Тензорезестивный принцип измерения давления

 

Таблица 1.1 - основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал: 

Достоинства               Недостатки Тензометрический (КНС-преобразователи) 1. Высокая спень защиты от  агрессивной среды  2. Высокий предел рабочей температуры 3. Налажено серийное производство  4. Низкая стоимость 1. Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры 3. Низкая устойчивость при воздействии  ударных нагрузок и вибраций Пьезорезистивный (на монокристаллическом  кремнии) 1. Высокая стабильность характеристик 2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям 3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты 4. Высокая точность 5. Низкая цена 6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств 1. Ограничение по температуре  (до 150ºC)  Емкостной 1. Высокая точность 2. Высокая стабильность характеристик 3. Возможность измерять низкий вакуум 4. Простота конструкции 1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления 2. Необходимо дополнительное оборудование  или электричекая схема для  преобразования емкостной зависимости  в один из стандартных выходных  сигналов Резонансный 1. Высокая стабильность характеристик 2. Высокая точность измерения давления 1. При измерении давления агрессивных среднеобходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения 2. Высокая цена 3. Длительное время отклика 4.Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал Индукционный 1. Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью 2. Незначительное влияние температуры  на точность измерения 1. Сильное влияние магнитного поля 2. Чувствительность к вибрациям  и ударам Ионизационный 1. Возможность измерение высокого вакуума 2. Высокая точность 3. Стабильность выходных параметров 1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) 2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления 3. Высокая хрупкость 4. Необходимо сочетать с другими  датчиками давления

 

 

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности — надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и расходометрии – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков. 

В большинстве случаев  требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как  видно из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500С), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

 

 

2 Физический принцип действия тензорезистивного преобразователя давления

 

В основе принципа действия тензорезистивного датчика давления лежит явление тензоэффекта, заключающееся  в изменении электрического сопротивления  проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.

                                                                  

                                               (2.1)

где r  - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (2.1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

                   (2.2)

где DR, Dr, DS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны  выражением

                                                              (2.3)                                                  

где - значение относительной продольной деформации;

- значение относительной поперечной деформации;

m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (2.2) и (2.3) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l

 

                                                                                        (2.4)                       

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис 2.1,а. На полоску тонкой бумаги или лаковой пленки 1 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. После высыхания слоя клея сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Если такой преобразователь наклеить на поверхность испытуемой детали, то он будет воспринимать деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 50-500 Ом.

 

 

 Рисунок 2.1 - Конструкции тензорезисторных преобразователей

 

Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис 2.1,б) получаются путем химического травления фольги – 2, толщиной 4~ 12 мкм, нанесенной сплошным слоем на поверхность подложки - 1 из непроводящего материала. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем обычные проволочные и могут иметь базу L 0,5-5 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем напыления в вакууме на поверхность тонкой подложки слоя тензо-чувствительного материала с последующим травлением слоя проводящего материала с целью формирования решетки тензорезистора. Пленочные тензорезисторы имеют толщину 1 мкм и менее, базу 0,1-0,5 мм и конфигурацию, аналогичную фольговым тензорезисторам (рисунок 2.1,б).

Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорезисторов  является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рисунке 2.2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включен тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения Е. С измерительной диагонали моста снимается напряжение UM, которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведенная схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 - в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящимся в других климатических условиях. При изменении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что приведет к изменению выходного напряжения UН мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решетки тензорезистора.

 

 

Рисунок 2.2 - Схемы включения тензорезисторов

 

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рисунок 2.2,б) удается понизить температурную погрешность нуля в 10-20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рисунке 2.2,в. На поверхности консольно закрепленной упругой, балки 1 наклеены тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеет равные сопротивления (R1=R2). При равенстве сопротивлений двух других плеч моста (R3 и R4) выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (DU_M=0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р¹0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рисунке 2.2,в), что приведет к появлении упругих деформаций и напряжений растяжения на верхней поверхности балки и напряжений сжатия на нижней ее поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений R1+DR и R2-DR (рисунок 2.2,б и 2.2,в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение DUM функционально связанное с измеряемым усилием Р. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близко к нулю, поскольку абсолютные значения приращений сопротивлений DR1 и DR2 будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения UM.

С целью уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на чувствительность мостовой схемы довольно часто в качестве пассивных плеч мостовой схемы R3 и R4 также используются тензорезисторы, расположенные на объекте измерения или рядом с ним, но не воспринимающие измеряемых упругих деформаций.

В инженерной практике выходной сигнал с диагонали неравновесного моста подается на вход электронного усилителя, а затем на измерительный прибор или регистратор, в качестве которого может быть использован электромеханический светолучевой осциллограф.

Функциональная блок-схема  тензорезистивного метода измерения давления представлена на рисунке 2.3.

 

 

Рисунок 2.3 - Функциональная блок-схема тензорезистивного преобразователя  давления

 

 Деформация мембраны под  воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу – изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (см. рисунок 2.3).

 

 

3 ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

К основным метрологическим характеристикам тензорезисторов относятся тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность, динамические характеристики.

Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными  свойствами материала чувствительного  элемента, однако в значительной степени  зависит от конструкции преобразователя, материала основы, вида и условий полимеризации клея и других факторов. Тензочувствительность тензорезистора, как и самого тензорезистивного материала, определяется коэффициентом относительной тензочувствительности

         (3.1)

Ползучесть проявляется  в виде изменения выходного сигнала  при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно следующим  соотношением:                 

                                                                                                   (3.2)

где - приведенное ко входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации .

Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1...1,5% за 6 ч.

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим  несовершенством основы и клея и  численно определяется как приведенная ко входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5...5%.

Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в  изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой - в  появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

           Если и - температурные коэффициенты линейного расширения исследуемой детали и подложки тензорезистора, то относительная деформация тензорезистора, обусловленная изменением окружающей температуры на θΔ...,

                                                                      (3.3)

а изменение его сопротивления  при это

                                                                                (3.4)