ce sunt senzorii de presiune piezorezistivi cu manometru
manometrele de presiune piezorezistive sunt printre cele mai frecvente tipuri de senzori de presiune. Ei folosesc schimbarea rezistenței electrice a unui material atunci când este întins pentru a măsura presiunea.
acești senzori sunt potriviți pentru o varietate de aplicații datorită simplității și robusteții lor. Ele pot fi utilizate pentru măsurarea presiunii absolute, ecartament, relativă și diferențială, atât în aplicații de înaltă și joasă presiune.
în acest articol vom discuta diferitele tipuri de senzori de presiune piezorezistivi disponibili, modul în care funcționează și meritele lor relative.
principiul de funcționare
principiul de bază al senzorului de presiune piezorezistiv este de a utiliza un manometru realizat dintr-un material conductor care își schimbă rezistența electrică atunci când este întins. Manometrul poate fi atașat la o diafragmă care recunoaște o modificare a rezistenței atunci când elementul senzor este deformat. Schimbarea rezistenței este convertită într-un semnal de ieșire
există trei efecte separate care contribuie la schimbarea rezistenței unui conductor. Acestea sunt:
- rezistența unui conductor este proporțională cu lungimea sa, astfel încât întinderea crește rezistența
- pe măsură ce conductorul este întins, aria secțiunii sale transversale este redusă, ceea ce crește și rezistența
- rezistivitatea inerentă a unor materiale crește atunci când este întinsă
ultimul dintre acestea, efectul piezorezistiv, variază foarte mult între materiale. Sensibilitatea este specificată de factorul de măsurare, care este definit ca schimbarea relativă a rezistenței împărțită la tulpină:
unde tulpina este definită ca modificarea relativă a lungimii:
elementele de detectare a presiunii
elementele de măsurare a tensiunii pot fi realizate din metal sau dintr-un material semiconductor.
modificarea rezistenței în tensometrele metalice se datorează în principal modificării geometriei (lungimea și aria secțiunii transversale) a materialului. În unele metale, de exemplu aliajele de platină, efectul piezorezistiv poate crește sensibilitatea cu un factor de două sau mai multe.
în materialele semiconductoare, efectul piezorezistiv domină, fiind de obicei ordine de mărime mai mari decât contribuția geometriei.
 măsurătorile de măsurare a tensiunii piezorezistive se fac folosind un circuit de punte Wheatstone |
funcție
modificarea rezistenței senzorului este de obicei măsurată folosind un circuit de punte Wheatstone (așa cum se arată mai jos). Acest lucru permite convertirea unor mici modificări ale rezistenței senzorului la o tensiune de ieșire.
măsurătorile tensometrului Piezorezistiv sunt efectuate folosind un circuit de punte Wheatstone
o tensiune de excitație trebuie furnizată podului. Când nu există tensiune și toate rezistențele din pod sunt echilibrate, atunci ieșirea va fi zero volți. O schimbare a presiunii va determina o schimbare a rezistențelor podului, rezultând o tensiune sau un curent de ieșire corespunzător. Modul în care se calculează acest lucru este prezentat în formula de mai jos.
performanța poate fi îmbunătățită prin utilizarea a două sau patru elemente de detectare în pod, elementele din fiecare pereche fiind supuse unei tensiuni egale și opuse. Acest lucru crește semnalul de ieșire și poate minimiza efectele temperaturii asupra elementelor senzorului.
construcție
elemente de detectare a metalelor
unul sau mai mulți senzori de măsurare a tensiunii realizați dintr-o lungime de sârmă pot fi atașați la suprafața unei diafragme.
presiunea pe diafragmă va întinde firele și va schimba rezistența. Elementele senzorului pot fi lipite pe suprafață cu adeziv sau conductorul poate fi depus direct pe diafragmă prin pulverizare. Această din urmă metodă elimină potențialele probleme cu adezivii care nu reușesc la temperaturi ridicate și, de asemenea, facilitează construirea dispozitivelor mici.
un senzor de sârmă metalică poate fi realizat și prin înfășurarea unui fir între stâlpi care sunt deplasați prin schimbarea presiunii. Această construcție poate funcționa și la temperaturi mai ridicate, deoarece nu este nevoie de adeziv pentru a atașa firul la stâlpi.
elemente semiconductoare de detectare
materiale semiconductoare, cel mai frecvent siliciu, poate fi folosit pentru a face senzori de presiune manometru tulpina. Caracteristicile elementului de detectare, în special dimensiunea efectului piezorezistiv, pot fi ajustate prin dopaj; cu alte cuvinte prin adăugarea unor cantități atent controlate de impurități (dopanți) la semiconductor.
siliciul dopat mai ușor are ca rezultat o rezistivitate mai mare și un factor de ecartament mai mare. Cu toate acestea, acest lucru crește, de asemenea, sensibilitatea termică atât a rezistenței, cât și a factorului de ecartament.
procesul de fabricație
senzorii Semiconductori pot fi construiți în mod similar cu senzorii de sârmă metalică, prin depunerea elementelor de măsurare a tensiunii de siliciu pe o diafragmă.
ele pot fi, de asemenea, construite direct pe o suprafață de siliciu utilizând aceleași metode de fabricație utilizate pentru fabricarea dispozitivelor electronice semiconductoare. Acest lucru permite ca senzorii foarte mici să fie fabricați ieftin, cu proprietăți controlate cu precizie, cum ar fi sensibilitatea, liniaritatea și răspunsul la temperatură.
componentele electronice pot fi, de asemenea, fabricate pe același cip de siliciu pentru a oferi condiționarea semnalului și a simplifica interfața electrică. Senzorii bazați pe aceste sisteme mecanice microelectronice (MEMS) sunt descrise mai detaliat în .
Design
pentru a asigura cea mai mare precizie, va trebui să luați în considerare mai mulți factori care ar putea afecta rezultatul. Orice variație sau zgomot în tensiunea de excitație va determina o modificare corespunzătoare a ieșirii senzorului. Va trebui să vă asigurați că aceasta este mai mică decât precizia de măsurare necesară.
poate fi necesar să furnizați un rezistor de calibrare reglabil în circuitul punții pentru a seta tensiunea de ieșire la zero atunci când nu există presiune.
va trebui să mențineți rezistența firelor la senzor mică pentru a evita introducerea unui decalaj la măsurare și reducerea sensibilității. De asemenea, coeficientul de temperatură al firelor de cupru poate fi mai mare decât cel al senzorului, ceea ce poate introduce o sensibilitate termică nedorită.
firele mai lungi sunt, de asemenea, mai susceptibile de a ridica zgomot. Acest lucru poate fi minimizat prin utilizarea perechilor răsucite și a ecranării.
utilizarea unei tensiuni de excitație mai mari crește ieșirea senzorului și îmbunătățește raportul semnal / zgomot. Cu toate acestea, curentul mai mare poate provoca încălzirea elementului de detectare, ceea ce va schimba rezistivitatea și sensibilitatea senzorului.
această autoîncălzire poate afecta, de asemenea, lipirea adezivă a manometrului de diafragmă, ceea ce poate introduce erori și poate determina degradarea preciziei în timp. Efectele de auto-încălzire pot fi reduse prin utilizarea unui manometru cu rezistență mai mare.
tensiunea optimă de alimentare este un echilibru între minimizarea autoîncălzirii și obținerea unui semnal bun. Puteți determina acest lucru experimental. De exemplu, fără presiune și ieșirea senzorului zero, puteți crește tensiunea de excitație până când ieșirea se vede că se schimbă (din cauza autoîncălzirii). Tensiunea de excitație trebuie apoi redusă până când eroarea de ieșire dispare.
dacă este posibil, ar trebui să utilizați un circuit amplificator aproape de senzor pentru a minimiza lungimile conexiunii, pentru a mări semnalul de ieșire și pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot. Acest lucru poate face, de asemenea, o filtrare a ieșirii senzorului pentru a elimina zgomotul extern.
puteți minimiza efectele oricăror modificări ale tensiunii de excitație, cum ar fi o cădere de tensiune cauzată de fire lungi, monitorizând tensiunea de excitație la senzor și scăzând-o din ieșirea senzorului sau folosind-o ca tensiune de referință pentru convertorul analogic la Digital (ADC).
Specificații
senzorii tipici de măsurare a tensiunii metalice au un factor de măsurare de aproximativ 2 până la 4. Cu o tensiune maximă tipică de câteva părți la mie, aceasta înseamnă o schimbare a puterii de aproximativ 1MV pentru fiecare volt de excitație.
senzorii pe bază de siliciu sunt de obicei dopați pentru a oferi un factor de ecartament de aproximativ 100 până la 200, ceea ce oferă un compromis bun între sensibilitate și caracteristicile termice. Ieșirea de la un senzor de siliciu poate fi de aproximativ 10 mV/V.
avantaje și dezavantaje
senzorii de presiune Piezorezistivi au avantajul de a fi robusti. Performanța și calibrarea lor sunt, de asemenea, stabile în timp.
un dezavantaj al acestor senzori este că consumă mai multă energie decât alte tipuri de senzori de presiune. Acest lucru poate însemna că nu sunt potrivite pentru baterii sau sisteme portabile.
elementele de detectare a filmelor metalice au avantajul unei construcții simple și a durabilității. Ele au, de asemenea, o temperatură maximă de funcționare mai mare (până la aproximativ 200 de Centimetre c) decât manometrele de siliciu, care sunt limitate la sub 100 de Centimetre C.
manometrele de siliciu oferă un semnal de ieșire mult mai mare, făcându-le potrivite pentru aplicații de joasă presiune, până la aproximativ 2 kPa.
senzorii de presiune MEMS pot fi făcuți mult mai mici decât senzorii de sârmă metalică și pot fi integrați cu electronice pentru procesarea semnalelor, care pot controla neliniaritatea și dependența de temperatură.
doriți să aflați mai multe despre celelalte tehnologii de bază utilizate în senzorii de presiune? Faceți clic pe linkurile de mai jos pentru a trece la secțiunea care vă interesează.
- capacitiv vs. piezorezistiv vs. senzori de presiune piezoelectrici
- senzori de presiune capacitivi
- senzori de presiune piezoelectrici
- senzori de presiune MEMS
- senzori de presiune optici
căutați mai multe despre tehnologia senzorului de presiune? Consultați capitolele suplimentare ale acestui ghid de mai jos sau, dacă sunteți presat de timp, îl puteți descărca într-un format PDF aici.
