Електронні датчики тиску: особливості конструкцій і різновиди

Електронні датчики тиску: особливості конструкцій і різновиди

На сьогоднішній день використовуються в промисловості не барометри з ртуттю, а цілком сучасні і надійні датчики. У них принцип роботи відрізняється залежно від конструктивних особливостей. У всіх є як гідності, так і певні недоліки. Завдяки розвитку електроніки можна реалізувати датчики для вимірювання тиску на напівпровідникових елементах.

Що таке електронні датчики?

Електронні датчики тиску води або будь-якої іншої рідини - це такі прилади, які дозволяють здійснювати замір параметрів та їх обробку спеціальними блоками управління та індикації. Датчик тиску - це такий пристрій, у якого вихідні параметри безпосередньо залежать від того, який тиск у вимірюваному місці (ємність, труби тощо). Причому можна з їх допомогою здійснити замір будь-якої речовини в різних агрегатних станах - рідкому, пароподібному, газоподібному.


Необхідність таких приладів викликана тим, що практично вся промисловість побудована на системах автоматичного управління. Людина здійснює тільки налаштування, калібрування, обслуговування і запуск (зупинку). Робота будь-якої системи відбувається в автоматичному режимі. Але ще такі прилади часто використовуються в медицині.

Особливості конструкції елементів

Будь-які датчики складаються з чутливого елемента - саме з його допомогою передається вплив на перетворювач. Також у конструкції є схема для здійснення обробки сигналу і корпус. Можна виділити такі різновиди датчиків тиску:

  1. П 'єзоелектричні.
  2. Резистивні.
  3. Ємні.
  4. П 'єзорезонансні.
  5. Магнітні (індуктивні).
  6. Оптоелектронні.

А тепер розглянемо кожен вид приладу більш детально.

Резистивні елементи

Це такі пристрої, у яких чутливий елемент під впливом навантаження змінює свій опір. На чутливій мембрані проводиться установка тензорезистора. Мембрана під дією тиску згинається, тензорезистори також починають рухатися. При цьому у них змінюється опір. У результаті відбувається зміна сили струму в ланцюгу перетворювача.

При розтягненні елементів тензорезисторів збільшується довжина і зменшується площа перерізу. Як результат збільшення опору. Зворотний процес спостерігається при стисненні елементів. Звичайно, змінюється опір на тисячні частки Ома, тому, щоб вловити це, потрібно ставити спеціальні підсилювачі на напівпровідниках.

П 'єзоелектричні датчики

П 'єзоелемент є основою конструкції приладу. Коли відбувається деформація, п 'єзоелемент починає генерувати певний сигнал. Встановлюється елемент у середовище, тиск якого потрібно виміряти. При роботі сила струму в ланцюгу виявиться прямопропорційна зміні тиску.

Такі прилади мають одну особливість - вони не дозволяють відстежувати тиск, якщо він постійно. Тому використовується виключно у випадку, коли тиск постійно змінюється. При постійному значенні вимірюваної величини генерація електричного імпульсу вироблятися не буде.

П 'єзорезонансні елементи

Ці елементи працюють дещо інакше. При подачі напруги п 'єзоелемент деформується. Чим вища напруга, тим сильніша деформація. Основа приладу - пластина-резонатор, виготовлена з п 'єзоелектрика. На обох сторонах у неї є електроди. Як тільки відбудеться подача напруги на них, матеріал починає вібрувати. При цьому пластина згинається то в одну, то в іншу сторону. Швидкість вібрації залежить від частоти струму, який подається на електроди.


Але якщо сила ззовні подіє на пластину, то відбудеться зміна частоти коливань пластини. За таким принципом працює електронний датчик тиску повітря, що використовується в автомобілях. Він дозволяє оцінювати абсолютний тиск повітря, що подається в паливну систему автомобіля.

Ємнісні прилади

Ці пристрої найбільш популярні, оскільки мають просту конструкцію, працюють стабільно і в обслуговуванні невибагливі. Конструкція складається з двох електродів, розташованих на певній відстані один від одного. Виходить своєрідний конденсатор. Одна з його пластин - це мембрана, на неї діє тиск (вимірюваний). У результаті змінюється зазор між пластинами (пропорційно тиску). За шкільним курсом фізики ви знаєте, що ємність конденсатора залежить від площі поверхні пластин і відстані між ними.

При роботі в датчику тиску змінюється тільки відстань між пластинами - цього цілком достатньо для того, щоб здійснити замір параметрів. Електронні датчики тиску олії будуються саме за такою схемою. Переваги у даного типу конструкцій очевидні - вони можуть працювати в будь-яких середовищах, навіть агресивних. На них не діють великі перепади температур, електромагнітні хвилі.

Індуктивні датчики

Принцип роботи віддалено схожий на розглянуті вище ємнісні. Чутлива до тиску струмопровідна мембрана встановлюється на певній відстані від магнітопроводу у формі букви Ш (на нього намотується котушка індуктивності).

При подачі напруги на котушку створюється магнітний потік. Він проходить як по сердечнику, так і через зазор, струмопровідну мембрану. Потік замикається, а оскільки у зазору проникність приблизно в 1000 разів менше, ніж у сердечника, то навіть мізерна його зміна призводить до пропорційних коливань значень індуктивності.

Оптоелектронні датчики

Вони просто детектують тиск, володіють високою дозволяючою здатністю. У них висока чутливість і термостабільність. Працюють на основі інтерференції світла, використовують для вимірювання невеликих переміщень інтерферометр Фабрі-Перо. Такі електронні датчики тиску зустрічаються вкрай рідко, але є досить перспективними.

Основні компоненти приладу:

  1. Кристал оптичного перетворювача.
  2. Діафрагма.
  3. Світлодіод.
  4. Детектор (складається з трьох фотодіодів).

До двох фотодіодів прилаштовуються оптичні фільтри Фабі-Перо, у яких невелика різниця в товщині. Фільтри - це кремнієві дзеркала з відбиваючою лицьовою поверхнею. Вони покриті шаром оксиду кремнію, на поверхню наноситься тонкий шар алюмінію. Оптичний перетворювач дуже схожий з ємним датчиком тиску.



Надрукувати