Tензорезистивные датчики

Датчики физических величин, чувствительный элемент которых основан на применении тензорезисторов, называются тензорезистивными датчиками.

Датчик силы. При измерении силы с помощью тензорезистивных датчиков выполняется цепочка взаимнооднозначных преобразований,  показанная  на рис. 61. Применение полупроводниковой микротехнологии позволяет в корпусе датчика разместить измерительный мост, а в некоторых случаях и усилитель и даже АЦП.

На основе тензорезисторов создаются датчики силы с пределами измерений от долей грамма до десятков тонн. Пределы измерений определяются жесткостью W упругого элемента, который преобразует измеряемую силу в деформацию этого элемента. Последующие преобразования очевидны.

На рис. 62 приведены два примера датчиков силы, в которых используются не рассмотренные ранее комбинации упругих элементов с тензорезисторами. В любом датчике силы на конструктивном элементе, воспринимающем силу, должна быть предусмотрена выпуклость, которая фиксирует точку приложения силы. В датчиках, предназначенных для применения в весоизмерительных системах, важно обеспечить независимость результата измерения от расположения взвешиваемого изделия (продукта) на платформе, где это изделие размещается. Указанная независимость может достигаться иными методами: установкой нескольких датчиков и последующей математической обработкой результатов.

На первом примере (рис. 62 а) показан в разрезе круглый датчик, упругим элементом которого является верхняя мембрана, на которой с внутренней стороны наклеен фольговый или полупроводниковый тензорезистивный элемент, показанный на рис. 62 б. Этот элемент представляет собой полный мост с возможностью подключения к нему внешнего сопротивления R, предназначенного для уравновешивания моста при отсутствии деформации. При воздействии на датчик силы F тензорезисторы  и  сжимаются, а тензорезисторы  и  растягиваются. Эти тензорезисторы включаются в мост так, как показано на рис. 60 в и 62 г. Относительная деформация e  преобразуется в напряжение измерительной диагонали моста по формуле

.

Полупроводниковые мембраны подобной конструкции изготавливаются в одном кристалле на подложке толщиной несколько микрометров и диаметром до 1 см.

Вторая конструкция упругого элемента, представленная на рис. 62 в, требует иной схемы включения тензорезисторов в мост. Этот упругий элемент под действием измеряемой силы претерпевает только сжатие. В направлении деформации сжатия на упругом элементе установлены тензорезисторы  и , которые включены в мост, как показано на рис. 62 д. Вторая пара тензорезисторов  и  установлены перпендикулярно основным тензорезисторам и применяются для коррекции температурных погрешностей, как это было указано выше, в п. 7.2. Положим, что в отсутствии воздействия измеряемой силы сопротивления всех тензорезисторов равны, а входное сопротивление усилителя значительно больше этих сопротивлений. Тогда напряжение в измерительной диагонали такого моста равно

.

В случае, когда применяемые тензорезисторы фольговые и , нелинейность преобразования составит не более 1%. При использовании в таких датчиках полупроводниковых тензорезисторов, для которых  нелинейность преобразования составит всего 0.1%.

Наиболее точным средством измерения силы, построенным на основе тензорезистивных датчиков, являются электронные весы фирмы "Сарториус" со встроенным микропроцессором. В этих весах тензорезисторы используются в качестве первого звена цепи отрицательной обратной связи, с помощью которой взвешиваемый груз компенсируется силой, создаваемой магнитоэлектрическим устройством. Погрешность весов не превышает 0.001%. При метрологических испытаниях и применении в микропроцессор вводится значение плотности окружающего воздуха с целью исключения погрешности, вызываемой силой выталкивания взвешиваемого предмета воздухом в соответствии с известным законом Архимеда. Среди весов, выпускаемых фирмой "Сарториус", отметим весы SC2 (предел измерения 2.1 г, разрешающая способность 0.1 мкг) и весы МС5 (предел измерения 5.1 г, разрешающая способность 1 мкг).

Среди изготовителей датчиков силы отметим германскую фирму "Messtechnik", которая выпускает датчики силы с пределами измерения от от 5 Н до 50 Н, от 50 Н до 1000 Н, от 100 Н до 10000 Н и от 5000 Н до 500000 Н. Погрешность датчиков - от 0.02% до 0.03%. Та же фирма выпускает датчики силы для взвешивания цистерн, бункеров и тому подобного с верхним пределом измерения до 5000000 Н.

Датчики ускорения. В этих датчиках измеряемое ускорение преобразуется в силу за счет использования силы инерции, действующей на тело с точно известной массой m: , где  - ускорение датчика. Цепочка измерительных преобразований, выполняемых с участием тензорезистивных датчиков, представлена на рис. 63.

Некоторые из возможных вариантов установки на упругий элемент тела с массой m и размещения на нем тензорезисторов показаны на рис. 64. Наибольшей чувствительностью из приведенных вариантов будет обладать датчик, у

которого тело с массой m прикреплено на конце упругого элемента в виде консольной балки. Рабочие тензорезисторы обозначены здесь, как , а тензо-

резисторы  установлены для компенсации температурных погрешностей,

и их сопротивление не зависит от ускорения. Схема  включения тензорезисторов в мост - по схеме рис. 60 б, формула для напряжения в диагонали - для схемы "половина моста".

Менее чувствительным будет датчик ускорения, у которого тело массы m и тензорезисторы установлены на гибкий элемент в соответствии с рис. 64 б. Тензорезисторы включаются в схему "целого моста" в соответствии с рис. 64 в.

И наконец, наименьшей чувствительностью будет обладать датчик ускорения, гибкий элемент которого работает на сжатие и растяжение (рис. 64 г). Тензорезисторы такого датчика включаются по схеме рис. 62 г.

Повышения чувствительности тензорезистивных датчиков ускорения можно добиться, используя импульсное питание моста, синхронизированное с моментами измерения (см. также п. 7.2).

В датчиках ускорения значения массы и жесткости упругого элемента подбирают в соответствии с требуемой чувствительностью. Если же необходимо построить датчик виброускорений или если датчик ускорений должен работать в заданной области частот, то масса и жесткость упругого элемента должны обеспечивать такую частоту собственных свободных колебаний, чтобы она была существенно выше верхней границы частотного спектра измеряемых ускорений. Выполнение этого условия позволит обеспечить равномерную амплитудно-частотную характеристику датчика во всей заданной области частот.

Широкую номенклатуру датчики ускорения выпускает фирма Burster (Германия). Для их создания использованы полупроводниковые тензорезисторы, которые иногда называются пьезорезисторами. Датчики отличаются диапазонами измерения, характеристиками погрешности, габаритами и присоединительными размерами. Предел допускаемой погрешности не превышает 1%. Масса датчиков менее 3 г., габаритные размеры менее 10´10´10 мм.

Для метрологических испытаний датчиков вибрационного ускорения применяются вибростенды, которые воспроизводят гармонические вибрации с регулируемой частотой и амплитудой.

Постоянное ускорение в течение всего времени эксперимента воспроизводят на центрифуге, скорость вращения которой и расстояние от центра вращения до датчика известны с высокой точностью. На чувствительный элемент датчика в этом случае действует центробежное ускорение. В качестве государственного эталона переменных ускорений используется двойная центрифуга.

Датчики давления. В тензорезистивных датчиках давления жидкости или газа измеряемое давление преобразуется в силу с помощью поршня или мембраны, площадь которых известна с высокой точностью. Цепочка измерительных преобразований, выполняемых при измерениях давления с участием тензорезистивных датчиков, показана на рис. 65.

Датчики давления подразделяются на датчики абсолютного давления, датчики избыточного давления (по сравнению с атмосферным) и датчики разности давлений. Внутренняя камера всех этих датчиков герметично делится упругой или мягкой мембраной на две полости, как показано на рис. 66.

В полости 2 датчика абсолютного давления (рис. 66 а) создается вакуум. На этом рисунке представлен вариант, когда упругим элементом является мембрана, на которой с помощью полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы ТР в соответствии с рис. 62 б. Эти тензорезисторы расположены на той стороне мембраны, которая находится в полости 2 и не подвергается воздействию среды, которая может быть агрессивной. Площадь и жесткость этой мембраны должны быть известны с высокой точностью ибо в этом случае мембрана выполняет два преобразования: преобразование давления в силу через площадь мембраны и преобразование силы в деформацию тензорезисторов.

В датчике избыточного давления упругим элементом может служить такая же мембрана, тензорезисторы которой защищены от атмосферы лаковыми покрытиями. Но на рис. 66 б представлен вариант, когда от воздействия агрессивных компонентов той и другой среды мембрана с тензорезисторами, обладающая известной жесткостью, защищена герметичными плоскими мембранами, жесткость которых равна нулю. Эти мембраны выполняют преобразование давления в силу, которая затем преобразуется упругой мембраной с тензорезисторами.

Еще один вариант защиты от агрессивных сред представлен на рис. 61 в. С помощью такого датчика измеряется разность давлений в потоке жидкости или газа на участке трубопровода, где находится диафрагма, сужающая поток. Разность давлений до и после диафрагмы возникает из-за сопротивления, которое оказывает диафрагма потоку, и эта разность пропорциональна квадрату скорости потока или расходу движущейся среды. Среда может быть агрессивной, и здесь защита от нее является обязательной. В качестве средства защиты на этом рисунке представлены поршни, которые одновременно являются преобразователями давления в силу. Сила, которую они воспринимают, передается

на мембрану посредством штоков.

Во всех трех случаях через ТР обозначены фольговые или полупроводниковые тензорезисторы, сформированные на мембранах в соответствии с рис. 62 в.

Тензорезистивные датчики давления всех трех видов находят широкое применение на таких объектах, как электростанции, котельные, испытательные стенды энергоагрегатов. Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура тензорезистивных датчиков давления типов САПФИР-22 и МЕТРАН-22. Диапазоны измеряемых давлений и разности давлений этих датчиков от десятков кПа до 10 МПа и выше. Погрешность датчиков 0.5% и 0.25%. В корпусе датчиков смонтированы тензомосты и вторичные преобразователи.  Выходным  сигналом  этих  датчиков является постоянный ток силой (0 ¸ 5) мА, (0 ¸ 20) мА и (4 ¸ 20) мА. Выходные сигналы зарубежных тензорезистивных датчиков давления промышленного применения изменяются в тех же пределах.

Погрешность лучших тензорезистивных датчиков давления фирмы Fluke и Motorola (США), Rosemount и Druck (Германия), Метран (Россия, г. Челябинск), завод "Манометр" (г. Москва) и других достигает 0.05%. На основе подобных датчиков фирмы выпускают семейство калибраторов давления с той же погрешностью. В этих датчиках преобразование давления в силу и силы в деформацию осуществляется с помощью упругих элементов типа мембран (рис. 62 б), или типа балок. В датчиках применяются фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Для метрологических испытаний промышленных датчиков давления используются высокоточные датчики или специальные прессы, образцовое давление в которых создается грузами точного веса.