Емкостные датчики

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений (см. раздел 5.5 главы 5). В то время как для диафрагм, используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным является перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за небольших перемещений такой способ защиты, к сожалению, работает недостаточно эффективно, поэтому для них определяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает максимальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова-телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это особенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески высокого давления.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда перемещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и толщины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 10.10).

10.6. Емкостные датчики

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений (см. раздел 5.5 главы 5). В то время как для диафрагм, используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным является перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за небольших перемещений такой способ защиты, к сожалению, работает недостаточно эффективно, поэтому для них определяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает максимальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова-телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это особенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески высокого давления.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда перемещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и толщины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 10.10).

10.7. Датчики переменного магнитного сопротивления

При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тен-зодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относительно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим способом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления (ПМС) измеряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего вследствиевоздействия на нее внешнего давления. Принцип действия таких датчиков очень напоминает принцип действия магнитных детекторов приближения, описанных в главе 5. На рис. 10.11А проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока. Конструкция, состоящая из Е-образ-ного сердечника и катушки формирует магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму. Магнитная проницаемость материала сердечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного зазора [10], поэтому его магнитное сопротивление всегда ниже сопротивления воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При отклонении диафрагмы величина воздушного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызывает модуляцию индуктивности.

На рис. 10.12 показана конструкция ПМС датчика давления, в котороммежду двумя половинами корпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердечника, размещается магнитно проницаемая диафрагма. Катушки покрыты специальным составом, обеспечивающим прочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С двух сторон диафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными портами подачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной диафрагмы, однако полное отклонение диафрагмы редко превышает 25...30 мкм, потому такие преобразователи, в основном, применяются для измерения низких давлений. Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают мембрану от чрезмерного отклонения в условиях избыточного давления, поэтому ПМС датчики являются достаточно надежными устройствами. При подаче переменного тока возбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника, воздушные зазоры и диафрагму. Таким образом, в состав датчика входят два индуктивных элемента, являющихся плечами мостовой схемы (рис. 10.11Б). Когда на диафрагму действует дифференциальное давление, она отклоняется в ту или другую сторону, что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления двух воздушных зазоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит к значительному изменению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума. Выходной сигнал ПМС датчика пропорционален магнитному сопротивлению плечей индуктивного моста Уитстона, в котором активными элементами являются индуктивные сопротивления х. Индуктивность катушки определяется ее геометрией и количеством витков. Если в зону действия магнитного потока поместить материал, обладающий магнитной проницаемостью, то поскольку этот материал имеет низкое сопротивление, часть потока уйдет туда, что приведет к изменению собственной индуктивности катушки. Индуктивность цепи, а следовательно, и ее реактивное сопротивление, обратно пропорциональна магнитному сопротивлению, поэтому справедливо следующее выражение:*, 2 = к/d, где к — константа, a d — величина зазора. При возбуждении мостовой схемы высокочастотным сигналом ее выходной сигнал модулируется по амплитуде приложенным давлением. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна разбалансу моста, а его фаза соответствует направлению этого разбаланса. На выходе такого датчика иногда ставят демодулятор для получения не переменного, а постоянного выходного напряжения.

10.8. Оптоэлектронные датчики

При измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует использования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света [11]. Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений Фабри-Перо, детально рассмотренный в разделе 7.5 главы 7. На рис. 10.13 показана упрощенная схема одного из таких датчиков. В состав датчика входят следующие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке; светоизлучающии диод (СИД) и кристалл детектора [12]. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем из Si02, на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, описанный в разделе10.2, за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо[13], используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связана с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен /2w.

Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение применяется при последующей обработке сигналов для получения нормированных результатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является нелинейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации. Аналогичные оптическиедатчики давления реализуются на основе оптоволоконных световодов. Такие датчики незаменимы при проведении измерений в труднодоступных зонах, где использование ВЧ интерферометров невозможно [14].

Дата добавления: 2014-01-20