Тензорезисторные преобразователи давленияВ основе работы тензопреобразователей (тензорезисторов) лежит яв- ление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивле- ния проводниковых и полупроводниковых материалов при их механиче- ской деформации. По способу закрепления на чувствительных элементах датчиков они делятся на наклеиваемые и ненаклеиваемые, по конструктивному выпол- нению – на проволочные, фольговые, полупроводниковые. Проволочные тензопреобразователи (рис. 3.14) конструктивно представляют собой отрезок тонкой проволоки l (диаметром 0,02...0,05 мм), которая зигзагообразно наклеена на тонкую бумажную или пленоч- ную основу (подложку) 2. Сверху проволока также закрыта тонкой бума- гой или лаковой пленкой 3, или фетром. Для включения в измерительную схему к концам проволоки припаиваются медные выводы 4.
Рис. 3.14. Проволочный тензопреобразователь: 1 – проволока; 2 – подложка;
Измерительной базой преобразователя является длина петель решет- ки А, величина которой лежит в пределах 1,5...100 мм. Ширина решетки В равна 5...10 мм. Номинальное сопротивление 10...1000 Ом, номинальный ток – 30 мА. Фольговые тензопреобразователи (рис. 3.15) представляют собой дальнейшее развитие проволочных. В них вместо решеток из проволоки применяют решетку из фольги толщиной 0,004...0,012 мм. Рисунок решет- ки выбирают таким, чтобы можно было снизить деформации, которая в фольговых тензопреобразователях практически сводится к нулю. На рис. 3.15,а представлена типовая форма фольгового тензопреобразователя, на рис. 3.15,б – короткобазовый преобразователь, на рис. 3.15,в – для наклей- ки на круглую мембрану.
Рис. 3.15. Фольговые тензопреобразователи: а) а – типовой; б – короткобазовый; в – круговой
б)
Фольговые тензопреобразователи могут пропускать больший ток, чем проволочные, благодаря большей площади поперечного сечения про- водника при тех же размерах решетки и большей теплоотдаче, улучшаю- щей теплообмен, вследствие большей площади прилегания к деформируе- мой детали (чувствительному элементу датчика). Благодаря этому можно увеличить значение номинального тока до 0,2 А. Сопротивление фольго- вых тензопреобразователей равно 30...250 Ом. В качестве материала решеток проволочных и фольговых тензопре- образователей применяются как чистые металлы (серебро, платина, медь), так и сплавы (константан, нихром, манганин и др.). Основными достоинствами проволочных и фольговых тензопреобра- зователей являются: практически полное отсутствие их влияния на дефор- мацию детали; линейность характеристики; низкая стоимость. Основным недостатком является относительно низкий температур- ный диапазон работоспособности: от -40 до +70оС. Полупроводниковые тензопреобразователи отличаются от прово- лочных и фольговых большим (до 50%) изменением сопротивления при деформации и более высоким пределом чувствительности к температуре (в 10...20 раз). Их преимущества заключаются в более высоком (в 60 раз) коэффи- циенте тензочувствительности, малых размерах (длина базы А = 3...10 мм), больших значениях выходного сигнала. Наиболее сильно тензоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах, как германий, кремний, антимонид индия, фосфид индия, ар- сенид галлия, антимонид галлия. Для тензопреобразователей чаще приме- няют германий и кремний в виде пластин толщиной 0,03...0,2 мм, шириной 0,5...1 мм и длиной (базой) 3...15 мм. Существует несколько способов изготовления полупроводниковых тензопреобразователей: вырезание из полупроводникового монокристалла; выращивание монокристалла посредством конденсации паров; нанесение на некоторые виды подложек тонких пленок со свойствами монокристал- лов; получение диффузионным способом. Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных тензорезисторных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получи- ла технология КНС — «кремний на сапфире». Упрощенная конструкция чувствительного элемента тензопреобразователя, основанного на данной технологии, представлена на рис. 3.16. Чувствительный элемент состоит из сапфировой подложки 3, на которую диффузионным способом нанесены тензорезисторы 4 (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста Уитстона). Подложка припаяна твердым припоем 2 к титановой мембране 1.
3 Рис. 3.16. Чувствительный элемент 2 полупроводникового тензопреобразователя: 1 1 – титановая мембрана; 2 - серебросо- держащий припой; 3 – сапфировая под- ложка; 4 – тензорезисторы
Чувствительный элемент включается в общую измерительную цепь преобразователя давления, структурная схема которого представлена на рис. 3.17. Деформация измерительной мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста, состоящего из постоянных тензорезисторов R 2, R 3, R 4 и переменного R 1. В результате происходит разбаланс моста, который преобразуется электрон- ным блоком и в унифицированный выходной электрический сигнал. К преимуществам данного типа чувствительных элементов можно отнести достаточно высокий температурный диапазон работоспособности (от -160 до +1500°С), хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производ- ство, низкую стоимость.
Тензорезисторный чувстви- тельный элемент
R 1 R 2 P Источник питания
+
R 3 R 4 Электронный блок
Выходной сигнал
измерительная мембрана
Рис. 3.17. Структурная схема тензорезисторного преобразователя давления
Основными недостатками полупроводниковых тензопреобразовате- лей являются: малая гибкость, небольшая механическая прочность, нели- нейность характеристики, большой разброс характеристик однотипных преобразователей, нестабильность параметров.
10 2
7 6 Несмотря на данные недос- татки, основная масса датчиков давления в нашей стране выпус- каются на основе тензорезистор- ных чувствительных элементов. Конструкция одной из моделей такого датчика представлена на рис. 3.18. 5 Мембранный тензопреобра- зователь 3 размещен внутри осно- вания 9. Внутренний канал 4 тен- зопреобразователя заполнен крем- нийорганической жидкостью и от- Рис. 3.18. Конструкция измеритель- ного преобразователя давления:
1 – электронный блок; 2 –гермовывод; 3 – тензопреобразователь; 4 - канал; 5 – фланец; 6 - измерительная мембрана; 7 – измерительная камера; 8 – прокладка; 9 – основание; 10 – внутренняя полость. делен от измеряемой среды метал- лической гофрированной мембра- ной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмо- сферой. Измеряемое давление по- дается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопро- тивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный блок 1 по проводам через гермовывод 2.
|
-
9
