Особенности конструкции датчика овен-пд-100-ди

Тензопреобразователи типа «кремний на сапфире»

Внешний вид тензопреобразователя на КНС приведён на рис. 1. Внутри титанового корпуса расположен чувствительный элемент, конструкция которого схематически изображена на рис.1. При изготовлении тензопреобразователя применяются совре­менные технологии и материалы, и его устройство достаточно сложно. Принцип действия тензопреобразователя следующий: под действием давления измеряемой среды сапфиро-титановая мембрана прогибается, тензорезисторы меняют своё сопротивле­ние, что приводит к разбалансу моста Уитстона (рис. 1). Разба­ланс пропорционален измеряемому давлению.

На выходной сигнал тензопреобразователя влияют различные факторы, в частности изменение температуры. Для датчика ОВЕН был выбран тензопреобразователь с заводской термокомпенса­цией, что позволило значительно упростить схемотехнику норми­рующего преобразователя и технологию изготовления датчика. Несмотря на то, что такой тензопреобразователь дороже обычных нетермокомпенсированных, в целом датчик получается дешевле и надёжнее.

Особое внимание при выборе тензопреобразователей уделялось временной стабильности выходного сигнала. Это было сделано по понятной причине: какая бы современная электроника не приме­нялась, если сенсор не стабилен во времени, то хороший датчик в принципе получить невозможно. Наши партнёры - производители тензопреобразователей - в технологическом цикле изготовления применяют искусственное старение, что повышает показатели вре­менной стабильности. Старение проводится с применением мно­гократных циклов перепада температур и перегрузок давлением. Проведённые нами испытания подтвердили, что выбранные тен-зопреобразователи имеют хорошие показатели временной ста­бильности. Этот факт, а также ряд специальных технологических мер и почти тройной запас прочности тензомодулей к перегрузкам, дают основание рассчитывать, что датчики давления ОВЕН будут обладать повышенным межповерочным интервалом.

Особенности конструкции датчика ОВЕН-ПД-100-ДИ 

Внешний вид датчика почти не отличается от большинства сов­ременных датчиков давления известных производителей. И дело здесь не в моде, а в целесообразности. Корпус и штуцер датчика  выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Базовое конструктивное исполнение штуцера имеет широко применяемую в ЖКХ метрическую резьбу М20х1,5 и выступ в виде шестигранни­ка под ключ 27. Кроме этого возможны и другие исполнения, в том числе и с дюймовой резьбой.

 

Рис. 1. Конструкция чувствительного элемента:

1 — тензочувствительная схема из кремния — мост Уитстона;

2 — сапфировая мембрана; 3 — титановая мембрана.

Конструкция штуцера предус­матривает наличие внутренней резьбы М4 в отверстии пневмо-гидравлического входа для установки гидравлического дросселя, что защищает преобразователь давления от гидроударов. Внутри корпуса размещается плата нормирующего преобразователя, выполненная с применением современных вы­соконадёжных комплектующих изделий и SMD-монтажа

Для внешних подключений предусмотрено использование сов­ременного электрического соединителя типа DIN 43650C, снис­кавшего популярность у потребителей датчиков благодаря удоб­ству и надёжности. Присоединение проводов токовой петли к его контактам не требует пайки. Для этих целей в конструкции кабельной части соединителя DIN 43650C используются надёж­ные винтовые клеммы. Высокая степень защиты от внешних воз­действий (IP65) обеспечивается применением в соединителе морозостойких уплотнений и надёжно работающей зажимной муфты (обжим проводов пластиковым уплотнителем на входе в кабельную часть разъёма).

Во многих отечественных и зарубежных датчиках для подстройки «нуля» производится частичная разборка датчика или применяются специальные меры.

     В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рисунок 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 2. - Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

 

 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 механической деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

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

                                            (1.1)                                            

где r - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (1.1) и переходя к конечным приращениям, получим, что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления

                         (1.2)                

где DR, Dr, DS -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

                                                                                                   (1.3)                                                  

где  - значение относительной продольной деформации;

 - значение относительной поперечной деформации;

m - коэффициент Пуассона.

С учетом выражений (1.2) и (1.3) величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l

                                                                                                 (1.4)                       

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис.3. 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 3. - Конструкции тензорезисторных преобразователей

 

Тензопреобразователи с решеткой из фольги (рис.3) 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.

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

На рисунке 4,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 4. - Схемы включения тензорезисторов

 

При дифференциальном включении двух идентичных тензорезисторов R1 и R2 в два соседних плеча моста (рисунок 4,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 4,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 (DU_M =0).

При воздействии на конец консольной балки измеряемого усилия Р¹0 балка прогнется (см. пунктирное изображение балки на рисунке 4,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+DR и R2-DR (рисунок 4,б и 4,в). При этом на выходе мостовой схемы появится напряжение DUM 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 DR1 и DR2 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 5.

 

 

Рисунок 5. - Функциональная блок-схема тензорезистивного преобразователя 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.

Рис.1 Схема подключения

 

 Для доступа к регулято­ру «нуля» нет необходимости разбирать датчик, достаточно свин­тить крышку, не разъединяя даже приборную и кабельную части соединителя. А для облегчения доступа к подстроенному резис­тору «ноль» предусмотрена возможность поворота в удобное положение (в пределах 350°) обоймы нормирующего преобразо­вателя относительно корпуса датчика.

В части решений по электромагнитной совместимости датчик раз­работан с учётом обеспечения повышенной устойчивости к воздействию электромагнитных помех. По результатам предварительных испытаний можно утверждать, что датчик хорошо выдерживает воздействие любых помех (кондуктивных, импульсных, электростатических и т.п.).        

 

3. Применение кремния для измерения деформации на основе                   р-п-переходов

Как известно, p-n-переход обладает чувствительностью к давлению. Ширина запрещенной зоны изменяется пропорционально действую­щему давлению. Основываясь на этой закономерности, можно ис­пользовать диоды, биполярные транзисторы и МОП полевые тран­зисторы для создания миниатюрных датчиков давления. Однако с их помощью можно измерять лишь относительно высокие давления и пока еще сложно получить воспроизводимые характеристики. И пока не было создано прибора, пригодного для коммерческого применения.

 У полупроводниковых тензодатчи­ков имеются следующие достоинства:

- чувствительные элементы легко могут быть сконструированы для определенных применений так, чтобы обеспечить макси­мальную чувствительность;

- несложно произвести подгонку чувствительных элементов, не­обходимую для измерений по мостовой схеме;

- просто решаются задачи миниатюризации;

- можно организовать массовое производство на базе кремние­вой технологии;

- используя легирование, можно получить устройства на осно­ве кремния р- и n-типов, имеющие противоположные знаки тензоэффекта. Также стоит отметить, что различные кристал­лографические ориентации обладают разным по величине тензоэффектом.

Наибольшим недостатком полупроводниковых пьезорезистивных приборов является их значительная температурная чувствительность. На тензоэффект влияет температура. Эта зависимость уменьшается при увеличении уровня легирования, но при сильном легировании ослабляется и само пьезосопротивление. Необходимо также помнить, что полупроводниковые материалы характеризуются большим тем­пературным коэффициентом сопротивления, что служит причиной флуктуации сопротивления чувствительного элемента в недеформированном состоянии. Оба эти эффекта можно минимизировать, используя компенсаторные схемы, например мостовую. Положение нуля может смещаться в результате температурозависимого дрей­фа из-за механических напряжений, возникающих в процессе изго­товления. Для минимизации этих эффектов необходимо тщательно продумывать конструкцию.