hvad er tryksensorer til trykmålere
tryksensorer til trykmåling er blandt de mest almindelige typer tryksensorer. De bruger ændringen i elektrisk modstand af et materiale, når det strækkes for at måle trykket.
disse sensorer er velegnede til en række applikationer på grund af deres enkelhed og robusthed. De kan bruges til absolut, gauge, relativ og differenstryk måling, i både høj – og lavtryk applikationer.
i denne artikel vil vi diskutere de forskellige typer tilgængelige tryksensorer, hvordan de fungerer, og deres relative fordele.
arbejdsprincip
grundprincippet for den piesoresistive tryksensor er at bruge en belastningsmåler fremstillet af et ledende materiale, der ændrer dets elektriske modstand, når det strækkes. Strain gauge kan fastgøres til en membran, der genkender en ændring i modstand, når sensorelementet deformeres. Ændringen i modstand konverteres til et udgangssignal
der er tre separate effekter, der bidrager til ændringen i modstand af en leder. Disse er:
- modstanden af en leder er proportional med dens længde, så strækning øger modstanden
- når lederen strækkes, reduceres dens tværsnitsareal, hvilket også øger modstanden
- den iboende resistivitet af nogle materialer øges, når den strækkes
den sidste af disse, den piesoresistive effekt, varierer meget mellem materialer. Følsomheden er specificeret af målefaktoren, som er defineret som den relative modstandsændring divideret med stammen:
hvor stammen er defineret som den relative ændring i længden:
Trykfølerelementer
Strain gauge-elementer kan være lavet af metal eller et halvledende materiale.
modstandsændringen i metalstammålere skyldes hovedsageligt ændringen i geometri (længde og tværsnitsareal) af materialet. I nogle metaller, for eksempel platinlegeringer, kan den piesoresistive virkning øge følsomheden med en faktor på to eller flere.
i halvledende materialer dominerer den piesoresistive effekt, typisk er størrelsesordener større end bidraget fra geometri.
 målinger af belastningsmåler foretages ved hjælp af et Hvedestenbrokredsløb |
funktion
ændringen i modstand i sensoren måles normalt ved hjælp af et Hvedestenbroskredsløb (som vist nedenfor). Dette gør det muligt at konvertere små ændringer i sensorens modstand til en udgangsspænding.
måling af belastningsmåler foretages ved hjælp af et Hvedestenbrokredsløb
der skal leveres en spændingsspænding til broen. Når der ikke er nogen belastning, og alle modstande i broen er afbalanceret, vil udgangen være nul volt. En ændring i tryk vil medføre en ændring i modstande i broen, hvilket resulterer i en tilsvarende udgangsspænding eller strøm. Hvordan dette beregnes er vist i nedenstående formel.
ydeevnen kan forbedres ved at bruge to eller fire sensorelementer i broen, hvor elementerne i hvert par udsættes for lige og modsat belastning. Dette øger udgangssignalet og kan minimere virkningerne af temperatur på sensorelementerne.
konstruktion
metalfølerelementer
en eller flere strain gauge sensorer fremstillet af en trådlængde kan fastgøres til overfladen af en membran.
tryk på membranen vil strække ledningerne og ændre modstanden. Sensorelementerne kan bindes på overfladen med klæbemiddel, eller lederen kan deponeres direkte på membranen ved forstøvning. Sidstnævnte metode fjerner potentielle problemer med klæbemidler, der fejler ved høje temperaturer, og gør det også lettere at konstruere små enheder.
en metaltrådssensor kan også fremstilles ved at indpakke en ledning mellem stolper, der forskydes ved at ændre tryk. Denne konstruktion kan også fungere ved højere temperaturer, fordi der ikke er behov for klæbemiddel til at fastgøre ledningen til stolperne.
Halvlederfølerelementer
halvledermaterialer, mest almindeligt silicium, kan også bruges til at fremstille trykfølere til belastningsmåler. Karakteristika for sensorelementet, især størrelsen af den skadelige virkning, kan justeres ved doping; med andre ord ved at tilføje omhyggeligt kontrollerede mængder urenheder (dopingmidler) til halvlederen.
mere let doteret silicium resulterer i en højere resistivitet og en højere målefaktor. Dette øger imidlertid også den termiske følsomhed for både modstands-og målefaktoren.
fabrikationsproces
Halvledersensorer kan konstrueres på samme måde som metaltrådssensorer ved at deponere siliciumspændingsmålerelementerne på en membran.
de kan også konstrueres direkte på en siliciumoverflade ved hjælp af de samme fremstillingsmetoder, der anvendes til fremstilling af elektroniske halvlederindretninger. Dette gør det muligt at fremstille meget små sensorer billigt med nøjagtigt kontrollerede egenskaber såsom følsomhed, linearitet og temperaturrespons.
elektroniske komponenter kan også fremstilles på den samme siliciumchip for at give signalkonditionering og forenkle den elektriske grænseflade. Sensorer baseret på disse mikroelektroniske mekaniske systemer (MEMS) er beskrevet mere detaljeret i .
Design
for at sikre den højeste nøjagtighed skal du overveje flere faktorer, der kan påvirke output. Enhver variation eller støj i spændingsspændingen vil medføre en tilsvarende ændring i sensorudgangen. Du skal sikre dig, at dette er mindre end den krævede målenøjagtighed.
det kan være nødvendigt at tilvejebringe en justerbar kalibreringsmodstand i brokredsløbet for at indstille udgangsspændingen til nul, når der ikke er noget tryk.
du skal holde modstanden af ledningerne til sensoren lille for at undgå at indføre en forskydning til måling og reducere følsomheden. Temperaturkoefficienten for kobbertrådene kan også være større end sensorens, hvilket kan indføre uønsket termisk følsomhed.
længere ledninger er også mere tilbøjelige til at opfange støj. Dette kan minimeres ved hjælp af snoede par og afskærmning.
ved hjælp af en højere spænding øges sensorudgangen og forbedrer signal / støjforholdet. Den højere strøm kan dog forårsage opvarmning af sensorelementet, hvilket vil ændre sensorens resistivitet og følsomhed.
denne selvopvarmning kan også påvirke klæbemidlet, der binder belastningsmåleren til membranen, hvilket kan indføre fejl og forårsage, at nøjagtigheden nedbrydes over tid. Selvopvarmningseffekterne kan reduceres ved hjælp af en belastningsmåler med højere modstand.
den optimale forsyningsspænding er en balance mellem minimering af selvopvarmning og opnåelse af et godt signal. Du kan bestemme dette eksperimentelt. For eksempel, uden tryk og sensorudgangen nul, kan du øge spændingsspændingen, indtil udgangen ses at ændre sig (på grund af selvopvarmning). Spændingsspændingen skal derefter reduceres, indtil udgangsfejlen forsvinder.
hvis det er muligt, skal du bruge et forstærkerkredsløb tæt på sensoren for at minimere forbindelseslængder, øge udgangssignalet og forbedre signal / støj-forholdet. Dette kan også gøre noget filtrering af sensorudgangen for at fjerne ekstern støj.
du kan minimere virkningerne af ændringer i spændingsspændingen, såsom et spændingsfald forårsaget af lange ledninger, ved at overvåge spændingsspændingen ved sensoren og enten trække den fra sensorudgangen eller bruge den som referencespænding for analog til digital konverter (ADC).
SPECIFIKATIONER
typiske metal strain gauge sensorer har en gauge faktor på omkring 2 til 4. Med en typisk maksimal belastning på nogle få dele pr.tusind, dette betyder en ændring i output på omkring 1MV for hver volt spænding.
siliciumbaserede sensorer doteres normalt for at give en målefaktor på omkring 100 til 200, hvilket giver et godt kompromis mellem følsomhed og termiske egenskaber. Udgangen fra en siliciumsensor kan være omkring 10 mV/V.
fordele og ulemper
tryksensorer med trykmåler har fordelen ved at være robuste. Deres ydeevne og kalibrering er også stabil over tid.
en ulempe ved disse sensorer er, at de bruger mere strøm end nogle andre typer trykføler. Dette kan betyde, at de ikke er egnede til batteridrevne eller bærbare systemer.
metal film sensing elementer har den fordel, enkel konstruktion og holdbarhed. De har også en højere maksimal driftstemperatur (op til ca. 200 liter C) end siliciumstammålere, som er begrænset til under 100 liter C.
Siliciumstammålere giver et meget større udgangssignal, hvilket gør dem velegnede til lavtryksapplikationer ned til omkring 2 kPa.
MEMS tryksensorer kan gøres meget mindre end metaltrådssensorer og kan integreres med elektronik til signalbehandling, som kan styre for ikke-linearitet og temperaturafhængighed.
vil du lære mere om de andre kerneteknologier, der anvendes i tryksensorer? Klik på nedenstående links for at gå til det afsnit, du er interesseret i.
- kapacitiv vs. tryksensorer
- kapacitive tryksensorer
- tryksensorer
- MEMS tryksensorer
- optiske tryksensorer
Leder du efter mere om tryksensorteknologi? Tjek de yderligere kapitler i denne vejledning nedenfor, eller hvis du er presset til tiden, kan du hente den i et PDF-format her.
