действует в среднюю часть датчика. Еще эти датчики называют двуопорные или сдвоенная балка.

Одноточечные тензодатчики - по конструкции и виду закрепления датчики надпоминают балочные, но отличаются тем, что чаще всего применяются по одному и закрепляются в центре массы взвешиваемого груза. Тензодатчики веса такого типа имеют особенную внутреннюю форму, которая позволяет тензодатчикам не реагировать на смещение места приложения массы в определенном диапазоне.

Колонные датчики веса - обычно это датчики которые имеют вид колонны. Такие тензодатчики работают на сжатие. Чаще всего такие тензодатчики имеют сферические опорные поверхности определенного радиуса, что позволяет таким датчикам естественно возвращаться в обратное состояние.

Миниатюрные датчики веса – к этому типу относятся датчики с малыми габаритами и чаще всего на маленькие силы. Отличительная черта таких датчиков это возможность применять их в устройствах с дифицитом пространства. Цена за малые размеры это чаще всего относительно большая погрешность этих датчиков.

Тензорезистивный преобразователь представляет собой проводник, изменяющий своё сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяется его длина l, площадь поперечного сечения S, деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления ρ: .

В качестве тензорезистивных преобразователей используется проводниковые и полупроводниковые материалы.

К первым относятся: фольговые, пленочные и проволочные тензорезисторы. Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются из кремния или германия. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной.

Тензорезисторы могут использоваться:

– либо для измерения механических напряжений и деформаций, тогда они включаются, как и резистивные преобразователи, в мостовую цепь по дифференциальной схеме 1-го типа;

– либо для измерения других механических величин: сил, давлений, ускорений и т.д., когда деформация является промежуточной величиной преобразования. В этом случае используется мостовая цепь по дифференциальной схеме 2-го типа.

Рис. 10.10 Мостовая схема включения тензорезисторов

В тензорезисторных приборах высокой точности используют схемы с нормирующими (компенсационными) резисторами (рис. 10.10).

R₁, R₄ – тензорезисторы воспринимают информацию.

R_B – резисторы для балансировки моста.

R_T – термозависимые резисторы, для компенсации аддитивной температурной погрешности.

R₄, R’₄ – резисторы, изменяя сопротивление которых можно регулировать чувствительность датчика.

R_Т2, R’_T2 – термозависимые резисторы, с помощью которых компенсируются температурные изменение чувствительности.

R_ш, R_вых – служит для регулировки входных или выходных сопротивлений моста.

Выходное напряжение терморезистивного моста не превышает 10-20 мВ, поэтому для дальнейшего преобразования выходной величины U_вых используются усилители.

В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта: изменение сопротивления проводников и полупроводников при их деформации.

Т
ензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (давления, силы, крутящего момента).

К основным достоинствам тензорезисторных датчиков давления относятся

простота исполнения, низкая стоимость,

хорошая защищенность чувствительного элемента от воздействия агрессивной окружающей среды.

К недостаткам тензорезисторных датчиков давления относятся

узкий диапазон температур работоспособности от -40°С до 70°С (для проводниковых датчиков давления),

небольшая механическая прочность, нелинейность характеристик (для полупроводниковых датчиков).

Преобразователи давления этого вида представляют собой деформационный чувствительный элемент (мембрану), на которую наклеиваются или напыляются тензорезисторы.

Проволочные и фольговые тензорезисторы, изготавливаются из манганина, нихрома, константана (сопротивление от 30 — 500 Ом)

Полупроводниковые тензорезисторы, изготавливаются из кремния и германия р- и n-типов (сопротивление от 5·10 -2 — 10 кОм).

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензорезисторы непосредственно на кристаллическом элементе из кремния или сапфира.

Структура однополоскового тензорезистора:

2 — защитное покрытие;

3 — металлизированные токоведущие дорожки;

4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана).

II.Назначение, принцип действия измерительного преобразователя Сапфир 22-ДИ

Измерительный преобразователь предназначен для работы в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами. Он обеспечивает непрерывное преобразование значения избыточного давления в унифицированный токовый выходной сигнал в пределах 0-5 или 0-20 или 4-20 мА постоянного тока.

Принцип действия преобразователей основан на воздействии измеряемого давления на мембраны измерительного блока, что вызывает их деформацию и изменение сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми плёночными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя

Измерительный преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства:

1 - электронное устройство,

4 - мембранный тензопреобразователь,

5 - рабочая камера,

Мембранный тензопреобразователь 4 размещен внутри корпуса 6.

Измеряемое давление подается в камеру 5 воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая её прогиб и изменения сопротивления тензорезисторов.

Полость 3 сообщена с окружающей атмосферой.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермовывод 2.

К поверхности дисковой мембраны из стали или титана жестким припоем присоединен полупроводниковый тензорезистороный преобразователь.

Он состоит из диэлектрической сапфировой монокристаллической подложки с определенной кристаллографической ориентацией, на которой выращена тонкая монокристаллическая пленка кремния, обладающая тензорезисторным эффектом.

Измеряемый перепад давления воспринимается гофрированными мембранами 7 к 10 (толщиной около 0,1 мм), края которых приварены к основанию 8. Внутри основания размещена измерительная дисковая мембрана 4 с тензопреобразователем. Вся внутренняя полость основания заполнена кремнийорганической жидкостью, которая и передает давление Р1 по каналу 6, а давление Р2 по каналу 11 на мембрану 4. Крышки 5 и 9 стянуты с основанием болтами и уплотнены прокладками 3.

Тензопреобразователь соединен проводами, проходящими через герметический вывод 2, с электронным устройством 1. Оно преобразует разность двух напряжений, снимаемых с измерительного моста, в унифицированный сигнал постоянного тока, изменяющийся в пределах 4-20 мА при двухпроводной линии связи и 0-5 мА или 0-20 мА при четырехпроводной линии связи.

Питание всей схемы от источника постоянного тока напряжением 36 В. Основная погрешность рассмотренной модели 0,25 и 0,5 процента.

Контрольная работа

Электрические манометры
(емкостные, пьезоэлектрические, тензорезисторные)

Емкостные измерительные преобразователи давления (принцип действия, схема).

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразователей давления (принцип действия достоинства, недостатки).

Конструкция измерительного преобразователя Сапфир 22-ДИ.

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления (принцип действия, схема).

Конструкция тензорезисторных преобразователей давления.

Назначение, принцип действия измерительного преобразователя Сапфир 22-ДИ.

Читайте также: