8.2.3. Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензоэффект материала характеризуется коэффициентом тензочувствительности КR, который определяется как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
,
(8.23)
где δR = ∆R/R, δl = ∆l/1, ∆R – приращение сопротивления при изменении длины l на ∆l; Е – модуль упругости материала; σ – механическое напряжение.
Коэффициент тензочувствительности связан с деформацией материала и его удельным сопротивлением выражением
,
(8.24)
где μ – коэффициент Пуассона; δ = ∆/ – относительное приращение удельного сопротивления материала при деформации.
В качестве тензорезистивного материала используют металлы с малым термическим коэффициентом сопротивления и полупроводники. Конструктивно они подразделяются на проволочные и фольговые. Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с проволочными:
чувствительность в 50…60 раз превышает чувствительность проволочных;
размеры существенно меньше;
уровень выходного сигнала в ряде случаев достаточен для использования без сложных и дорогих усилителей.
Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большой коэффициент тензочувствительности.
На рис. 8.12 представлены фольговый тензорезистор и датчик давления мембранного типа.
а
б
Р и с. 8.12. Тензорезистивный датчик давления мембранного типа: а – фольговый тензорезистор; б – конструкция датчика
К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов относятся малые механическая прочность и гибкость, чувствительность к температуре. Погрешность измерений – (0,2…0,5)% при статических и (1…1,5)% при динамических измерениях.
Тензорезисторы используют в основном для измерения давления жидкости и газа. Различают тензорезистивные датчики абсолютного и дифференциального давления.
Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в нормирующем усилителе (НУ).
8.2.4. Интеллектуальные датчики давления
В последнее время достаточно широкое распространение получили интеллектуальные датчики давления (типа Метран-100, Метран-49). На рис. 8.13 приведены интеллектуальные датчики давления серии Метран.
Интеллектуальные датчики давления предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал или цифровой сигнал следующих физических величин давления (171):
избыточного давления;
абсолютного давления;
разрежения;
давления-разрежения;
разности давлений;
гидростатического давления.
Датчики осуществляют непрерывную самодиагностику, обеспечивая контроль работы с формированием информации о возникновении неисправностей. В процессе работы датчика можно контролировать установку «нуля» путем нажатия соответствующей кнопки. В режиме измерения значение сигнала датчика в цифровом виде выводится на жидкокристаллический индикатор, встроенный в корпус электронного блока, в выбранных единицах измерения (Па, кПа, МПа, кгс/см2, кгс/м2).
Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока. В памяти сенсорного блока хранятся результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для коррекции выходного сигнала датчика. Микроконтроллер электронного преобразователя осуществляет вычисление скорректированного значения выходного сигнала датчика.
Р и с. 8.13. Интеллектуальные датчики давления
Самодиагностика датчика выполняется при подаче напряжения питания во время подготовки его к работе и в процессе измерения давления.
В памяти сенсорного блока хранятся результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для коррекции выходного сигнала датчика. Микроконтроллер электронного преобразователя осуществляет вычисление скорректированного значения выходного сигнала датчика.
Самодиагностика датчика выполняется при подаче напряжения питания во время подготовки его к работе и в процессе измерения давления.
При самодиагностике проверяется:
состояние микропроцессора;
наличие связи с платой аналого-цифрового преобразователя;
наличие связи аналого-цифрового преобразователя с тензопреобразователем;
состояние энергонезависимой памяти платы аналого-цифрового преобразователя с платой процессора.
При обнаружении неисправности на индикаторе выходного сигнала устанавливается определенная его величина, указанная в конструкторской документации.