o que são sensores de pressão piezoresistivos do manómetro de pressão
calibres de pressão piezoresistivos estão entre os tipos mais comuns de sensores de pressão. Eles usam a mudança na resistência elétrica de um material quando esticado para medir a pressão.
estes sensores são adequados para uma variedade de aplicações devido à sua simplicidade e robustez. Eles podem ser usados para medição de pressão absoluta, gauge, Relativa e diferencial, tanto em aplicações de alta e baixa pressão.Neste artigo discutiremos os vários tipos de sensores de pressão piezoresistivos disponíveis, como eles funcionam e seus méritos relativos.
princípio de funcionamento
O princípio básico do sensor de pressão piezoresistivo é usar um medidor de tensões feito de um material condutor que altera a sua resistência elétrica quando é esticado. O medidor de tensões pode ser ligado a um diafragma que reconhece uma mudança de resistência quando o elemento sensor é deformado. A mudança na resistência é convertida em um sinal de saída
existem três efeitos separados que contribuem para a mudança na resistência de um condutor. Estes são:
- A resistência de um condutor é proporcional ao seu comprimento, de modo que o alongamento aumenta a resistência
- Como o condutor é esticada, a sua área de seção transversal é reduzida, o que também aumenta a resistência
- inerente A resistividade de alguns materiais aumenta quando ele é alongado
O último deles, o efeito piezoresistivo, varia muito entre os materiais. A sensibilidade é especificada pelo fator gauge, que é definido como a variação da resistência relativa dividida pela estirpe:
em que a estirpe é definida como a variação relativa do comprimento:
os elementos sensores da pressão
podem ser feitos de metal ou de um material semicondutor.
a alteração da resistência dos extensómetros metálicos deve-se principalmente à alteração da geometria (comprimento e área de secção transversal) do material. Em alguns metais, por exemplo ligas de platina, o efeito piezoresistivo pode aumentar a sensibilidade por um fator de dois ou mais.
em materiais semicondutores, o efeito piezoresistivo domina, sendo tipicamente ordens de magnitude maior do que a contribuição da geometria.
 Piezoresistivo (strain gauge) medições são feitas usando-se um circuito de ponte de Wheatstone |
Função
A mudança na resistência do sensor é normalmente medida através de um circuito de ponte de Wheatstone (como mostrado abaixo). Isto permite que pequenas mudanças na resistência do sensor sejam convertidas em uma tensão de saída.
as medições da bitola Piezoresistiva são feitas usando um circuito de Ponte de Wheatstone
uma tensão de excitação precisa ser fornecida à ponte. Quando não há tensão e todas as resistências na ponte são equilibradas, então a saída será de zero volts. Uma mudança na pressão causará uma mudança nas resistências na ponte, resultando em uma tensão de saída correspondente ou corrente. Como isso é calculado é mostrado na fórmula abaixo.
o desempenho pode ser melhorado usando dois ou quatro elementos sensores na ponte, com os elementos em cada par sendo sujeitos a tensão igual e oposta. Isto aumenta o sinal de saída e pode minimizar os efeitos da temperatura nos elementos do sensor.
Construção
elementos sensores de Metal
um ou mais sensores de pressão feitos a partir de um comprimento de fio podem ser ligados à superfície de um diafragma.
a pressão sobre o diafragma irá esticar os fios e alterar a resistência. Os elementos do sensor podem ser ligados à superfície com adesivo ou o condutor pode ser directamente depositado no diafragma por pulverização. Este último método remove potenciais problemas com adesivos falhando a altas temperaturas e também torna mais fácil a construção de pequenos dispositivos.
um sensor de fio metálico também pode ser feito enrolando um fio entre postes que são deslocados por mudança de pressão. Esta construção também pode funcionar a temperaturas mais elevadas porque não é necessário adesivo para prender o fio às postagens.
elementos sensores Semicondutores
materiais semicondutores, mais comumente silício, também pode ser usado para fazer sensores de pressão de pressão de pressão. As características do elemento sensor, particularmente o tamanho do efeito piezoresistente, podem ser ajustadas por dopagem; por outras palavras, adicionando quantidades cuidadosamente controladas de impurezas (dopantes) ao semicondutor.
o silício ligeiramente dopado resulta numa resistividade mais elevada e num factor de calibre mais elevado. No entanto, isso também aumenta a sensibilidade térmica tanto do fator de resistência quanto do fator de gauge.
processo de fabrico
os sensores Semicondutores podem ser construídos de forma semelhante aos sensores de fio metálico, depositando os elementos do manómetro de silício num diafragma.
eles também podem ser construídos diretamente em uma superfície de silício usando os mesmos métodos de fabricação utilizados para a fabricação de dispositivos eletrônicos de semicondutores. Isso permite que sensores muito pequenos sejam fabricados a baixo custo com propriedades controladas com precisão, tais como Sensibilidade, linearidade e resposta à temperatura.Componentes eletrônicos também podem ser fabricados no mesmo chip de silício para fornecer condicionamento de sinal e simplificar a interface elétrica. Os sensores baseados nestes sistemas mecânicos microelectrónicos (mes) são descritos em mais pormenor .
Design
para garantir a maior precisão, terá de considerar vários factores que possam afectar a produção. Qualquer variação ou ruído na tensão de excitação causará uma alteração correspondente na saída do sensor. Você terá que garantir que isso é menos do que a precisão de medição necessária.Pode ser necessário fornecer uma resistência de calibração ajustável no circuito da ponte para ajustar a tensão de saída a zero quando não houver pressão.
terá de manter a resistência dos fios ao sensor pequena para evitar introduzir um desvio à medição e reduzir a sensibilidade. Além disso, o coeficiente de temperatura dos fios de cobre pode ser maior do que o do sensor, o que pode introduzir sensibilidade térmica indesejável.
OS FIOs Mais longos também são mais propensos a captar ruído. Isto pode ser minimizado utilizando pares torcidos e blindagem.
usando uma maior tensão de excitação aumenta a saída do sensor e melhora a relação sinal / ruído. No entanto, a corrente superior pode causar aquecimento do elemento sensor, o que irá mudar a resistividade e sensibilidade do sensor.
este auto-aquecimento também pode afectar a ligação adesiva do medidor de estirpes ao diafragma, o que pode introduzir erros e causar a precisão a degradar-se ao longo do tempo. Os efeitos de auto-aquecimento podem ser reduzidos através da utilização de um medidor de estirpes de resistência mais elevada.
a tensão óptima de alimentação é um equilíbrio entre a minimização do auto-aquecimento e a obtenção de um bom sinal. Você pode determinar isso experimentalmente. Por exemplo, sem pressão e a saída do sensor zero, você pode aumentar a tensão de excitação até que a saída seja vista como mudando (por causa do auto-aquecimento). A tensão de excitação deve então ser reduzida até que o erro de saída desapareça.Se possível, deve utilizar um circuito amplificador próximo do sensor para minimizar os comprimentos de ligação, aumentar o sinal de saída e melhorar a relação sinal-ruído. Isso também pode fazer alguma filtragem da saída do sensor para remover o ruído externo.
pode minimizar os efeitos de quaisquer alterações na tensão de excitação, tais como uma queda de tensão causada por fios longos, monitorizando a tensão de excitação no sensor e subtraindo-a da saída do sensor ou utilizando-a como tensão de referência para o conversor analógico-digital (ADC).
as especificações
os sensores típicos de medição de estirpes metálicas têm um factor de bitola de cerca de 2 a 4. Com uma tensão máxima típica de algumas partes por mil, isto significa uma mudança na saída de cerca de 1mV para cada volt de excitação.
sensores à base de silício são normalmente dopados para fornecer um fator de bitola de cerca de 100 a 200, o que dá um bom compromisso entre sensibilidade e características térmicas. A saída de um sensor de silício pode ser de cerca de 10 mV/V.
vantagens e desvantagens
sensores de pressão piezoresistivos têm a vantagem de ser robustos. Seu desempenho e calibração também é estável ao longo do tempo.
uma desvantagem destes sensores é que eles consomem mais energia do que alguns outros tipos de sensores de pressão. Isto pode significar que não são adequados para sistemas alimentados por bateria ou portáteis.
os elementos sensores de filmes metálicos têm a vantagem da construção simples e da durabilidade. Eles também têm uma temperatura máxima de funcionamento mais elevada (até cerca de 200°C) do que os manómetros de silício, que são limitados a menos de 100°C.
os manómetros de silício fornecem um sinal de saída muito maior, tornando-os bem adaptados a aplicações de baixa pressão, até cerca de 2 kPa.
sensores de pressão mes podem ser feitos muito menores que sensores de fio metálico e podem ser integrados com eletrônicos para processamento de sinais, que podem controlar a não linearidade e a dependência da temperatura.
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- Capacitivo vs. piezoresistivo vs. sensores de pressão piezoeléctrica
- sensores de pressão capacitiva
- sensores de pressão piezoeléctrica
- sensores de pressão MEMS
- sensores de pressão óptica
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