czym są piezorezystywne czujniki tensometryczne
piezorezystywne czujniki tensometryczne należą do najczęstszych typów czujników ciśnienia. Wykorzystują zmianę oporu elektrycznego materiału po rozciągnięciu do pomiaru ciśnienia.
te czujniki nadają się do różnych zastosowań ze względu na swoją prostotę i wytrzymałość. Mogą być stosowane do pomiaru ciśnienia bezwzględnego, pomiarowego, względnego i różnicowego, zarówno w zastosowaniach wysoko -, jak i niskociśnieniowych.
w tym artykule omówimy różne rodzaje dostępnych piezorezystancyjnych czujników ciśnienia, sposób ich działania i ich względne zalety.
zasada działania
podstawową zasadą piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia jest użycie tensometru wykonanego z przewodzącego materiału, który zmienia swój opór elektryczny po rozciągnięciu. Tensometr może być przymocowany do membrany, która rozpoznaje zmianę rezystancji, gdy element czujnika jest zdeformowany. Zmiana rezystancji jest zamieniana na sygnał wyjściowy
istnieją trzy oddzielne efekty, które przyczyniają się do zmiany rezystancji przewodu. Są to:
- rezystancja przewodnika jest proporcjonalna do jego długości, więc rozciąganie zwiększa odporność
- gdy przewód jest rozciągnięty, zmniejsza się jego obszar przekroju poprzecznego, co również zwiększa odporność
- wrodzona Rezystywność niektórych materiałów wzrasta, gdy jest rozciągnięty
ostatni z nich, efekt piezorezystywny, różni się znacznie między materiałami. Czułość jest określona przez współczynnik miary, który jest zdefiniowany jako względna zmiana rezystancji podzielona przez odkształcenie:
gdzie szczep definiuje się jako względną zmianę długości:
elementy czujnika ciśnienia
elementy tensometryczne mogą być wykonane z metalu lub materiału półprzewodnikowego.
zmiana rezystancji metalowych tensometrów wynika głównie ze zmiany geometrii (długości i przekroju poprzecznego) materiału. W niektórych metalach, na przykład stopach platyny, efekt piezorezystywny może zwiększyć czułość o dwa lub więcej czynników.
w materiałach półprzewodnikowych dominuje efekt piezorezystywny, Zwykle o rząd wielkości większy niż wkład geometrii.
 Piezorezystancyjne pomiary tensometryczne wykonywane są przy użyciu obwodu mostu Wheatstone 'a |
funkcja
zmiana rezystancji czujnika jest zwykle mierzona za pomocą obwodu mostu Wheatstone’ a (jak pokazano poniżej). Pozwala to na przekształcenie niewielkich zmian rezystancji czujnika na napięcie wyjściowe.
piezorezystancyjne pomiary tensometryczne są wykonywane przy użyciu obwodu mostu Wheatstone
napięcie wzbudzenia musi być dostarczone do mostu. Jeśli nie ma napięcia i wszystkie rezystory w mostku są zbalansowane, to wyjście będzie zerowe woltów. Zmiana ciśnienia spowoduje zmianę rezystancji w mostku, co spowoduje odpowiednie napięcie wyjściowe lub prąd. Sposób obliczania jest pokazany we wzorze poniżej.
wydajność można poprawić, stosując dwa lub cztery elementy czujnikowe w mostku, przy czym elementy w każdej parze podlegają równemu i przeciwnemu obciążeniu. Zwiększa to sygnał wyjściowy i może zminimalizować wpływ temperatury na elementy czujnika.
konstrukcja
metalowe elementy czujnikowe
do powierzchni membrany można przymocować jeden lub więcej czujników tensometrycznych wykonanych z drutu.
nacisk na membranę rozciągnie przewody i zmieni opór. Elementy czujnika mogą być przyklejone do powierzchni za pomocą kleju lub przewód może być bezpośrednio osadzony na membranie przez rozpylanie. Ta ostatnia metoda usuwa potencjalne problemy z uszkodzeniem klejów w wysokich temperaturach, a także ułatwia konstruowanie małych urządzeń.
czujnik drutu metalowego można również wykonać, owijając drut między słupkami, które są przemieszczane przez zmianę ciśnienia. Ta konstrukcja może również pracować w wyższych temperaturach, ponieważ do przymocowania drutu do słupków nie jest potrzebny klej.
Elementy czujników półprzewodnikowych
materiały półprzewodnikowe, najczęściej krzem, mogą być również używane do wytwarzania czujników ciśnienia tensometrycznego. Charakterystyka elementu czujnikowego, w szczególności wielkość efektu piezorezystancyjnego, może być regulowana przez domieszkowanie; innymi słowy przez dodanie starannie kontrolowanych ilości zanieczyszczeń (domieszek) do półprzewodnika.
bardziej lekko domieszkowany krzem powoduje wyższą Rezystywność i wyższy współczynnik miernika. Jednak Zwiększa to również czułość termiczną zarówno rezystancji, jak i współczynnika pomiaru.
proces produkcji
Czujniki półprzewodnikowe mogą być skonstruowane w podobny sposób jak czujniki z drutu metalowego, poprzez osadzenie silikonowych elementów tensometrycznych na membranie.
mogą być również skonstruowane bezpośrednio na powierzchni krzemu przy użyciu tych samych metod wytwarzania, które są stosowane do wytwarzania elektronicznych urządzeń półprzewodnikowych. Pozwala to na tanie wytwarzanie bardzo małych czujników o precyzyjnie kontrolowanych właściwościach, takich jak czułość, liniowość i reakcja temperaturowa.
Elementy elektroniczne mogą być również wytwarzane na tym samym silikonowym chipie, aby zapewnić kondycjonowanie sygnału i uprościć interfejs elektryczny. Czujniki oparte na tych mikro-elektronicznych układach mechanicznych (MEMS) zostały opisane bardziej szczegółowo w .
projektowanie
aby zapewnić najwyższą dokładność, musisz wziąć pod uwagę kilka czynników, które mogą mieć wpływ na wynik. Wszelkie zmiany lub szumy napięcia wzbudzenia spowodują odpowiednią zmianę wyjścia czujnika. Musisz upewnić się, że jest to mniej niż wymagana dokładność pomiaru.
może być konieczne dostarczenie regulowanego rezystora kalibracyjnego w obwodzie mostka, aby ustawić napięcie wyjściowe na zero, gdy nie ma ciśnienia.
aby uniknąć przesunięcia pomiaru i zmniejszenia czułości, musisz zachować niewielką rezystancję przewodów do czujnika. Ponadto Współczynnik temperaturowy drutów miedzianych może być większy niż czujnika, co może wprowadzić niepożądaną czułość termiczną.
dłuższe przewody są również bardziej narażone na hałas. Można to zminimalizować za pomocą skrętek i ekranowania.
zastosowanie wyższego napięcia wzbudzenia zwiększa wyjście czujnika i poprawia stosunek sygnału do szumu. Jednak wyższy prąd może spowodować ogrzewanie elementu czujnikowego, co zmieni Rezystywność i czułość czujnika.
to samonagrzewanie może również wpływać na klejenie manometru tensometrycznego do membrany, co może wprowadzać błędy i powodować degradację dokładności w czasie. Efekty samonagrzewania można zmniejszyć za pomocą tensometru o wyższej odporności.
optymalne napięcie zasilania to równowaga pomiędzy minimalizacją samonagrzewania a uzyskaniem dobrego sygnału. Można to określić eksperymentalnie. Na przykład, bez ciśnienia i wyjścia czujnika zero, można zwiększyć napięcie wzbudzenia, dopóki wyjście nie zmieni się (z powodu samonagrzewania). Napięcie wzbudzenia należy następnie zmniejszyć, dopóki błąd wyjściowy nie zniknie.
jeśli to możliwe, należy użyć obwodu wzmacniacza blisko czujnika, aby zminimalizować długość połączenia, zwiększyć sygnał wyjściowy i poprawić stosunek sygnału do szumu. Może to również wykonać pewne filtrowanie wyjścia czujnika, aby usunąć hałas zewnętrzny.
możesz zminimalizować skutki wszelkich zmian napięcia wzbudzenia, takich jak spadek napięcia spowodowany długimi przewodami, monitorując napięcie wzbudzenia w czujniku i odejmując je od wyjścia czujnika lub używając go jako napięcia odniesienia dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).
Dane techniczne
typowe metalowe czujniki tensometryczne mają współczynnik pomiaru około 2 do 4. Przy typowym maksymalnym odkształceniu kilku części na tysiąc oznacza to zmianę mocy około 1mV dla każdego napięcia wzbudzenia.
czujniki na bazie krzemu są zwykle domieszkowane, aby zapewnić współczynnik pomiaru około 100 do 200, co daje dobry kompromis między czułością a charakterystyką termiczną. Wyjście z czujnika silikonowego może wynosić około 10 mV / V.
zalety i wady
piezorezystywne czujniki ciśnienia tensometrycznego mają tę zaletę, że są wytrzymałe. Ich wydajność i kalibracja są również stabilne w czasie.
jedną z wad tych czujników jest to, że zużywają więcej energii niż niektóre inne typy czujników ciśnienia. Może to oznaczać, że nie nadają się do systemów zasilanych bateryjnie lub przenośnych.
elementy wykrywające folię metalową mają tę zaletę, że mają prostą konstrukcję i trwałość. Mają również wyższą maksymalną temperaturę roboczą (do około 200°C) niż silikonowe tensometry, które są ograniczone do poniżej 100°C.
silikonowe tensometry zapewniają znacznie większy sygnał wyjściowy, dzięki czemu dobrze nadają się do zastosowań niskociśnieniowych, do około 2 kPa.
czujniki ciśnienia MEMS mogą być znacznie mniejsze niż czujniki z drutu metalowego i mogą być zintegrowane z elektroniką do przetwarzania sygnału, która może kontrolować Nieliniowość i zależność od temperatury.
chcesz dowiedzieć się więcej o innych podstawowych technologiach stosowanych w czujnikach ciśnienia? Kliknij poniższe linki, aby przejść do interesującej Cię sekcji.
- Pojemnościowy vs. piezorezystancyjny vs. piezoelektryczne czujniki ciśnienia
- pojemnościowe czujniki ciśnienia
- piezoelektryczne czujniki ciśnienia
- MEMS czujniki ciśnienia
- optyczne czujniki ciśnienia
szukasz więcej informacji na temat technologii czujników ciśnienia? Zapoznaj się z dalszymi rozdziałami tego przewodnika poniżej, lub jeśli jesteś naciśnięty na czas, możesz pobrać go w formacie PDF tutaj.
