Ηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης

Σήμερα, για τη μέτρηση της πίεσης σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, χρησιμοποιούνται όχι μόνο βαρόμετρα υδραργύρου και ανεροειδή, αλλά και διάφοροι αισθητήρες που διαφέρουν τόσο ως προς την αρχή λειτουργίας όσο και ως προς τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που ενυπάρχουν σε κάθε τύπο τέτοιων αισθητήρων. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά επιτρέπουν την εφαρμογή αισθητήρων πίεσης απευθείας σε ηλεκτρική, ηλεκτρονική βάση.

Τι εννοούμε λοιπόν με τον όρο «αισθητήρας ηλεκτρικής πίεσης»; Τι είναι οι αισθητήρες ηλεκτρικής πίεσης; Πώς είναι τακτοποιημένα και τι λειτουργίες έχουν; Τέλος, ποιον αισθητήρα πίεσης πρέπει να επιλέξετε ώστε να είναι πιο κατάλληλος για συγκεκριμένο σκοπό; Θα μάθουμε στην πορεία αυτού του άρθρου.

Αρχικά, ας ορίσουμε τον ίδιο τον όρο. Ο αισθητήρας πίεσης είναι μια συσκευή της οποίας οι παράμετροι εξόδου εξαρτώνται από τη μετρούμενη πίεση. Το μέσο δοκιμής μπορεί να είναι ένας ατμός, ένα υγρό ή κάποιο αέριο, ανάλογα με την εφαρμογή ενός συγκεκριμένου αισθητήρα.

Τα σύγχρονα συστήματα απαιτούν εργαλεία ακριβείας αυτού του τύπου ως σημαντικά στοιχεία συστημάτων αυτοματισμού για ηλεκτρική ενέργεια, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, τρόφιμα και πολλές άλλες βιομηχανίες.Οι μικροσκοπικοί μετατροπείς πίεσης είναι ζωτικής σημασίας στην ιατρική.

Κάθε αισθητήρας ηλεκτρικής πίεσης περιλαμβάνει: ένα ευαίσθητο στοιχείο που χρησιμεύει για τη μετάδοση του κραδασμού στον κύριο μορφοτροπέα, ένα κύκλωμα επεξεργασίας σήματος και ένα περίβλημα. Οι αισθητήρες ηλεκτρικής πίεσης χωρίζονται κυρίως σε:

• Ανθεκτικό (αντιστατικό);

• Πιεζοηλεκτρική;

• Πιεζοσυντονισμός;

• Χωρητική;

• Επαγωγική (μαγνητική);

• Οπτικοηλεκτρονική.

Αισθητήρας πίεσης μετρητή αντίστασης ή τάσης Αυτή είναι μια συσκευή της οποίας το ευαίσθητο στοιχείο αλλάζει την ηλεκτρική αντίστασή της υπό την επίδραση ενός φορτίου που παραμορφώνεται. Οι μετρητές καταπόνησης τοποθετούνται σε μια ευαίσθητη μεμβράνη που κάμπτεται υπό πίεση και κάμπτει τους μετρητές καταπόνησης που είναι προσαρτημένοι σε αυτήν. Η αντίσταση των μετρητών καταπόνησης αλλάζει και το μέγεθος του ρεύματος στο πρωτεύον κύκλωμα του μετατροπέα αλλάζει ανάλογα.

Η τάνυση των αγώγιμων στοιχείων κάθε μετρητή καταπόνησης προκαλεί αύξηση του μήκους και μείωση της διατομής, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασης. Στη συμπίεση συμβαίνει το αντίθετο. Οι σχετικές αλλαγές στην αντίσταση μετρώνται σε χιλιοστά, επομένως ενισχυτές ακριβείας με ADC χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα επεξεργασίας σήματος. Έτσι, η καταπόνηση μετατρέπεται σε αλλαγή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός ημιαγωγού ή αγωγού και στη συνέχεια σε σήμα τάσης.

Οι μετρητές τάσης είναι συνήθως ένα ζιγκ-ζαγκ αγώγιμο ή ημιαγωγικό στοιχείο που εφαρμόζεται σε μια εύκαμπτη βάση που προσκολλάται στη μεμβράνη. Το υπόστρωμα είναι συνήθως κατασκευασμένο από μαρμαρυγία, χαρτί ή πολυμερές φιλμ και το αγώγιμο στοιχείο είναι ένα φύλλο, λεπτό σύρμα ή ημιαγωγός που ψεκάζεται με κενό πάνω σε μέταλλο.Η σύνδεση του ευαίσθητου στοιχείου του μετρητή καταπόνησης στο κύκλωμα μέτρησης πραγματοποιείται με χρήση μαξιλαριών επαφής ή καλωδίων. Οι ίδιοι οι μετρητές καταπόνησης έχουν συνήθως επιφάνεια από 2 έως 10 τετραγωνικά mm.

Αισθητήρες κυψελών φόρτωσης ιδανικό για την εκτίμηση των επιπέδων πίεσης, της αντοχής σε θλίψη και της μέτρησης βάρους.

Ο επόμενος τύπος αισθητήρα ηλεκτρικής πίεσης είναι πιεζοηλεκτρικός… Εδώ, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο λειτουργεί ως ευαίσθητο στοιχείο.Ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο που βασίζεται σε ένα πιεζοηλεκτρικό παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα όταν παραμορφώνεται, αυτό είναι το λεγόμενο άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο τοποθετείται στο μετρούμενο μέσο και στη συνέχεια το ρεύμα στο κύκλωμα του μορφοτροπέα θα είναι ανάλογο σε μέγεθος με τη μεταβολή της πίεσης σε αυτό το μέσο.

Δεδομένου ότι η εμφάνιση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου απαιτεί ακριβή αλλαγή της πίεσης και όχι σταθερή πίεση, αυτός ο τύπος μορφοτροπέα πίεσης είναι κατάλληλος μόνο για δυναμική μέτρηση πίεσης. Εάν η πίεση είναι σταθερή, τότε η διαδικασία παραμόρφωσης του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου δεν θα συμβεί και το ρεύμα δεν θα δημιουργηθεί από το πιεζοηλεκτρικό.

Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, σε πρωτεύοντες μετατροπείς ροής μετρητών στροβιλισμού για νερό, ατμό, αέριο και άλλα ομοιογενή μέσα. Τέτοιοι αισθητήρες εγκαθίστανται ανά ζεύγη σε έναν αγωγό με ονομαστικό άνοιγμα δεκάδων έως εκατοντάδων χιλιοστών πίσω από το σώμα της ροής και έτσι καταγράφουν στροβίλους των οποίων η συχνότητα και ο αριθμός είναι ανάλογα με τον ογκομετρικό ρυθμό ροής και τον ρυθμό ροής.

Εξετάστε περαιτέρω πιεζο-συντονιστικούς αισθητήρες πίεσης... Στους πιεζο-συντονιστικούς αισθητήρες πίεσης, λειτουργεί το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο το πιεζοηλεκτρικό παραμορφώνεται υπό την επίδραση της εφαρμοζόμενης τάσης, και όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο ισχυρότερη είναι η παραμόρφωση. Ο αισθητήρας βασίζεται σε αντηχείο με τη μορφή πιεζοηλεκτρικής πλάκας, και στις δύο πλευρές της οποίας συνδέονται ηλεκτρόδια.

Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στα ηλεκτρόδια, το υλικό της πλάκας δονείται, κάμπτοντας προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση και η συχνότητα των δονήσεων είναι ίση με τη συχνότητα της εφαρμοζόμενης τάσης. Ωστόσο, εάν η πλάκα παραμορφωθεί τώρα ασκώντας μια εξωτερική δύναμη σε αυτήν, για παράδειγμα μέσω μιας ευαίσθητης στην πίεση μεμβράνης, τότε η συχνότητα των ελεύθερων ταλαντώσεων του συντονιστή θα αλλάξει.

Έτσι, η φυσική συχνότητα του αντηχείου θα αντανακλά το μέγεθος της πίεσης στη μεμβράνη που πιέζει τον συντονιστή, με αποτέλεσμα μια αλλαγή στη συχνότητα. Για παράδειγμα, θεωρήστε έναν αισθητήρα απόλυτης πίεσης με βάση τον πιεζοσυντονισμό.

Η μετρούμενη πίεση μεταδίδεται στον θάλαμο 1 μέσω της σύνδεσης 12. Ο θάλαμος 1 διαχωρίζεται από μια μεμβράνη από το ευαίσθητο τμήμα μέτρησης της συσκευής. Το σώμα 2, η βάση 6 και η μεμβράνη 10 σφραγίζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν δεύτερο σφραγισμένο θάλαμο. Στον δεύτερο σφραγισμένο θάλαμο της βάσης 6, στερεώνονται οι βάσεις 9 και 4, η δεύτερη από τις οποίες συνδέεται στη βάση 6 μέσω μιας γέφυρας 3. Η θήκη 4 χρησιμεύει για τη στερέωση του ευαίσθητου αντηχείου 5. Ο αντηχείο στήριξης 8 είναι καθορίζεται από τον κάτοχο 9.

Κάτω από τη δράση της μετρούμενης πίεσης, η μεμβράνη 10 πιέζει μέσα από το χιτώνιο 13 στη σφαίρα 14, η οποία είναι επίσης στερεωμένη στη θήκη 4.Η σφαίρα 14, με τη σειρά της, πιέζει τον ευαίσθητο αντηχείο 5. Τα καλώδια 7, στερεωμένα στη βάση 6, συνδέουν τους αντηχητές 8 και 5 με τις γεννήτριες 16 και 17, αντίστοιχα. Για να δημιουργηθεί ένα σήμα ανάλογο με το μέγεθος της απόλυτης πίεσης, χρησιμοποιείται το κύκλωμα 15, το οποίο παράγει ένα σήμα εξόδου από τη διαφορά στις συχνότητες του συντονιστή. Ο ίδιος ο αισθητήρας τοποθετείται σε έναν ενεργό θερμοστάτη 18, ο οποίος διατηρεί σταθερή θερμοκρασία 40 ° C.

Μερικοί από τους απλούστερους είναι οι χωρητικοί αισθητήρες πίεσης... Τα δύο επίπεδα ηλεκτρόδια και το διάκενο μεταξύ τους σχηματίζουν έναν πυκνωτή. Ένα από τα ηλεκτρόδια είναι μια μεμβράνη πάνω στην οποία δρα η μετρούμενη πίεση, η οποία οδηγεί σε αλλαγή στο πάχος του διακένου μεταξύ των πλακών πραγματικά πυκνωτών. Είναι γνωστό ότι η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή αλλάζει με μια αλλαγή στο μέγεθος του διακένου για μια σταθερή περιοχή των πλακών, επομένως, για την ανίχνευση ακόμη και πολύ μικρών αλλαγών στην πίεση, οι χωρητικοί αισθητήρες είναι πολύ, πολύ αποτελεσματικοί.

Χωρητικοί αισθητήρες πίεσης με μικρές διαστάσεις επιτρέπουν τη μέτρηση της υπερπίεσης σε υγρά, αέρια, ατμό. Οι χωρητικοί αισθητήρες πίεσης είναι χρήσιμοι σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες που χρησιμοποιούν υδραυλικά και πνευματικά συστήματα, σε συμπιεστές, σε αντλίες, σε εργαλειομηχανές. Ο σχεδιασμός του αισθητήρα είναι ανθεκτικός σε ακραίες θερμοκρασίες και κραδασμούς, ανθεκτικός σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και επιθετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.

Ένας άλλος τύπος αισθητήρων ηλεκτρικής πίεσης, εξ αποστάσεως παρόμοιοι με χωρητικούς - επαγωγικούς ή μαγνητικούς αισθητήρες... Η ευαίσθητη στην πίεση αγώγιμη μεμβράνη βρίσκεται σε κάποια απόσταση από το λεπτό μαγνητικό κύκλωμα σχήματος W, στον μεσαίο πυρήνα του οποίου τυλίγεται το πηνίο.Μεταξύ της μεμβράνης και του μαγνητικού κυκλώματος τοποθετείται ένα συγκεκριμένο διάκενο αέρα.

Όταν εφαρμόζεται τάση στο πηνίο, το ρεύμα σε αυτό δημιουργεί μια μαγνητική ροή που διέρχεται τόσο από το ίδιο το μαγνητικό κύκλωμα όσο και από το διάκενο αέρα και μέσω της μεμβράνης, κλείνοντας. Δεδομένου ότι η μαγνητική διαπερατότητα στο διάκενο είναι περίπου 1000 φορές μικρότερη από ό,τι στο μαγνητικό κύκλωμα και στη μεμβράνη, ακόμη και μια μικρή αλλαγή στο πάχος του διακένου οδηγεί σε αισθητή αλλαγή στην επαγωγή του κυκλώματος.

Υπό την επίδραση της μετρούμενης πίεσης, το διάφραγμα του αισθητήρα κάμπτεται και η σύνθετη αντίσταση του πηνίου αλλάζει. Ο μορφοτροπέας μετατρέπει αυτή την αλλαγή σε ηλεκτρικό σήμα. Το τμήμα μέτρησης του μετατροπέα κατασκευάζεται σύμφωνα με το κύκλωμα γέφυρας, όπου το πηνίο του αισθητήρα περιλαμβάνεται σε έναν από τους βραχίονες. Χρησιμοποιώντας ένα ADC, το σήμα από το τμήμα μέτρησης μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα ανάλογο της μετρούμενης πίεσης.

Ο τελευταίος τύπος αισθητήρα πίεσης που θα εξετάσουμε είναι οι οπτοηλεκτρονικοί αισθητήρες… Είναι αρκετά απλός στην ανίχνευση της πίεσης, έχουν υψηλή ανάλυση, έχουν υψηλή ευαισθησία και είναι θερμικά σταθεροί. Λειτουργώντας με βάση την παρεμβολή φωτός, χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο Fabry-Perot για τη μέτρηση μικρών μετατοπίσεων, αυτοί οι αισθητήρες είναι ιδιαίτερα υποσχόμενοι. Ένας κρύσταλλος οπτικού μετατροπέα με διάφραγμα, ένα LED και ένας ανιχνευτής που αποτελείται από τρεις φωτοδίοδοι είναι τα κύρια μέρη ενός τέτοιου αισθητήρα.

Τα οπτικά φίλτρα Fabi-Perot με μικρή διαφορά πάχους συνδέονται σε δύο φωτοδίοδοι. Αυτά τα φίλτρα είναι ανακλαστικά κάτοπτρα πυριτίου από την μπροστινή επιφάνεια καλυμμένα με ένα στρώμα οξειδίου του πυριτίου, στην επιφάνεια του οποίου εναποτίθεται ένα λεπτό στρώμα αλουμινίου.

Ο οπτικός μετατροπέας είναι παρόμοιος με έναν χωρητικό αισθητήρα πίεσης, το διάφραγμα που σχηματίζεται με χάραξη σε ένα υπόστρωμα μονοκρυσταλλικού πυριτίου καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα μετάλλου. Η κάτω πλευρά της γυάλινης πλάκας έχει επίσης μεταλλική επίστρωση. Υπάρχει ένα κενό πλάτους w μεταξύ της γυάλινης πλάκας και του υποστρώματος πυριτίου, που λαμβάνεται με τη χρήση δύο αποστατών.

Δύο στρώματα μετάλλου σχηματίζουν ένα συμβολόμετρο Fabia-Perot με μεταβλητό διάκενο αέρος w, το οποίο περιλαμβάνει: έναν κινητό καθρέφτη που βρίσκεται στη μεμβράνη, ο οποίος αλλάζει θέση όταν αλλάζει η πίεση και ένα σταθερό ημιδιαφανές κάτοπτρο παράλληλο με αυτό σε μια γυάλινη πλάκα.

Σε αυτή τη βάση, η FISO Technologies παράγει μικροσκοπικούς ευαίσθητους μετατροπείς πίεσης με διάμετρο μόλις 0,55 mm που περνούν εύκολα από το μάτι της βελόνας. Με τη βοήθεια ενός καθετήρα εισάγεται ένας μίνι αισθητήρας στον μελετημένο όγκο, μέσα στον οποίο μετράται η πίεση.

Η οπτική ίνα συνδέεται με έναν έξυπνο αισθητήρα, στον οποίο, υπό τον έλεγχο ενός μικροεπεξεργαστή, ενεργοποιείται μια πηγή μονοχρωματικού φωτός που εισάγεται στην ίνα, μετράται η ένταση της ροής φωτός που αντανακλάται προς τα πίσω και η εξωτερική πίεση στο Ο αισθητήρας υπολογίζεται από τα δεδομένα βαθμονόμησης και εμφανίζεται στην οθόνη. Στην ιατρική, για παράδειγμα, τέτοιοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της ενδοκρανιακής πίεσης, για τη μέτρηση της αρτηριακής πίεσης στις πνευμονικές αρτηρίες, η οποία δεν μπορεί να επιτευχθεί με άλλο τρόπο.