Co jsou piezoresistive tenzometrické senzory tlaku
Piezoresistive tenzometry jsou mezi nejběžnější typy snímačů tlaku. Používají změnu elektrického odporu materiálu při roztažení k měření tlaku.
tyto senzory jsou vhodné pro různé aplikace díky své jednoduchosti a robustnosti. Mohou být použity pro měření absolutního, měřidla, relativního a diferenčního tlaku ve vysokých i nízkotlakých aplikacích.
v tomto článku budeme diskutovat o různých typech piezorezistivních tlakových senzorů, jak fungují, a jejich relativní přednosti.
princip
základní princip piezoresistive snímače tlaku je použít tenzometr vyroben z vodivého materiálu, který mění svůj elektrický odpor, když je roztažen. Tenzometr může být připojen k membráně, která rozpozná změnu odporu při deformaci senzorového prvku. Změna odporu je převedena na výstupní signál
existují tři samostatné efekty, které přispívají ke změně odporu vodiče. Jedná se o:
- odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce, takže strečink zvyšuje odolnost
- Jako dirigent se protáhl, jeho průřez je snížena, což také zvyšuje odolnost
- vnitřní odpor některých materiálů se zvyšuje, když je roztažen
poslední z nich, piezoresistive efekt, se značně liší mezi materiály. Citlivost je určena měřicím faktorem, který je definován jako změna relativního odporu dělená kmenem:
Kde napětí je definována jako relativní změna délky:
snímače Tlaku
tenzometr prvky mohou být vyrobeny z kovu nebo polovodičového materiálu.
změna odporu kovových tenzometrů je způsobena hlavně změnou geometrie (délky a průřezu) materiálu. U některých kovů, například slitin platiny, může piezorezistivní účinek zvýšit citlivost o faktor dva nebo více.
v polovodivých materiálech dominuje piezorezistivní efekt, obvykle je řádově větší než příspěvek z geometrie.
 Piezoresistive tenzometrické měření se provádí pomocí Wheatstonova můstku obvodu |
Funkce
změna odporu snímače se obvykle měří pomocí Wheatstonova můstku obvodu (jak je uvedeno níže). To umožňuje převést malé změny odporu snímače na výstupní napětí.
Piezorezistivní měření tenzometru se provádí pomocí obvodu Wheatstonova mostu
k můstku musí být dodáno budicí napětí. Když není napětí a všechny odpory v můstku jsou vyvážené, výstup bude nulový volt. Změna tlaku způsobí změnu odporů v můstku, což povede k odpovídajícímu výstupnímu napětí nebo proudu. Jak se to vypočítá, je uvedeno ve vzorci níže.
Výkon lze zlepšit pomocí dvou nebo čtyř snímacích prvků v mostu, s prvků v každém páru je předmětem rovné a opačné napětí. To zvyšuje výstupní signál a může minimalizovat účinky teploty na senzorové prvky.
Konstrukce
Kovové snímací prvky
Jeden nebo více tenzometrickými snímači vyroben z délky drátu mohou být připojeny k povrchu membrány.
tlak na membránu natáhne dráty a změní odpor. Senzorové prvky mohou být spojeny s povrchem lepidlem nebo vodič může být přímo nanesen na membránu rozprašováním. Druhá metoda odstraňuje potenciální problémy s lepidla selhávají při vysokých teplotách a také usnadňuje konstrukci malých zařízení.
snímač kovového drátu lze také vyrobit ovinutím drátu mezi sloupky, které jsou posunuty změnou tlaku. Tato konstrukce může také pracovat při vyšších teplotách, protože pro připevnění drátu ke sloupkům není potřeba žádné lepidlo.
polovodičové snímací prvky
polovodičové materiály, nejčastěji křemík, mohou být také použity k výrobě snímačů tlaku tenzometru. Vlastnosti snímací prvek, zejména velikost piezoresistive účinek, může být upravena o dopingu; jinými slovy přidáním pečlivě kontrolováno množství nečistot (dopants) polovodičů.
více lehce dopovaný křemík má za následek vyšší odpor a vyšší měřidlo. To však také zvyšuje tepelnou citlivost jak odporového, tak měřicího faktoru.
výrobní proces
polovodičové senzory mohou být konstruovány podobným způsobem jako senzory s kovovým drátem uložením prvků křemíkového tenzometru na membránu.
mohou být také konstruovány přímo na křemíkovém povrchu za použití stejných výrobních metod používaných pro výrobu elektronických polovodičových zařízení. To umožňuje levně vyrábět velmi malé senzory s přesně řízenými vlastnostmi, jako je citlivost, linearita a teplotní odezva.
elektronické součástky mohou být také vyrobeny na stejném křemíkovém čipu, aby poskytovaly kondicionování signálu a zjednodušily Elektrické rozhraní. Senzory založené na těchto mikroelektronických mechanických systémech (MEMS) jsou podrobněji popsány v .
Design
Chcete-li zajistit nejvyšší přesnost, musíte zvážit několik faktorů, které by mohly ovlivnit výstup. Jakákoli změna nebo šum ve budicím napětí způsobí odpovídající změnu výstupu senzoru. Budete se muset ujistit, že je to menší než požadovaná přesnost měření.
možná budete muset v můstkovém obvodu nastavit nastavitelný kalibrační odpor pro nastavení výstupního napětí na nulu, pokud není tlak.
budete muset udržovat odpor vodičů vůči senzoru malý, abyste zabránili zavedení offsetu měření a snížení citlivosti. Také teplotní koeficient měděných drátů může být větší než teplotní koeficient snímače, což může způsobit nežádoucí tepelnou citlivost.
delší dráty také častěji zachycují hluk. To lze minimalizovat použitím kroucených párů a stínění.
použití vyššího budicího napětí zvyšuje výstup senzoru a zlepšuje poměr signálu k šumu. Vyšší proud však může způsobit zahřívání snímacího prvku, což změní odpor a citlivost snímače.
toto samohřívání může také ovlivnit lepení tenzometru na membránu, což může způsobit chyby a způsobit, že přesnost se časem zhorší. Samoopalovací účinky lze snížit použitím tenzometru s vyšší odolností.
optimální napájecí napětí je rovnováha mezi minimalizací vlastního ohřevu a získáním dobrého signálu. Můžete to určit experimentálně. Například bez tlaku a nulového výstupu senzoru můžete zvýšit budicí napětí, dokud se výstup nezmění (kvůli samohřívání). Budicí napětí by pak mělo být sníženo, dokud Chyba výstupu nezmizí.
Pokud je to možné, měli byste použít zesilovač obvod do blízkosti snímače pro minimalizaci délky připojení, zesílení výstupního signálu a zlepšit signál-šum. To může také provést určité filtrování výstupu senzoru pro odstranění vnějšího šumu.
můžete minimalizovat dopady případné změny budícího napětí, tak jako úbytek napětí způsobené dlouhé dráty, sledováním budící napětí na snímač, a to buď odečtením že z výstupu snímače, nebo používat to jako referenční napětí pro analogově digitální převodník (ADC).
SPECIFIKACE
typické kovové snímače tenzometru mají koeficient měřidla přibližně 2 až 4. Při typickém maximálním namáhání několika dílů na tisíc to znamená změnu výkonu kolem 1mV pro každý volt buzení.
na bázi Křemíku senzory jsou obvykle dopované poskytnout gauge faktor kolem 100 až 200, která dává dobrý kompromis mezi citlivostí a tepelné vlastnosti. Výstup z křemíkové čidlo může být kolem 10 mV/V.
Výhody a nevýhody
Piezoresistive tenzometrické senzory tlaku mají výhodu, že jsou robustní. Jejich výkon a kalibrace jsou také stabilní v průběhu času.
jednou z nevýhod těchto senzorů je, že spotřebovávají více energie než některé jiné typy tlakových senzorů. To může znamenat, že nejsou vhodné pro bateriové nebo přenosné systémy.
kovové filmové snímací prvky mají výhodu jednoduché konstrukce a trvanlivosti. Mají také vyšší maximální pracovní teploty (až 200°C) než křemíkové tenzometry, které jsou omezeny na méně než 100°C.
Křemíkové tenzometry poskytnout mnohem větší výstupní signál, což je dobře-vhodný pro nízkotlaké aplikace, až kolem 2 kPa.
snímače tlaku MEMS mohou být mnohem menší než senzory s kovovým drátem a mohou být integrovány s elektronikou pro zpracování signálu, která může řídit nelinearitu a teplotní závislost.
chcete se dozvědět více o dalších základních technologiích používaných v tlakových senzorech? Kliknutím na níže uvedené odkazy přejdete na sekci, která vás zajímá.
- kapacitní vs. piezorezistivní vs. piezoelektrické senzory tlaku
- Kapacitní senzory tlaku
- Piezoelektrické senzory tlaku
- MEMS tlakové senzory
- Optické senzory tlaku
Hledat více na tlak senzorová technologie? Podívejte se na další kapitoly této příručky níže, nebo pokud jste stisknuti na čas, můžete si ji stáhnout ve formátu PDF zde.
