Расчет пьезоэлектрического датчика давления

Московский Авиационный Институт

(Государственный Технический Университет)

Факультет № 3

«Системы управления, информатика и электроэнергетика»

Кафедра 303

«Авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов»

Курсовой проект по «Физические основы получения информации»

Тема: «Расчет пьезоэлектрического датчика давления»

Работу выполнил студент группы 03−306:

Баранов Е.Ю.

Работу принял преподаватель:

Кармазина Ю. Т.

Введение

Давление и основные понятия

Единицы измерения давления Измерение давления Особенности эксплуатации приборов для измерения давления Методы преобразования давления

давление измерительный манометр преобразователь Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как, например, для определения расхода, количества среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы напорных трубопроводов, а также для применения в автоматизированных системах с частотными преобразователями со встроенными автоматическими регуляторами в замкнутом контуре управления для изменения оборотов электроприводов насосов.

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются, например, манометры. Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе.

Измерительные приборы давления классифицируются по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам.

По виду измеряемого давления приборы подразделяются для измерения избыточного и абсолютного давления — манометры, разрежения — вакуумметры, давления и разрежения — мановакуумметры, атмосферного давления — барометры и разностного давления — дифференциальные манометры (дифманометры). Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20−40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения — микроманометрами.

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень измерительной системы).

Особенности развития ИПД заключается в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных преобразователей — первичным.

Известны многие способы преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. По принципу действия или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал первичные ИПД подразделяются прежде всего на деформационные и электрические. При этом в деформационных ИПД перемещения чувствительного элемента (ЧЭ) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в электрический или электромагнитный сигнал. В электрических ИПД при измерении давления изменяются ЧЭ собственные электрические параметры: сопротивление, емкость или заряд.

Современные общепромышленные ИПД реализованы на основе емкостных (используют ЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет емкость ЧЭ), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов от давления или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах действия. Также получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т. д.

Давление и основные понятия

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

р= N F (1.1)

где р — давление; Nнормальная сила, действующая на поверхность; Fплощадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила, равномерно распределена на поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности все зависимости от ее расположения, то давление является скалярной величиной.

Понятие давления как физической величины во всех ее проявления едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Например, выброс лавы из и газов при извержении вулкана происходит из-за того, что давление в его жерле больше, чем давление окружающего воздуха и сопротивление слагающих его твердых пород.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

Разность давлений — разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчета. В этом случае основное значение имеет разность давлений, а не абсолютное значение каждого из них.

Избыточное давление — разность давлений, одно из которых принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютное давление окружающей среды — это атмосферное давление в месте измерений.

Избыточное давление р_и = р_абс — р_атм (1.2)

Для газовых смесей применяется специальный термин — парциальное давление — абсолютное давление одного из компонентов газовой смеси. Под этим понимается абсолютное давление данного компонента при условии, что он займет весь объем, в котором находится газовая смесь.

Виды давлений графически изображены на рис. 1.

Нижняя горизонтальная линия с индексом «0» соответствует абсолютному давлению р_абс =0, горизонтальная линия с индексом «Б» — атмосферному давлению (р_абс = р_атм). Горизонтальные штриховые линии выше и ниже линии Б ограничивают зону изменений атмосферного давления в месте измерений. Заштрихованными столбиками обозначены подлежащие измерению давления в соответствии с их видом.

Измерения абсолютного давления широко распространены в области вакуумной техники (от 10^-12 до 10³ Па), в метеослужбе, геодезии и авиационной технике (от 10² до 4*10⁵ Па). Более высокие давления (до 1 — 10 МПа) измеряют при научных исследованиях, в том числе в термодинамике. Более высокие абсолютные давления измеряют крайне редко, т. к в этих случаях их можно измерить более простыми методами измерения избыточного давления.

С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений — манометры и измерительные преобразователи давления.

Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с измеряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования.

Единицы измерения давления

Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) является паскаль (Па). По определению (1.1) единица давления паскаль представляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру: 1Па = 1Нм² = 1 кг (м*с²).

В качестве единиц измерения давления используют также бар, атмосферу и кгс/см².

Измерение давления

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства, этот параметр используется при косвенных измерения других технологических параметров: фуровня, расхода, температуры, плотности и т. д., на летательных аппаратах для измерения давления воздуха, газов и жидкостей в элементах двигателя и в различных бортовых системах — системе наддува герметичной кабины, в тормозной системе, в системах выпуска шасси, закрылков и т. д.

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действии, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанным с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразуя ее в требуемую форму. Этот метод определения давления, являющийся методом прямых измерений, получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряется другие физически е величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением. Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по каким либо причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления или при измерения высоких и сверхвысоких давлений.

Особенности эксплуатации приборов для измерения давления

При эксплуатации приборов, измеряющих давление, часто требуется защита их от агрессивного и теплового воздействия среды.

Если среда химически активна по отношению к материалу прибора, то его защиту производят с помощью разделительных сосудов и мембранных разделителей.

Разделительный сосуд заполняется жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и самого сосуда. Кроме того, разделительная жидкость не должна химически взаимодействовать с измеряемой средой или смешиваться с ней. В качестве разделительных жидкостей применяют водные растворы глицерина, этиленгликоль, технические масла и др.

В мембранном разделители измеряемая среда отделяется от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для передачи давления от мембраны к прибору полость между ними заполняют жидкостью.

Для предохранения прибора от действия высокой температуры среды применяют сифонные трубки.

Деформационные приборы требуют периодической проверки. В эксплуатационных условиях у них проверяют нулевую и рабочую точки шкалы.

Методы преобразования давления

Датчик давления состоит (рисунок 2) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный, тензометрический.

· Пьезорезистивный метод

Практически все производители датчиков в России проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рисунок 3) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

Рисунок 3 — Кремниевый интегральный преобразователь давления Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost — решения (рисунок 4), основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.

Рисунок 4 — Low Cost решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рисунок 5).

Рисунок 5 — Преобразователь давления защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны

Основным преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

· Емкостный метод

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рисунок 6).

Рисунок 6 — Емкостной преобразователь давления.

В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

· Резонансный метод

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером может служить кварцевый резонатор (рисунок 7). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля — частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают — наступает резонанс.

Рисунок 7 — Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

· Индуктивный метод

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рисунок 8). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Рисунок 8 — Принципиальная схема индукционного преобразователя давления Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

· Ионизационный метод

В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды (рисунок 9).

Рисунок 9 — Ионнизацинный датчик вакуума Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла.

Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Таблица 2. Основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал:

Погрешности пъезоэлектрического преобразователя.

1. Методические:

— динамические

— влияние поперечных сил

— квантование по уровню

2. Инструментальные:

— производственно — технологические

— температурные, геометрические параметры

— погрешность тарирования.