Чувствительные элементы датчиков давления

Чувствительные элементы определяются упругой характеристикой, чувствительностью, жесткостью, эффективной площадью (для мембран и сильфонов), резонансными частотами и точностью преобразования измеряемого параметра.   

Упругой характеристикой принято называть зависимость между перемещением » определенной (измерительной) точки упругого элемента и величиной нагрузки Р (давление). Конструкция, способ заделки и вид нагружения упругого элемента определяют его характеристику, которая может быть линейной и нелинейной, возрастающей или затухающей.

Нелинейностью · характеристики называют наибольшее отклонение ”max действительной характеристики (полученной экспериментально) от теоретической линейной, отнесенное к наибольшему перемещению измерительной »max точки упругого элемента, обычно выражаемое в процентах:

 

Чувствительность S упругого элемента является одним из основных его параметров и выражается отношением:

Для упругих элементов с линейной характеристикой:   

Понятие эффективной площади вводят для мембран и сильфонов:

 

где Q– сила, которую развивает мембрана или сильфон в измерительной точке под воздействием давления р.

Эффективную площадь определяют по приближенным формулам.

 

Резонансные частоты колебаний упругих элементов датчиков в значительной степени определяют их динамические характеристики и запаздывание в преобразовании измеряемого давления. В практике резонансные частоты определяют в основном экспериментальным путем.

 

  Полупроводниковые тензодатчики

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.

 

Полупроводниковые тензодатчики используют пьезорезистивный 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 приложениях где вариации температуры малы, важна величина чувствительности и не требуется высокой точности измерений (погрешность на уровне нескольких процентов).

Принцип работы полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) заключается в следующем: области энергии кристалла состоят из нескольких эквивалентных энергетических минимумов; приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации минимумов, в результате этого зарядоносители перераспределяются; так как зарядоносители обладают различной подвижностью на разных уровнях, то средняя подвижность зарядов изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления. Коэффициент тензочувствительности ПТ:

где  - 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.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: