Принцип измерения давления с помощью тензорезистивных датчиков - файл n1.doc

приобрести
Принцип измерения давления с помощью тензорезистивных датчиков
скачать (592 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc592kb.22.08.2012 14:07скачать

n1.doc



Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»


Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы измерений»

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ


Исполнитель:

студент группы 113456

Хоменко А.О.

Руководитель:

профессор

Джилавдари И. З.

Минск 2008

Содержание

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35


Введение
Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как, например, для определения расхода, количества среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы напорных трубопроводов, а также для применения в автоматизированных системах с частотными преобразователями со встроенными автоматическими регуляторами в замкнутом контуре управления для изменения оборотов электроприводов насосов.

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются, например, манометры. Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе.

Измерительные приборы давления классифицируются по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам.

По виду измеряемого давления приборы подразделяются для измерения избыточного и абсолютного давления – манометры, разрежения – вакуумметры, давления и разрежения – мановакуумметры, атмосферного давления – барометры и разностного давления – дифференциальные манометры (дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20-40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения – микроманометрами.

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень измерительной системы).

Особенности развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей – первичным.

Известны многие способы преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. По принципу действия или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал первичные ИПД подразделяются прежде всего на деформационные и электрические. При этом в деформационных ИПД перемещения чувствительного элемента (ЧЭ) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в электрический или электромагнитный сигнал. В электрических ИПД при измерении давления изменяются ЧЭ собственные электрические параметры: сопротивление, емкость или заряд.

Современные общепромышленные ИПД реализованы на основе емкостных (используют ЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет емкость ЧЭ), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов от давления или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах действия. Также получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.

1 Методы преобразования давления

Датчик давления состоит (рисунок 1.1) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.



Рисунок 1.1 - Блок-схема преобразователя давления в электричекий сигнал

 

    1. Тензометрический метод


В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рисунок1.1.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.



Рисунок 1.1.2 - Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

 Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.


 1.2 Пьезорезистивный метод
 Практически все производители датчиков в России проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

 Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рисунок 1.2.1) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.



Рисунок 1.2.1 - Кремниевый интегральный преобразователь давления

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost – решения (рисунок 1.2.2), основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.



Рисунок 1.2.2 - Low Cost решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рисунок 1.2.5).



Рисунок 1.2.3 - Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

 

    1. Емкостный метод


Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

 В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рисунок 1.3.1).



Рисунок 1.3.1 - Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

 

    1. Резонансный метод


Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

 Частным примером может служить кварцевый резонатор (рисунок 1.4.1). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают — наступает резонанс.



Рисунок 1.4.1 - Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

 К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

1.5 Индуктивный метод

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рисунок 1.5.1). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.



Рисунок 1.5.1 - Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

 Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

1.6 Ионизационный метод
 В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды (рисунок 1.6.1).



Рисунок 1.6.1 - Ионнизацинный датчик вакуума

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла.

Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.
Таблица 1.1 - основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал: 


1

2

Достоинства

Недостатки

Тензометрический (КНС-преобразователи)

1. Высокая спень защиты от агрессивной среды

2. Высокий предел рабочей температуры

3. Налажено серийное производство

4. Низкая стоимость

1. Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики

2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры

3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций

Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии)

1. Высокая стабильность характеристик

2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям

3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты

4. Высокая точность

5. Низкая цена

6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств

1. Ограничение по температуре (до 150єC)

Емкостной

1. Высокая точность

2. Высокая стабильность характеристик

3. Возможность измерять низкий вакуум

4. Простота конструкции

1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления

2. Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов

Резонансный

1. Высокая стабильность характеристик

2. Высокая точность измерения давления

1. При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения

2. Высокая цена

3. Длительное время отклика

4. Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал

Индукционный

1. Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью

2. Незначительное влияние температуры на точность измерения

1. Сильное влияние магнитного поля

2. Чувствительность к вибрациям и ударам

Ионизационный




1

2

1. Возможность измерение высокого вакуума

2. Высокая точность

3. Стабильность выходных параметров

1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом)

2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления

3. Высокая хрупкость

4. Необходимо сочетать с другими датчиками давления

 

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности — надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и расходометрии – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

 В большинстве случаев требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи. Выбрав КНС-преобразователи, вы получите надежные датчики работающие при высоких температурах (более 1500С), однако теряете в точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристалличеком кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.
2 Физический принцип действия тензорезистивного преобразователя давления
В основе принципа действия тензорезистивного датчика давления лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется известным выражением.

(2.1)

где - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (2.1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

(2.2)

где R, , S - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.

В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением

(2.3)

где - значение относительной продольной деформации;

- значение относительной поперечной деформации;

 - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (2.2) и (2.3) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l


(2.4)

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис.1,а. На полоску тонкой бумаги или лаковой пленки 1 наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 3. После высыхания слоя клея сверху преобразователь покрывается защитным слоем лака 4. Если такой преобразователь наклеить на поверхность испытуемой детали, то он будет воспринимать деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5-20 мм, обладающие сопротивлением 50-500 Ом.

Рисунок 2.1 - Конструкции тензорезисторных преобразователей
Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис.1,б) получаются путем химического травления фольги – 2, толщиной 4~ 12 мкм, нанесенной сплошным слоем на поверхность подложки - 1 из непроводящего материала. Фольговые преобразователи имеют меньшие габариты, чем обычные проволочные и могут иметь базу L 0,5-5 мм.

Металлические пленочные тензорезисторы изготовляются путем напыления в вакууме на поверхность тонкой подложки слоя тензо-чувствительного материала с последующим травлением слоя проводящего материала с целью формирования решетки тензорезистора. Пленочные тензорезисторы имеют толщину 1 мкм и менее, базу 0,1-0,5 мм и конфигурацию, аналогичную фольговым тензорезисторам (рисунок 2.1,б).

Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорезисторов является мостовая измерительная схема, работающая в неравновесном режиме.

На рисунке 2.2,а приведена мостовая схема, в которой в качестве одного плеча включен тензорезистор R1, а остальные три плеча моста являются постоянными фиксированными резисторами R2, R3, R4. Схема питается от источника постоянного напряжения Е. С измерительной диагонали моста снимается напряжение UM, которое может быть подано на измерительный прибор или регистратор. Приведенная схема неравновесного измерительного моста обладает значительной температурной погрешностью. Тензорезистор R1 располагается непосредственно на объекте измерения, а резисторы R2, R3, R4 - в блоке вторичной аппаратуры, содержащей усилители, блоки питания, показывающие приборы, удаленном от объекта измерения и находящимся в других климатических условиях. При изменении температуры поверхности объекта измерения будет изменяться сопротивление тензорезистора R1, что приведет к изменению выходного напряжения UН мостовой схемы при отсутствии упругой деформации решетки тензорезистора.

Рисунок 2.2 - Схемы включения тензорезисторов
При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рисунок 2.2,б) удается понизить температурную погрешность нуля в 10-20 раз по сравнению с предыдущей схемой включения.

Пример физической реализации дифференциальной мостовой схемы измерения представлен на рисунке 2.2,в. На поверхности консольно закрепленной упругой, балки 1 наклеены тензорезисторы R1 и R2, которые включены в качестве плеч мостовой измерительной схемы и имеет равные сопротивления (R1=R2). При равенстве сопротивлений двух других плеч моста (R3 и R4) выходной сигнал с измерительной диагонали моста равен нулю (UM=0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рисунке 2.2,в), что приведет к появлении упругих деформаций и напряжений растяжения на верхней поверхности балки и напряжений сжатия на нижней ее поверхности. Упругие деформации балки будут восприняты наклеенными тензорезисторами и их сопротивления изменятся соответственно до значений R1+R и R2-R (рисунок 2.2,б и 2.2,в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение UM функционально связанное с измеряемым усилием Р. При идентичных параметрах тензорезисторов погрешность нуля, обусловленная изменением их активного сопротивления вследствие изменения температуры балки, будет близко к нулю, поскольку абсолютные значения приращений сопротивлений R1 и R2 будут равны и не вызовут разбаланса мостовой схемы, а, следовательно, и дополнительного приращения выходного напряжения UM.

С целью уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на чувствительность мостовой схемы довольно часто в качестве пассивных плеч мостовой схемы R3 и R4 также используются тензорезисторы, расположенные на объекте измерения или рядом с ним, но не воспринимающие измеряемых упругих деформаций.

В инженерной практике выходной сигнал с диагонали неравновесного моста подается на вход электронного усилителя, а затем на измерительный прибор или регистратор, в качестве которого может быть использован электромеханический светолучевой осциллограф.

Функциональная блок-схема тензорезистивного метода измерения давления представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Функциональная блок-схема тензорезистивного преобразователя давления
Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу – изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (см. рисунок 2.3).


3 ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
К основным метрологическим характеристикам тензорезисторов относятся тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность, динамические характеристики.

Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными свойствами материала чувствительного элемента, однако в значительной степени зависит от конструкции преобразователя, материала основы, вида и условий полимеризации клея и других факторов. Тензочувствительность тензорезистора, как и самого тензорезистивного материала, определяется коэффициентом относительной тензочувствительности

(3.1)

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно следующим соотношением:

(3.2)

где - приведенное ко входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации.

Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1...1,5% за 6 ч.

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная ко входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5...5%.

Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой - в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

Если и - температурные коэффициенты линейного расширения исследуемой детали и подложки тензорезистора, то относительная деформация тензорезистора, обусловленная изменением окружающей температуры на ??...,

(3.3)

а изменение его сопротивления при этом

(3.4)

Так как изменение сопротивления тензорезистора, обусловленное наличием ТКС материала чувствительного элемента, равно , то общее изменение сопротивления тензорезистора, вызванное изменением температуры окружающей среды на ??... ,

(3.5)

Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100...300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5...10 раз превышала частоту деформаций.

Важным параметром тензорезисторов является допустимая мощность ..., которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров, что может использоваться как при определении ... для известных тензорезисторов, так и при определении геометрических размеров проектируемых преобразователей, исходя из заданной допустимой мощности или допустимого значения измерительного тока:

(3.6)

где - тепловое сопротивление; ... - площадь поверхности теплоотдачи материала резистора; - коэффициент теплоотдачи; - удельная тепловая нагрузка. Отвод теплоты от тензорезистора до исследуемой детали через слой клея и подложку значительно превышает теплоотдачу в окружающий воздух. Поэтому можно считать, что практически все тепло отводится в исследуемую деталь, а за площадь - принимают для пленочных и фольговых тензорезисторов поверхность резистора, обращенную к исследуемой детали, а для проволочных - половину цилиндрической поверхности проволоки чувствительного элемента.

Удельная мощность используемых в настоящее время проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов независимо от рассеиваемой в них мощности и полной поверхности, занимаемой чувствительным элементом, обычно колеблется в незначительных пределах: =26...28 кВт/м...(или м...) .

Допустимое значение измерительного тока через тензорезистор может быть определено из соотношения . Для проволочных тензорезисторов с базой , количеством проводов в решетке чувствительного элемента n... и диаметром провода d

(3.7)

(3.8)

Отсюда

(3.9)

Особенностью приклеиваемых тензорезистивных преобразователей является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т.е. не могут быть переклеены из объекта на объект. Поэтому функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогично, так называемого градуировочного, преобразователя из той же партии. Естественно, что такой способ оценки характеристик рабочих тензопреобразователей применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей всей партии совершенно идентичны, а остаточные деформации, вызываемые затвердеванием клея при приклейке рабочих и градуировочных преобразователей, так же одинаковы. Опыт показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейки тензорезисторов и хорошем качестве клея обычно не превышает 1,5%.

Следует отметить, что для приклеивания тензорезисторов к исследуемой детали применяются специальные клеи, для работы в нормальных температурных условиях - ацетатно-целлулоидные и бакелито-фенольные (БФ) клеи, для работы при высоких температурах (до 600...800°С)- кремнийорганические цементы (например, Б-56, ВН-12) и специальные цементы на основе жидкого стекла или полисилоксанов.

Тензочувствительность готовых тензопреобразователей практически не поддается точному расчету, так как она может существенно отличаться от тензочувствительности исходного материала. Кроме влияния технологических факторов на воспроизводимость тензорезистивных свойств материала существенное влияние на значение коэффициента тензочувствительности преобразователя оказывают изогнутости в местах закругления проволоки, особенно в петлевых преобразователях. В этих местах образуются участки, не воспринимающие деформацию в направлении оси базы. Уменьшение чувствительности, вызванное этим фактором, тем больше, чем меньше измерительная база (в двухслойных преобразователях с уменьшенной базой чувствительность может уменьшиться на 20...30%). Существенное влияние на результирующую чувствительность оказывает поперечный тензо-эффект, обусловленный наличием участков проволоки, перпендикулярных оси базы преобразователя и воспринимающих поперечную деформацию. Этого недостатка практически полностью лишены фольговые и пленочные преобразователи, у которых сечение проводящего слоя в месте изгиба может быть значительно увеличено.
4 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ
4.1 Источники погрешностей связаны с характером поведения самого тензорезистора.
- Влияние температуры на объект измерений и тензорезистор. Величина кажущейся деформации при воздействии температуры определяется формулой:

???=(??/Кт+(?д-?т))? (4.1)

где ??— температурный коэффициент сопротивления (ТКС);

?д и ?т — коэффициенты линейного расширения (КЛР) материалов детали и тензорезистора.

ТКС константана в зависимости от примесей в сплаве может иметь любое значение в пределах ±30*10-6 К-1, причем в относительно небольшом интервале температур заданное значение ТКС обеспечивается с погрешностью ±(0,5 -1)*10-6 К-1. Это позволяет для многих материалов объектов измерения (сталь, нержавеющая сталь, сплавы алюминия) изготовлять термокомпенсированные тензорезисторы. Кажущаяся деформация изменяется с температурой примерно так, как показано на рисунке 4.1, для термокомпенсированных тензорезисторов, наклеенных на сталь (кривая 1), алюминий (кривая 2) и нержавеющую сталь (кривая 3); здесь же для сравнения приведена кривая 4 температурной погрешности тензорезистора, предназначенного для наклейки на нержавеющую сталь, а наклеенного на сталь. Для термокомпенсированных тензорезнсторов величина кажущейся деформации в диапазоне температур 20—100 °С не превышает в , что при измеряемой деформации приводит к температурной погрешности нуля .


Рисунок 4.1.1 – Изменение кажущейся деформации в зависимости от температуры, для термокомпенсированных тензорезисторов
Подобная самокомпенсация кажущейся деформации невозможна для дискретных полупроводниковых тензорезисторов. Действительно, КЛР кремния очень мал (около 2,5•10-6 К-1) по сравнению с КЛР металлов (сталь — 11 *10-6K-1, алюминий — 22,5*10-6 К-1), ТКС тензорезистора из кремния p-типа положителен (??= 0,7*10-3 К-1).

- Влияние сопротивления изоляции;

- Паразитные электрические напряжения;

- Термо-ЭДС (на соединении различных материалов);

- Плохое закрепление тензорезистора на объекте измерения.

4.2 Погрешности за счет соединительной линии делятся на:
- Температурная зависимость сопротивления проводов (изменение температуры воздействует на дрейф нуля моста и изменение коэффициента чувствительности);

- Сопротивление изоляции между проводами и экранной оплеткой (сопротивление изоляции между наклеенным тензорезистором и металлической поверхностью объекта измерения зависит от связующего или подложки, свойств клея, толщины слоя и влажности окружающей среды;

- Емкость кабелей.

5 СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫМ МЕТОДОМ

Тензометрические измерения производятся при помощи модулей АЦП ЦАП "SigmaUSB" или АЦП ЦАП "SigmaWiFi" и программы "Тензометр". В качестве чувствительных элементов могут быть использованы тензорезисторы в различных исполнениях. Тензорезистивный эффект применяется для измерения различных физических величин: веса, давления, механического напряжения и т.п. На рисунке 5.1, например, показаны формы измерительных решеток тензорезисторов фирмы "Месстехник-HBM". На рисунке 5.2 представлен внешний вид типичного датчика давления производства ООО "Метроник".



Рисунок 5.1 - Формы измерительных решеток тензорезисторов фирмы "Месстехник-HBM".



Рисунок 5.2 - Внешний вид датчика давления производства ООО "Метроник".

При построении многоканальных контрольно-измерительных систем автоматизации технологических процессов используются несколько модулей SigmaUSB или SigmaWiFi: в этом случае количество измерительных каналов может достигать 128. Для подключения такого количества датчиков используются клеммные модули (рисунки 5.3 и 5.4). Для интеграции тензоизмерительной системы в уже существующий процесс возможна установка модулей на DIN-рейку.



Рисунок 5.3 - Клеммные модули для интеграции тензоизмерительной системы



Рисунок 5.4 - Клеммные модули для интеграции тензоизмерительной системы

Для контроля и управления процессами используется цифровой вход/выход модуля SigmaUSB или SigmaWiFi. Например, при превышении давления в контролируемой точке исследуемого объекта, с цифрового выхода на исполнительный механизм подается сигнал, что приводит к его срабатыванию и, например, к открытию спускового клапана. При нормализации давления сигнал с цифрового выхода выключается и продолжается нормальное функционирование системы. Порограммы (уставки) срабатывания цифрового входа и выхода устанавливаются оператором. Контроль измеряемых параметров и алгоритмы срабатывания уставок могут быть различными. Весь процесс измерения параметров, срабатывания уставок и возникновение нештатных ситуаций отображается на экране в реальном времени и протоколируется для дальнейшего анализа и хранения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В данной курсовой работе был проведен обзор существующих методов измерения давления и их сравнительный анализ. Был подробно рассмотрен физический принцип тензорезистивного метода преобразования давления. И на основании всего этого можно установить, что тензорезистивные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками. К их достоинствам относятся:

1 Высокая спень защиты от агрессивной среды ;

2 Высокий предел рабочей температуры ;

3 Налажено серийное производство ;

4 Низкая стоимость.

К недостаткам тензорезистивных датчиков следует отнести:

1 Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики ;

2 Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры .

Список использованной литературы


  1. Гуртовцев А. Измерение давления в автоматизированных системах// Журнал “Современные технологии автоматизации”. 2001. №4. – c. 76-89.

  2. Абрамов А. Тензометрические датчики// Журнал ''Электроника''. 2008. №2.- c. 34 – 35.

  3. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин.1983,М.: Мир ,105 с

  4. Бриндли К. Измерительные преобразователи.1991,М., 353 с.

  5. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение.1989,М.: Мир,100 с.






Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации