На сьогоднішній день використовуються у промисловості не барометри з ртуттю, а цілком сучасні і надійні датчики. У них принцип роботи відрізняється в залежності від конструктивних особливостей. У всіх є як переваги, так і певні недоліки. Завдяки розвитку електроніки можна реалізувати датчики для вимірювання тиску на напівпровідникових елементах.
Що таке електронні датчики?
Електронні датчики тиску води або будь-якої іншої рідини – це такі прилади, які дозволяють здійснювати вимірювання параметрів і їх обробку спеціальними блоками управління та індикації. Датчик тиску – це такий пристрій, у якого вихідні параметри безпосередньо залежать від того, який тиск у вимірюваному місці (ємність, труби тощо). Причому можна з їх допомогою здійснити вимір будь-якої речовини в різних агрегатних станах – рідкому, пароподібному, газоподібному.
Необхідність таких приладів викликана тим, що практично вся промисловість побудована на системах автоматичного керування. Людина здійснює тільки налаштування, калібрування, обслуговування і запуск (зупинку). Робота будь-якої системи відбувається в автоматичному режимі. Але ще такі прилади часто використовуються в медицині.
Особливості конструкції елементів
Будь датчики складаються з чутливого елемента – саме з його допомогою передається вплив на перетворювач. Також у конструкції є схема для здійснення обробки сигналу і корпус. Можна виділити наступні різновиди датчиків тиску:
- П’єзоелектричні.
- Резистивні.
- Ємнісні.
- Пьезорезонансные.
- Магнітні (індуктивні).
- Оптоелектронні.
А тепер розглянемо кожен вид приладу більш детально.
Резистивні елементи
Це такі пристрої, у яких чутливий елемент під впливом навантаження змінює свій опір. На чутливої мембрани проводиться установка тензорезистора. Мембрана під дією тиску згинається, тензорезистори також починають рухатися. При цьому у них змінюється опір. У результаті відбувається зміна сили струму в ланцюзі перетворювача.
При розтягуванні елементів тензорезисторів збільшується довжина і зменшується площа перетину. Як результат збільшення опору. Зворотний процес спостерігається при стисненні елементів. Звичайно, змінюється опір на тисячні частки Ома, тому, щоб вловити це, потрібно ставити спеціальні підсилювачі на напівпровідниках.
П’єзоелектричні датчики
П’єзоелемент є основою конструкції приладу. Коли відбувається деформація, п’єзоелемент починає генерувати певний сигнал. Встановлюється елемент у середу, тиск якого потрібно виміряти. При роботі сила струму в ланцюзі виявиться прямопропорційна зміни тиску.
Такі прилади володіють однією особливістю – вони не дозволяють відстежувати тиск, якщо воно постійно. Тому використовується виключно в разі, коли тиск постійно змінюється. При постійному значенні вимірюваної величини генерація електричного імпульсу проводитися не буде.
Пьезорезонансные елементи
Ці елементи працюють трохи інакше. При подачі напруги п’єзоелемент деформується. Чим вище напруга, тим сильніше деформація. Основа приладу – пластина-резонатор, виготовлена з п’єзоелектрика. На обох сторонах у неї є електроди. Як тільки відбудеться подача напруги на них, матеріал починає вібрувати. При цьому пластина вигинається то в одну, то в іншу сторону. Швидкість вібрації залежить від частоти струму, який подається на електроди.
Але якщо сила ззовні подіє на пластину, то відбудеться зміна частоти коливань пластини. За таким принципом працює електронний датчик тиску повітря, що використовується в автомобілях. Він дозволяє оцінювати абсолютний тиск повітря, що подається в паливну систему автомобіля.
Ємнісні прилади
Ці пристрої найбільш популярні, так як мають просту конструкцію, працюють стабільно і невибагливі в обслуговуванні. Конструкція складається з двох електродів, розташованих на певній відстані один від одного. Виходить своєрідний конденсатор. Одна з його пластин – це мембрана, на неї діє тиск (вимірювана). В результаті змінюється зазор між пластинами (пропорційно тиску). Зі шкільного курсу фізики ви знаєте, що ємність конденсатора залежить від площі поверхні пластин і відстані між ними.
При роботі в датчику тиску змінюється тільки відстань між пластинами – цього цілком достатньо для того, щоб здійснити вимір параметрів. Електронні датчики тиску масла будуються саме за такою схемою. Переваги у даного типу конструкцій очевидні – вони можуть працювати в будь-яких середовищах, навіть агресивних. На них не діють великі перепади температур, електромагнітні хвилі.
Індуктивні датчики
Принцип роботи віддалено схожий на розглянуті вище ємнісні. Чутлива до тиску струмопровідна мембрана встановлюється на певній відстані від магнітопровода у формі букви Ш (на нього намотується котушка індуктивності).
При подачі напруги на котушку створюється магнітний потік. Він проходить як по сердечникові, так і через зазор, струмопровідну мембрану. Потік замикається, а так як у зазору проникність приблизно в 1000 разів менше, ніж у серцевини, то навіть мізерна його зміна призводить до пропорційних коливань значень індуктивності.
Оптоелектронні датчики
Вони просто знаходять тиск, володіють високою роздільною здатністю. У них висока чутливість і термостабільність. Працюють на основі інтерференції світла, використовують для вимірювання невеликих переміщень інтерферометр Фабрі-Перо. Такі електронні датчики тиску зустрічаються вкрай рідко, але є досить перспективними.
Основні компоненти приладу:
- Кристал оптичного перетворювача.
- Діафрагма.
- Світлодіод.
- Детектор (складається з трьох фотодіодів).
До двох фотодиодам прилаштовуються оптичні фільтри Фабі-Перо, у яких невелика різниця в товщині. Фільтри – це кремнієві дзеркала з відбивною лицьовою поверхнею. Вони покриті шаром оксиду кремнію, на поверхню наноситься тонкий шар алюмінію. Оптичний перетворювач дуже схожий з ємнісним датчиком тиску.
