Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы Анемометр

Действие
измерительных
тензопреобразователей основано
на изменении электрического сопротивления
чувствительного элемента (например,
проволоки или ленты из тензочувствительного
материала) при его деформации. Обычно
они используются а качестве передающих
преобразователей для измерения деформаций
элементов конструкций или чувствительных
элементов первичных приборов. Так,
тензопреобразователи могут быть
использованы для дистанционного
измерения давления, если их механически
соединить с манометрической пружиной
или мембраной, которые деформируются
под действием давления.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рис. 15. Схема
устройства тензопреобразователей: а —
проволочного; б — фольгового

Основными требованиями
к тензочувствительным материалам
являются стабильность характеристик,
малый температурный коэффициент
электрического сопротивления, высокая
чувстительность. Обычно в качестве
материалов используются константан,
сплавы меди и никеля, никеля и хрома и
т. д.

Наряду с металлическими
тензопреобразователямн находят
применение и полупроводниковые. Последние
обладают более высокой тензочувствительностью
по сравнению с металлическими, малыми
размерами и массой. В качестве примера
их использования можно указать на
приборы давления.

По
устройству металлические тензопреобразователи
подразделяются на наклеиваемые и
ненаклеиваемые. Наибольшее распространение
получили наклеиваемые тензорезисторы,
которые выполняются из зигзагообразно
уложенной и приклеенной клеем на подложку
1
(из бумаги или пластмассы) проволоки 2
диаметром
0,01— 0,05 мм (рис.15
). К концам проволоки приварены выводные
проводники 3
диаметром
0,5 мм. На рис. 15, б показано устройство
фольгового тензопреобразователя. Эти
преобразователи изготавливаются из
металлической фольги толщиной 0,001—
0,01 мм вытравливанием.

Тензопреобразователь
наклеивается на деформирующийся элемент,
при деформации которого изменяются
размеры и электрическое сопротивление
проволоки, причем это изменение зависит
от степени деформации. Изменение
сопротивления обычно измеряется с
помощью мостовой схемы. Относительное
изменение сопротивления тензопреобразователей
невелико (например, для металлических
оно не превышает 1 %), поэтому температурный
коэффициент материала проволоки должен
быть близким к нулю. Кроме того, для
уменьшения влияния температуры
применяются специальные схемы
термокомпенсации.

МЕТОДЫ
И
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ
ДАВЛЕНИЙ

Общие сведения

Давление относится
к числу распространенных измеряемых
физических величин. Контроль за
протеканием большинства технологических
процессов в тепловой и атомной энергетике,
металлургии, химии связан с измерением
давления или разности давлений газовых
и жидких сред.

Давление
является широким понятием, характеризующим
нормально распределенную силу, действующую
со стороны одного тела на единицу
поверхности другого. Если действующая
среда — жидкость или газ, то давление,
характеризуя внутреннюю энергию среды,
является одним из основных параметров
состояния. Единицей измерения давления
в системе СИ является паскаль (Па),
который равен давлению, создаваемому
силой в один ньютон, действующей на
площадь в один квадратный метр (Н/м2).
Широко применяются кратные единицы кПа
и МПа. Допускается использование таких
единиц, как килограмм-сила на квадратный
сантиметр (кгс/см2)
и квадратный метр (кгс/м2),
последняя численно равна миллиметру
водяного столба (мм. вод. ст.). В табл. 1
приведены перечисленные единицы давления
и соотношения между ними.

Воспроизведение
единицы измерения давления с наивысшей
точностью в области избыточных давлений

Тензопреобразователь давления принцип работы

—2,5
108
Па осуществляется государственным
первичным эталоном, включающим
грузопоршневые манометры, специальный
набор мер массы и установку для поддержания
давления. Для воспроизведения единицы
давления вне указанного диапазона от

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Па и от

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

104
Па используются специальные эталоны.
Передача единицы измерения давления
от эталонов рабочим средствам измерения
осуществляется многоступенчато: от
первичного и специальных эталонов
вторичным эталонам, затем последовательно
образцовым средствам с первого по
четвертый разряды включительно и затем
рабочим средствам измерения.

Таблица 1. Единицы
измерения давления

Тензопреобразователь давления принцип работы

Последовательность
и точность передачи единицы измерения
давления от эталонов к рабочим средствам
с указанием способов поверки и сравнения
показаний определяются общегосударственными
поверочными схемами (ГОСТ 8.017-79, 8.094-73,
8.107-74, 8.187-76, 8.223-76). Поскольку на каждой
ступени передачи единицы измерения
погрешности возрастают в 2,5— 5 раз,
соотношение между погрешностями рабочих
средств измерения давления и первичного
эталона составляет

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

понимают
полное давление, которое равно сумме
атмосферного давления рат
и избыточного

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Понятие
вакуумметрического
давления вводится
при измерении давления ниже атмосферного:

Тензопреобразователь давления принцип работы

Средства
измерения, предназначенные для измерения
давления и разности давлении, называются
манометрами.
Последние
подразделяются на барометры,
манометры избыточного давления,
вакуумметры и манометры абсолютного
давления в
зависимости от измеряемого ими
соответственно атмосферного, избыточного,
вакуумметрического и абсолютного
давлений. Манометры, предназначенные
для измерения давления или разрежения
в диапазоне до 40 кПа (0,4 кгс/см2),
называются напоромерами
и тягомерами. Тягонапоромеры
имеют двустороннюю шкалу с пределами
измерения до±20кПа (±0,2 кгс/см2).
Дифференциальные манометры применяются
для измерения разности давлений.

В зависимости от
принципа, используемого для преобразования
силового воздействия давления на
чувствительный элемент в показания или
пропорциональные изменения другой
физической величины, средства измерения
давления разделяются на жидкостные,
деформационные, грузопоршневые,
электрические, ионизационные и тепловые.

Устройство
перечисленных приборов давления
разнообразно. Среди них можно выделить
пять основных групп общепромышленных
измерительных приборов и преобразователей
ГСП: механические, с
дифференциально-трансформаторными
преобразователями, с компенсацией
магнитных потоков, с силовой компенсацией
и с тензопреобразователями («Сапфир-22»).
Каждая из групп при обшей элементной
базе и установочных размерах обеспечивает
измерение и преобразование давления в
унифицированный сигнал в пределах,
регламентируемых ГОСТ 18140-77, 2405-72, 2648-78
и указанных в табл. 2. Для перехода от
МПа к кгс/см2
и от кПа к кгс/м2
члены соответствующих рядов умножаются
на

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Таблица
2. Пределы
измерения приборов давления

Тензопреобразователь давления принцип работы

Соседние файлы в папке ЛабораторныеРаботы

Тензометрические измерительные преобразователи

Тензометрический
измерительный преобразователь –
параметрический резистивный
преобразователь, который преобразует
деформацию твердого тела, вызванную
приложенным к нему механическим
напряжением, в электрический сигнал.

Тензопреобразователь давления принцип работы

езистивный
тензодатчик представляет собой основание
с закрепленным на нем чувствительным
элементом. Принцип измерения деформаций
с помощью тензометрического преобразователя
состоит в том, что при деформации
изменяется активное сопротивление
тензорезистора. Эффект изменения
удельного сопротивления металлического
проводника под действием всестороннего
сжатия (гидростатического давления)
был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином
и в 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде
тензометрический измерительный
преобразователь конструктивно
представляет собой тензорезистор,
чувствительный элемент которого выполнен
из тензочувствительного материала
(проволоки, фольги и др.), закрепленный
с помощью связующего (клея, цемента) на
исследуемой детали (Рисунок 1). Для
присоединения чувствительного элемента
в электрическую цепь в тензорезисторе
имеются выводные проводники. Некоторые
конструкции тензорезисторов для удобства
установки имеют подложку, расположенную
между чувствительным элементом и
исследуемой деталью, а также защитный
элемент, расположенный поверх
чувствительного элемента.

При всем многообразии
задач, решаемых с помощью тензометрических
измерительных преобразователей, можно
выделить две основные области их
использования:

– исследования
физических свойств материалов, деформаций
и напряжений в деталях и конструкциях;

– применение
тензодатчиков для измерения механических
величин, преобразуемых в деформацию
упругого элемента.

Во втором случае
датчики градуируются по измеряемой
величине и погрешности измерений лежат
в диапазоне 0,5-0,05%.

Наиболее
ярким примером использования тензометров
являются весы. Тензометрическими
датчиками оснащены весы большинства
российских и зарубежных производителей
весов. Весы на тензодатчиках применяются
в различных отраслях промышленности:
цветная и черная металлургии, химическая,
строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип
действия электронных весов сводится к
измерению силы веса, воздействующей на
тензодатчик, посредством преобразования
возникающих изменений, например
деформации, в пропорциональный выходной
электрический сигнал.

Широкое
распространение тензодатчиков объясняется
целым рядом их досчтоинств:

– малые
габариты и вес;

– малоинерционость,
что позволяет применять тензодатчики
как при статических, так и при динамических
измерениях;

– позволяют
дистанционно и во многих точках проводить
измерения;

– способ установки
их на исследуемую деталь не требует
сложных приспособлений и не искажает
поле деформаций исследуемой детали.

Про анемометры:  Проверка эффективности вентиляции – нормы воздухообмена

А
их недостаток, заключающейся в
температурной чувствительности, можно
в большинстве случаев скомпенсировать.

Типы
преобразователей и их конструктивные
особенности

В
основе работы тензопреобразователей
лежит явление тензоэффекта, заключающееся
в изменении активного сопротивления
проводников при их механической
деформации. Характеристикой тензоэффекта
материала является коэффициент
относительной тензочувствительности
К, определяемый как отношение изменения
сопротивления к изменению длины
проводника:

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

При
деформации твердых тел изменение их
длины связано с изменением объема, кроме
того, изменяются и их свойства, в частности
величина удельного сопротивления

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

)
характеризует изменение сопротивления,
связанное с изменением геометрических
размеров (длины и сечения) проводника,
а

Тензопреобразователь давления принцип работы


изменение удельного сопротивления
материала, связанное с изменением его
физических свойств.

Если
при изготовлении тензопреобразователя
использованы полупроводниковые
материалы, то чувствительность
определяется в основном изменением
свойств материала решетки при ее
деформации, и K
 m
и может меняться
для различных материалов от 40 до 200.

Все
существующие преобразователи можно
разделить на три основных типа:

Проволочные
тензодатчик в
технике измерений неэлектрических
величин используются по двум направлениям.

Первое
направление – использование тензоэффекта
проводника, находящегося в состоянии
объемного сжатия, когда естественной
входной величиной преобразователя
является давление окружающего его газа
или жидкости. В этом случае преобразователь
представляет собой катушку провода
(обычно манганинового), помещенную в
область измеряемого давления (жидкости
или газа). Выходной величиной преобразователя
является изменение его активного
сопротивления.

Второе
направление – использование тензоэфффекта
растягиваемой проволоки из
тензочувствительного материала. При
этом тензопреобразоатели применяются
в виде “свободных” преобразователей
и в виде наклеиваемых.

“Свободные”
тензопреобразователи выполняются в
виде одной или ряда проволок, закрепленных
по концам между подвижной и неподвижной
деталями, и, как правило, выполняющих
одновременно роль упругого элемента.
Естественной входной величиной таких
преобразователей является весьма малое
перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее
распространенного типа наклеиваемого
проволочного тензодатчика изображено
на рисунке 2.1. На полоску тонкой бумаги
или лаковую пленку наклеивается уложенная
зигзагообразно тонкая проволока
диаметром 0,02-0,05 мм. К концам проволоки
присоединяются выводные медные
проводники. Сверху преобразователь
покрывается слоем лака, а иногда
заклеивается бумагой или фетром.

Датчик
обычно устанавливается так, чтобы его
наиболее длинная сторона была ориентирована
в направлении измеряемой силы. Такой
преобразователь, будучи приклееным к
испытуемой детали, воспринимает
деформации ее поверхностного слоя.
Таким образом, естественной входной
величиной наклеиваемого преобразователя
является деформация поверхностного
слоя детали, на которую он наклеен, а
выходной- изменение сопротивления
преобразователя, пропорциональное этой
деформации. Обычно
наклеиваемые датчики используются
много чаще ненаклеиваемых.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок
2.1- Наклеиваемый проволочный
тензопреобразователь: 1- тензочувствительная
проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая
или бумажная подложка; 4- выводные
проводники

Измерительной базой
преобразователя является длина детали,
занимаемая проволокой. Наиболее часто
используются преобразователи с базами
5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 –
500 ом.

Кроме
наиболее распространенной петлевой
конструкции проволочных тензодатчиков,
существуют и другие. При необходимости
уменьшения измерительной базы
преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют
витковым способом, который заключается
в том, что на оправке круглого сечения
на трубку из тонкой бумаги наматыается
спираль из тензочувствительной проволоки.
Затем эта трубка проклеивается, снимается
с оправки, расплющивается и к концам
проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо получить
от цепи с тезопреобразователем ток
большой величины, часто используют
“мощные” проволочные тензопреобразователи.
Они состоят из большого числа (до 30 –
50) параллельно соединенных проволок,
отличаются большими габаритами (длина
базы 150 – 200 мм) и дают возможность
значительно увеличить пропускаемый
через преобразователь ток (рисунок
2.2).

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок
2.2- Низкоомный («мощный») проволочный
тензопреобразователь: 1- тензочувствительная
проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая
или бумажная подложка; 4- выводной
проводник

Проволочные датчики
имеют малую поверхность связи с образцом
(основанием), что уменьшает токи утечки
при высоких температурах и дает большее
напряжение изоляции между чувствительным
элементом и образцом.

Фольговые
тензодатчики являются
наиболее популярной версией наклеиваемых
тензодатчиков. Фольговые преобразователи
представляют из себя ленту из фольги
толщиной 4 –12 мкм, на которой часть
металла выбрана травлением таким
образом, что оставшаяся его часть
образует показанную на рисунке 2.4
решетку с
выводами.

При изготовлении
такой решетки можно предусмотреть любой
рисунок решетки, что является существенным
достоинством фольговых тензопреобразователей.
На рисунке 2.4,а показан внешний вид
преобразователя из фольги, предназначенного
для измерения линейных напряженных
состояний, на рис. 2.4,в – фольговый
преобразователь, наклеиваемый на вал,
для измерения крутящих моментов, а на
рис.2.4,б – наклеиваемый на мембрану.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок
2.4- Фольговые преобразователи: 1-
подгоночные петли; 2- витки, чувствительные
к растягивающим мембрану усилиям; 3-
витки, чувствительные к сжимающим
мембрану усилиям

Серьезным
преимуществом преобразователей из
фольги является возможность увеличивать
сечение концов преобразователя;
приваривание (или припаивание) выводов
можно в этом случае осуществить
значительно надежнее, чем в преобразователях
из проволоки.

Фольговые тензодатчики
по сравнению с проволочными имеют
большее отношение площади поверхности
чувствительного элемента к площади
поперечного сечения (чувствительность)
и более стабильны при критических
температурах и длительных нагрузках.
Большая площадь поверхности и малое
поперечное сечение также обеспечивает
хороший температурный контакт
чувствительного элемента с образцом,
что уменьшает саморазогрев датчика.

В последние годы
появился еще один способ массового
изготовления приклеиваемых
тензосопротивлений, заключающийся в
вакуумной возгонке тензочувствительного
материала и последующей конденсации
его на подложку, напыляемую непосредственно
на деталь. Такие тензопреобразователи
получили название пленочных. Малая
толщина таких тензопреобразователей
(15-30 мкм) дает существенное преимущество
при измерениях деформаций в динамическом
режиме в области высоких температур,
где измерения деформации представляют
собой специализированную область
исследований.

Целый ряд пленочных
тензопреобразователей на основе висмута,
титана, кремния или германия выполняется
в виде одной проводящей полоски (рисунок
2.5). Такие
преобразователи не имеют недостатка,
заключающегося в уменьшении относительной
чувствительности преобразователя по
сравнению с чувствительностью материала,
из которого выполнен преобразователь.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок
2.5- Пленочный тензопреобразовтель:1-
тензочувствительная пленка; 2- пленка
лака; 3- выводной проводник

Тензометрический
коэффициент преобразователя, выполненного
на основе металлической пленки, равен
2-4, а его сопротивление колеблется в
диапазоне от 100 до 1000 Ом. Преобразователи,
выполненные на основе полупроводниковой
пленки, имеют коэффициент порядка
50-200, и поэтому они более чувствительны
к прикладываемому напряжению. При этом
нет необходимости использовать
усилительные схемы, поскольку выходное
напряжение полупроводникового
тензометрического моста составляет
примерно 1 В. К сожалению, сопротивление
полупроводникового преобразователя
изменяется в зависимости от прикладываемого
напряжения и является существенно
нелинейным во всем диапазоне напряжений,
а также сильно зависит от температуры.
Таким образом, хотя при работе с
тензометром на основе металлической
пленки требуется усилитель, его линейность
весьма высока, а температурный эффект
можно легко скомпенсировать.

Основные
принципы расчета преобразователей и
выбора схем их включения

Расчет
тензопреобразователей сводится к
определению при выбранных их размерах
допускаемой тензодатчиком мощности
рассеяния (а следовательно, и допустимого
значения тока при данном сопротивлении)
или наоборот – к определению размеров
тензопреобразователя, необходимых для
обеспечения заданной мощности.

Тензопреобразователь давления принцип работы

ощностьP,
рассеиваемая в тензопреобразователе,
ограничена его нагревом, вызывающим
появление повышенных значений погрешности.
Перегрев

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы


тепловое сопротивление, К/Вт;

Тензопреобразователь давления принцип работы


площадь поверхности теплоотдачи
материала тензопреобразователя,

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы


удельная тепловая нагрузка,

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

через
тензопреобразователь определяется из
соотношения

Тензопреобразователь давления принцип работы

Так,
например, для проволочных тензорезисторов
с базой длинойl,
из n
проводов в решетке с диаметром d,
изготовленных из материала с удельным
сопротивлением

Про анемометры:  3 интересных метео-гаджета для смартфонов |

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

и
допустимое значение тока

Тензопреобразователь давления принцип работы

Сопротивления
датчиков и их изменения измеряются
классическими методами, а именно: с
использованием моста Уитстона (наиболее
широко) либо с использованием
потенциометрической схемы.

Наибольшие
трудности связаны с влиянием температуры
и нелинейности.

Температура
влияет на сам датчик, вызывая изменение
собственного
сопротивления, разностное расширение,
изменение
коэффициента преобразования датчика
в случае полупроводникового элемента,
и на соединительные провода, изменяя
их сопротивление.

Важно
отметить, что температурные эффекты
обычно инерционны, им наиболее подвержены
измерения статических или медленно
меняющихся деформаций.

Проблема
нелинейности возникает практически
только для полупроводниковых
датчиков, затрагивая, с одной стороны,
мост
Уитстона, а с другой стороны — сам
датчик.

Напряжение
разбаланса моста с одним работающим
датчи­ком
имеет выражение

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

В
случае металлических датчиков

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Напротив,
в случае полупроводниковых датчиков

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Очевидно,
в последнем случае нельзя всякий раз
пренебрегать членом

Тензопреобразователь давления принцип работы

Кроме
того, за исключением случаев малых
деформаций или значительной концентрации
примесей в полупроводниках, изменение
напряжения разбаланса является функцией
деформации.

Тензопреобразователь давления принцип работы

отенциометрическая
схема,которую
применяют лишь в том случае (рисунок
3.1), когда интересуются переменной
составляющей измеряемой величины.
Напряжение

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Измерительные
схемы на основе Моста
Уитстона

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

и
постоянное балластное сопротивление

Тензопреобразователь давления принцип работы

2.
Рабочий датчик

Тензопреобразователь давления принцип работы

и эталонный (термокомпенсирующий) датчик

Тензопреобразователь давления принцип работы

3.
Два рабочих датчика,

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Для каждой группы
возможны две схемы в зависимости от
того, сформирован ли другой полумост
из балластного сопротивления

Тензопреобразователь давления принцип работы

или
же оба полумоста симметричны (одинаковые
элементы на противоположных плечах),
что удваивает, по сравнению с предыдущим
случаем, чувствительность моста.

Для примера рассмотрим
первую группу мостовых схем включения
тензопреобразователей. В первой схеме
(рисунок 3.2) используется один датчик.
Эта схема наиболее часто используется
при анализе механических напряжений.
Влияние температуры компенсируется
либо на соединительных проводах – по
трехпроводной схеме, либо на датчике –
с помощью термокомпенсиованных датчиков.

Тензопреобразователь давления принцип работы

каждого
из соединительных проводов должно быть
малым по сравнению с сопротивлением
датчика; действительно, обычно у моста,
все четыре сопротивления у которого
одинаково сбалансированы (

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

не удовлетворяется, то при вычислении
величины деформации нужно учитывать
сопротивление соединительного провода.

Третий
соединительный провод может быть
смонтирован:

а) либо последовательно
с источником (рисунок 3.2,а), и в этом
случае его сопротивление, прибавляясь
к сопротивлению источника, может повлечь
ухудшение чувствительности моста;

б) либо последовательно
с чувствительным элементом большого
входного сопротивления (рисунок 3.2,б),
но при условии, что уровень наведенных
помех пренебрежим по сравнению с
измеряемым сигналом.

Эту
схему можно построить и с полупроводниковым
датчиком, если измеряемые деформации
достаточно малы для того, чтобы мост
был линеен с требуемой точностью. В
противном случае возможно:

а) применять схему
линеаризации моста;

Тензопреобразователь давления принцип работы

)
питать датчик от источника тока

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

При повышении
температуры эта схема нуждается в
некоторой компенсации роста К с помощью
увеличения R.

в) попытаться
скомпенсировать нелинейность моста
нелинейностью датчика, имеющего в случае
кремния

Тензопреобразователь давления принцип работы

Необходимо всегда
иметь возможность вначале сбалансировать
мостовую схему для того, чтобы установить
начало отсчета. Если же деформация
(статическая) измеряется нулевым методом,
то мост нужно вновь сбалансировать
известным изменением сопротивления,
после того, как будет приложено
механическое напряжение. Итак, в общем
случае нужны два независимых устройства
балансировки сопротивлений моста. Кроме
того, в случае питания переменным током
может понадобиться добавление двух
конденсаторов для компенсации емкостей
соединительных кабелей (рисунок 3.8).

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок 3.8- Мост
Уитстона при нулевом методе измерений
– устройство балансировки

Оно
может осуществляться на постоянном или
переменном токе. Однако предпочтительнее
питание на постоянном токе, что делает
измерения не чувствительными к
индуцируемым помехам и не требует
синхронного детектирования. При этом
нужно принять все меры предосторожности,
чтобы свести к минимуму термо-э.д.с.

Измеряемый
сигнал пропорционален напряжению
питания; оно должно быть ограничено для
того, чтобы уменьшить нагрев датчика
джоулевым теплом. Для обычных значений
сопротивления датчиков используют
напряжения от 3 до 10В; при заданном
напряжении питания нагрев датчика
зависит от его теплообмена со средой,
в том числе от площади поверхности
датчика и теплопроводности материала
исследуемого образца.

При наличии
значительных помех можно существенно
увеличить измеряемый сигнал, используя
импульсное напряжение питания повышенной
амплитуды (порядка

Тензопреобразователь давления принцип работы

В),
но с малой длительностью импульса
(например, 100мкс) и с достаточно большой
скважностью, такой, чтобы нагрев при
этом был приемлемым.

Когда источник
питания удален от измерительного моста,
падение напряжения в соединительных
проводах меняется вместе с их
сопротивлением, что приводит к такому
же изменению напряжения на клеммах
моста. В этих условиях необходимо
использовать либо регулятор напряжения
на клеммах моста (рисунок 3.9,а), либо
схему измерения

отношений,
показания которой независимы от
напряжения на клеммах моста; например,
с использованием аналого-цифрового
преобразователя, опорное напряжение
которого равно пропорционально напряжению
питания моста (рисунок 3.9,б).

Тензопреобразователь давления принцип работы

Снижение
чувствительности, вызванное уменьшением
К при повышении температуры (главным
образом, у полупроводниковых датчиков),
можно скомпенсировать соответственным
увеличением напряжения на клеммах
питаемой диагонали моста. С этой целью
последовательно с источником питания
помещают терморезистор, шунтированный
стабильным сопротивлением; они выбираются
так, чтобы при повышении температуры
возрастание напряжения на выходе моста
компенсировало – обычно в ограниченном
интервале температур – снижение К
(рисунок 3.10).

Пример
построения измерительной системы

Кроме
моста Уитстона, система (рисунок 3.11)
содержит:

-питание с регулировкой
напряжения на клеммах моста;

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Датчики давления
в которых в качестве чувствительного
элемента используются металлические
или полупроводниковые тензорезисторы
называют тензометрическими. Тензометрический
датчик измеряет силу косвенным методом
– путем измерения деформации калиброванного
элемента, вызванной действием данной
силы. Для измерения давления можно
конвертировать его упругим элементом
в силу, а затем измерить её тензометрическим
методом. Существуют полупроводниковые
и металлические тензодатчики.

Полупроводниковые
тензодатчики
используют пьезо- резистивный эффект
– изменение удельного электрического
сопротивления при механических
напряжениях. Они обладают в 30–70 раз
большей чувствительностью чем
металлические, но имеют слишком большой
температурный коэффициент сопротивления
и высокую нелинейность функции
преобразования. Их используют в условиях,
где вариации температуры малы, важна
величина чувствительности и не требуется
высокой точности измерений (погрешность
на уровне нескольких процентов).

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

– относительное
изменение длины ПТ; Е
– модуль
продольной упругости материала ПТ.
Коэффициент тензочувствительности у
ПТ высок (более 150). У приклеенных на
упругий элемент тензорезисторов
коэффициент меньше, чем у тензорезисторов
в свободном состоянии, за счет влияния
переходного слоя клея.

Большинство
выпускаемых ПТ изготовляют из кремния.
Кристаллы ПТ, используемых на практике,
обычно легируются до величины удельного
сопротивления от 0.02 до 0.2 Ом*см. Пластину
ПТ вырезают из монокристалла кремния,
шлифуют и затем вытравливают до получения
необходимой толщины (0.03 – 0.05 мм) или
получают вытягиванием из переохлажденного
полупроводникового расплава (дендриды
германия и кремния).

ПТ можно также
получать кристаллизацией из паров
кремния, при этом они приобретают
нитевидную форму.

Полупроводниковые
тензодатчики давления чувствительны
к ударам, вибрациям, ядерной радиации
и другим внешним воздействиям, однако
основным фактором, вызывающим погрешности
в измерениях давления, является изменение
температуры окружающей среды, что
ограничивает их применение на борту
самолета.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

.
(5.6)

и в линеаризованном
виде:

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

– соответственно чувствительность
датчика по давлению и температуре.

Линеаризация
допустима, поскольку статические
характеристики датчиков линейны в
пределах ± 1.5 % верхнего предела измерений.
Температурные характеристики датчиков
должны представляться в виде двух
зависимостей:

Про анемометры:  Система зажигания в автомобиле ГАЗ 3307, основные неисправности и ремонт

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

Металлический
тензодатчик
представляет собой основание с
закрепленным на нем резистивным
элементом. Измеряемое давление
преобразуется в силу с помощью упругого
элемента. Под действием силы основание
с закрепленным элементом изменяет свои
размеры (сжимается или растягивается),
и тензорезистор, под действием
механического напряжения изменяет свое
сопротивление. Сила,воздействуя на
проволочку (площадью сечения А, длиной
L,
с удельным сопротивлением ρ ), вызовет
удлинение или сжатие последней, что
приведет к пропорциональному увеличению
или уменьшению ее сопротивления:

Тензопреобразователь давления принцип работы

Тензопреобразователь давления принцип работы

где S
– характеризует тензочувствительность
(значение 2.0..4.5 для металлов),

Тензопреобразователь давления принцип работы

– относительное изменение длины
проволочки.

Наклеиваемый
тензодатчик состоит из тонкой проволочки
или проводящей фольги, закрепленной на
плоской пластине. Эта конструкция затем
приклеивается на основание. Датчик
обычно устанавливается так, чтобы его
наиболее длинная сторона была ориентирована
в направлении измеряемой силы. Такие
датчики характеризуются малой площадью
поверхности, малой утечкой, высокой
изоляцией.

Фольговые датчики
являются наиболее популярной версией
наклеиваемых тензодатчиков. Они
изготавливаются методом фототравления
и используют те же металлы, что и
проволочные датчики (константан,
нихром, сплав никеля с железом и т. д.).
Металлофольговый тензодатчик
характеризуется большой площадью,
стабильностью в диапазоне температур,
малым поперечным сечением, хорошим
рассеиванием тепла.

Проволочные датчики
имеют малую поверхность связи с
основанием, что уменьшает токи утечки
при высоких температурах и дает большее
напряжение изоляции между чувствительным
элементом и основанием. С другой стороны,
фольговые чувствительные элементы
имеют большое отношение площади
поверхности к площади поперечного
сечения (чувствительность) и более
стабильны при критических температурах
и длительных нагрузках. Большая площадь
поверхности и малое поперечное сечение
также обеспечивают хороший температурный
контакт чувствительного элемента с
основанием, что уменьшает саморазогрев
датчика.

Соседние файлы в папке книга посл.редакция

Тензодатчики – это измерительные устройства, изменяющие свое электросопротивление через механическую деформацию. Они используются в различных измерительных приборах, например, в весах, а также датчиках давления.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок 1: деформация тензодатчика под давлением

Работа датчиков давления основана на нескольких физических переменных, среди которых индуктивность, емкость, пьезоэлектричество. Однако основным физическим свойством в работе датчиков давления является электрическое сопротивление, возникающее при деформации металла или пьезорезистивном эффекте полупроводниковых тензодатчиков. Давление определяется механической деформацией, при которой тензодатчики крепятся к эластичному держателю. Здесь важно, чтобы тензодатчики могли следовать за движениями этого держателя. Когда на него действует давление, возникающая деформация измененяет поперечное сечение дорожек проводника, что в свою очередь вызывает сдвиг электрического сопротивления. Именно это изменение электрического сопротивления регистрирует датчик давления и по нему затем можно определить давление.

В результате деформации проводника изменится его длина (Δl). А поскольку его объем остается неизменным, меняются сечение и сопротивление R: ΔR/R = k • Δl/l

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рис. 2 Измерение сопротивления

Изменение сопротивления (ΔR) пропорционально изменению длины (Δl), а коэффициент пропорциональности (k) будет зависеть как от геометрии, так и от свойств материала. Например, для металлических проводников k=2, но коэффициент также может быть очень высоким в полупроводниках. Из-за относительно высоких «k-факторов» полупроводники более чувствительны и могут измерять даже малейшие изменения давления. Однако вместе с этим увеличивается и их температурная зависимость.

Изменение сопротивления в металлических тензометрических датчиках обусловлено изменением размеров (геометрии). Однако в полупроводниковых тензометрических датчиках это изменение связано с изменением кристаллической структуры (пьезорезистивный эффект ).

Оценка изменения сопротивления, вызванного деформацией из-за давления, затем осуществляется по мостовой схеме. Для этого тензодатчики соединяются, чтобы сформировать мост Уитстона (рис. 2). Два из них расположены в радиальном направлении, а два ― в тангенциальном. Таким образом, два растягиваются, а два сжимаются при деформации. Чтобы компенсировать температурные эффекты и получить максимально линейный сигнал, важно чтобы тензодатчики имели одинаковое сопротивление и были расположены геометрически точно.

Металлические тензодатчики

Среди металлических тензодатчиков различаются варианты с использованием фольги и тонкопленочные.

Фольговые тензодатчики состоят из рулонной фольги толщиной всего несколько микрон. В качестве материала обычно используется константан, но может применяться также Karma и Modco, особенно если требуется больший температурный диапазон или способность работать при температуре ниже -150°C. Константан имеет очень низкий «k-фактор» (2,05) и поэтому не очень чувствителен. Материал демонстрирует пониженную температурную зависимость, поэтому чаще всего используется в фольговых тензодатчиках.

Фольговые тензодатчики зачастую недостаточно чувствительны, поскольку не могут регистрировать значения менее одного бара. Их температурный диапазон также относительно ограничен, и, в зависимости от версии, не допускается превышение температуры выше 80°C.

Тонкопленочные тензодатчики изготавливаются по так называемой тонкопленочной технологии, например, путем осаждения из паров или напыления. Процесс производства здесь более сложный и более дорогой, чем в случае с фольгой. Но с другой стороны, возможен температурный диапазон 170 °С, и долговременная стабильность впечатляет.

Металлические тонкопленочные тензодатчики долго работают стабильно, но и стоят довольно дорого. Чем ниже давление, с которым предстоит работать, тем выше будет стоимость изготовления прибора. Давление менее 6 бар можно определять только с низкой точностью.

В полупроводниковых материалах пьезорезистивный эффект примерно в 50 раз более выражен, чем у металлических тензодатчиков. Полупроводниковые тензодатчики либо приклеиваются к плате, либо наносятся непосредственно на нее напылением. Последний способ обеспечивает интенсивное склеивание и гарантирует свободу от гистерезиса, устойчивость к старению и температурную стабильность. Хотя пьезорезистивный эффект не является исключительным для полупроводникового тензометрического датчика, термин «пьезорезистивный датчик давления» стал использоваться для инструментов, в которых упругая структура деформируется под давлением, и все резисторы объединены в одну микросхему. Пьезорезистивные датчики давления могут быть небольших размеров и без каких-либо подвижных частей (кроме мембраны). Их производство основано на обычных методах изготовления полупроводников. В то же время, существует возможность интеграции резисторов с эластичной мембраной, которая деформируется под давлением на чип. Таким образом, возможно производить измерительную ячейку только размером с чип.

Пьезо-тонкопленочные тензодатчики прикреплены к кремниевой плате и отделены от нее изолирующим слоем. Это увеличивает стоимость, но прибор может работать в диапазоне от -30 °C до +200 °C. Благодаря высокоэластичным свойствам кремния, гистерезис будет низким. Благодаря высокому «k-фактору» достигается высокая чувствительность, поэтому пьезорезистивные датчики давления являются лучшим выбором для наименьших диапазонов давления по шкале мбар. А возможность изготовления компактных приборов еще больше расширяет возможности их применения. Радуют их долговременная стабильность и совместимость с ЭМС (последнее зависит от материала держателя). Однако температурная компенсация потребует немного больше усилий.

Толстопленочные тензометры напечатаны на керамических или металлических мембранах. При толщине 20 микрон они в 1000 раз толще тонкопленочных тензодатчиков. Их производство значительно дешевле, но они не гарантируют долговременную стабильность из-за старения толстой пленки.

Итоги: Тип используемого тензодатчика оказывает большое влияние на измерительный прибор. В выборе правильного датчика давления важную роль играют цена, точность и долговременная стабильность. По нашему опыту, датчики давления с пьезопленочными тонкопленочными тензометрами оказались наиболее эффективными, поскольку благодаря своей чувствительности они могут регистрировать широкие диапазоны давления с высокой точностью, а также демонстрируют хорошую долговременную стабильность.

Тензопреобразователь давления принцип работы

Рисунок 3: пьезорезистивное измерительное устройство

Работа полупроводниковых тензодатчиков основана на пьезорезистивном эффекте. В большинстве случаев их изготавливают из кремния. Полупроводниковые тензометры обладают большей чувствительностью по сравнению с металлическими. Обычно они отделяются от среды разделительной мембраной, причем давление передается через проводящую жидкость.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий