mitkä ovat pietsoresistiiviset venymämittarit
Pietsoresistiiviset venymämittarit ovat yleisimpiä paineanturityyppejä. Ne käyttävät materiaalin sähkövastuksen muutosta venytettäessä paineen mittaamiseen.
nämä anturit soveltuvat yksinkertaisuutensa ja kestävyytensä vuoksi monenlaisiin sovelluksiin. Niitä voidaan käyttää absoluuttinen, mittari, suhteellinen ja paine-ero mittaus, sekä korkea-ja matala paine sovelluksia.
tässä artikkelissa käsitellään erilaisia saatavilla olevia pietsoresistiivisiä paineantureita, niiden toimintaa ja niiden suhteellisia ansioita.
toimintaperiaate
pietsoresistiivisen paineanturin perusperiaate on käyttää johtavasta materiaalista valmistettua venymämittaria, joka muuttaa sen sähkövastusta, kun sitä venytetään. Venymämittari voidaan kiinnittää kalvoon, joka tunnistaa vastuksen muutoksen, kun anturielementti muuttuu. Resistanssin muutos muunnetaan lähtösignaaliksi
on kolme erillistä efektiä, jotka vaikuttavat johtimen resistanssin muutokseen. Nämä ovat:
- johtimen resistanssi on verrannollinen sen pituuteen, joten venytys lisää resistanssia
- johtimen venyessä sen poikkipinta-ala pienenee, mikä myös lisää resistanssia
- joidenkin materiaalien luontainen resistiivisyys kasvaa, kun sitä venytetään
näistä viimeinen, pietsoresistiivinen vaikutus, vaihtelee suuresti materiaalien välillä. Herkkyys määritellään mittauskertoimella, joka määritellään suhteellisena vastusmuutoksena jaettuna kannalla:
jossa kanta määritellään pituuden suhteellisena muutoksena:
Paineanturielementit
Venymämittarielementit voidaan valmistaa metallista tai puolijohteesta.
metallikantamittareiden vastusmuutos johtuu pääasiassa materiaalin geometrian (pituus ja poikkileikkauksen pinta-ala) muutoksesta. Joillakin metalleilla, esimerkiksi platinaseoksilla, pietsoresistiivinen vaikutus voi lisätä herkkyyttä kahdella tai useammalla.
puolijohteissa vallitsee pietsoresistiivinen vaikutus, joka on tyypillisesti suuruusluokkaa suurempi kuin geometrian vaikutus.
 Pietsoresistiivinen venymämittari mittaukset tehdään Wheatstone silta piiri |
toiminto
anturin vastuksen muutos mitataan yleensä Wheatstonen siltapiirillä (kuten alla). Tämä mahdollistaa anturin vastuksen pienten muutosten muuntamisen lähtöjännitteeksi.
Pietsoresistiivisen venymämittauksen mittaukset tehdään Wheatstonen siltapiirin
avulla. Kun jännitettä ei ole ja kaikki sillan vastukset ovat tasapainossa, lähtö on nolla volttia. Paineen muutos aiheuttaa sillan vastusten muutoksen, jolloin syntyy vastaava lähtöjännite tai virta. Laskutapa käy ilmi alla olevasta kaavasta.
suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä komentosillassa kahta tai neljää anturielementtiä, joissa kunkin parin elementit joutuvat yhtä suureen ja vastakkaiseen rasitukseen. Tämä lisää lähtösignaalia ja voi minimoida lämpötilan vaikutukset anturielementteihin.
rakenne
metalliset anturielementit
yksi tai useampi langan pituisesta venymämittarista valmistettu anturi voidaan kiinnittää kalvon pintaan.
kalvoon kohdistuva paine venyttää johtoja ja muuttaa vastusta. Anturielementit voidaan liimata pintaan liimalla tai johdin voidaan pinnoittaa suoraan kalvoon sputteroimalla. Jälkimmäinen menetelmä poistaa mahdolliset ongelmat liimojen epäonnistuessa korkeissa lämpötiloissa ja helpottaa myös pienten laitteiden rakentamista.
metallilanka-anturi voidaan tehdä myös kietomalla Lanka vaihtopaineen syrjäyttämien tolppien väliin. Tämä rakenne voi toimia myös korkeammissa lämpötiloissa, koska langan kiinnittämiseen tolppiin ei tarvita liimaa.
puolijohteiden anturielementtejä
puolijohteita, yleisimmin piitä, voidaan käyttää myös venymämittarin paineantureiden valmistamiseen. Sensorielementin ominaisuuksia, erityisesti pietsoresistiivisen vaikutuksen kokoa, voidaan säätää dopingilla, toisin sanoen lisäämällä huolellisesti valvottuja määriä epäpuhtauksia (dopingaineita) puolijohteeseen.
kevyemmin seostettu pii johtaa suurempaan resistiivisyyteen ja suurempaan mittauskertoimeen. Tämä kuitenkin lisää myös sekä vastuksen että mittauskertoimen lämpöherkkyyttä.
valmistusprosessi
Puolijohdeanturit voidaan rakentaa samalla tavalla kuin metallilanka-anturit tallettamalla piin venymämittarin elementit kalvoon.
ne voidaan myös rakentaa suoraan piipinnalle käyttäen samoja valmistusmenetelmiä, joita käytetään elektronisten puolijohdekomponenttien valmistukseen. Tämä mahdollistaa hyvin pienten antureiden valmistamisen halvalla tarkoin ohjatuilla ominaisuuksilla, kuten herkkyydellä, lineaarisuudella ja lämpötilavasteella.
elektroniikkakomponentteja voidaan valmistaa myös samalle piisirulle signaalin ehdollistamiseksi ja sähköisen rajapinnan yksinkertaistamiseksi. Anturit perustuvat näihin mikro-Elektroniikka mekaaniset järjestelmät (MEMS) on kuvattu tarkemmin .
suunnittelu
parhaan tarkkuuden varmistamiseksi on otettava huomioon useita tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa tuotokseen. Mikä tahansa muutos tai melu magnetointijännitteessä aiheuttaa vastaavan muutoksen anturin ulostulossa. Sinun on varmistettava, että tämä on pienempi kuin vaadittu mittaustarkkuus.
saatat joutua tarjoamaan säädettävän kalibrointivastuksen siltapiiriin asettaaksesi lähtöjännitteen nollaan, kun painetta ei ole.
anturiin kohdistuvien johtojen vastus on pidettävä pienenä, jotta mittaus ei poikkea ja herkkyys vähenee. Myös kuparilankojen lämpötilakerroin voi olla suurempi kuin anturin, mikä voi ottaa käyttöön ei-toivotun lämpöherkkyyden.
myös pidemmät johdot nostavat todennäköisemmin melua. Tämä voidaan minimoida käyttämällä kierrettyjä pareja ja suojausta.
korkeamman herätejännitteen käyttö lisää anturin ulostuloa ja parantaa signaali-kohinasuhdetta. Suurempi virta voi kuitenkin aiheuttaa Anturielementin kuumenemisen, mikä muuttaa anturin resistiivisyyttä ja herkkyyttä.
tämä itsestään kuumeneminen voi myös vaikuttaa venymämittarin liimaamiseen kalvoon, mikä voi aiheuttaa virheitä ja aiheuttaa tarkkuuden heikkenemistä ajan myötä. Itsestään kuumenevia vaikutuksia voidaan vähentää käyttämällä suurempaa vastuskuormitusmittaria.
optimaalinen syöttöjännite on tasapaino itselämmityksen minimoinnin ja hyvän signaalin saamisen välillä. Voit määrittää tämän kokeellisesti. Esimerkiksi ilman painetta ja anturin ulostulo nolla, voit lisätä herätejännitettä, kunnes lähtö nähdään muuttuvan (koska itsestään kuumenee). Magnetointijännitettä on sitten vähennettävä, kunnes ulostulovirhe katoaa.
jos mahdollista, kannattaa käyttää anturin lähellä olevaa vahvistinpiiriä liitäntäpituuksien minimoimiseksi, lähtösignaalin tehostamiseksi ja signaali-kohina-suhteen parantamiseksi. Tämä voi myös tehdä joitakin suodatus anturin ulostulo poistaa ulkoisen melun.
voit minimoida viritysjännitteen muutosten vaikutukset, kuten pitkien johtojen aiheuttaman jännitehäviön, seuraamalla anturin viritysjännitettä ja joko vähentämällä sen anturin ulostulosta tai käyttämällä sitä analogi-digitaalimuuntimen (ADC) viitejännitteenä.
TEKNISET TIEDOT
tyypillisten metallin venymämittarin antureiden raidoituskerroin on noin 2-4. Tyypillisellä maksimikantavuudella, joka on muutama tuhannesosa, tämä tarkoittaa noin 1mV: n muutosta tuotoksessa jokaista herätevolttia kohti.
Piipohjaiset anturit on yleensä seostettu niin, että mittauskerroin on noin 100-200, mikä antaa hyvän kompromissin herkkyyden ja lämpöominaisuuksien välillä. Piianturin ulostulo voi olla noin 10 mV/v.
edut ja haitat
Pietsoresistiivisten venymämittarin paineantureiden etuna on vankka. Niiden suorituskyky ja kalibrointi on myös vakaa ajan myötä.
näiden antureiden yksi haitta on se, että ne kuluttavat enemmän tehoa kuin eräät muut paineanturit. Tämä voi tarkoittaa, että ne eivät sovellu paristokäyttöisiin tai kannettaviin järjestelmiin.
Metallikalvoa tunnistavien elementtien etuna on yksinkertainen rakenne ja kestävyys. Niillä on myös korkeampi maksimikäyttölämpötila (jopa noin 200°C) kuin piikantamittareilla, joiden enimmäiskäyttölämpötila on alle 100°C.
Piikantamittareilla saadaan paljon suurempi lähtösignaali, joten ne soveltuvat hyvin matalapainesovelluksiin, aina noin 2 kPa: han asti.
MEMS-paineantureista voidaan tehdä paljon pienempiä kuin metallilanka-antureista ja ne voidaan integroida signaalinkäsittelyyn tarkoitettuun elektroniikkaan, jolla voidaan ohjata epälineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta.
Haluatko oppia lisää muista paineantureissa käytettävistä ydinteknologioista? Klikkaa alla olevia linkkejä hypätäksesi osioon, josta olet kiinnostunut.
- kapasitiivinen vs. pietsoresistiivinen vs. pietsosähköiset paineanturit
- kapasitiiviset paineanturit
- Pietsosähköiset paineanturit
- MEMS-paineanturit
- Optiset paineanturit
etsitkö lisää paineanturitekniikasta? Tutustu tarkemmin tämän oppaan alla, tai jos sinulla on kiire, voit ladata sen PDF-muodossa täältä.
