Ім'я файлу: Курсова_робота_ст_гр_МТ_42_Вонса_Миколи 2.docx
Розширення: docx
Розмір: 1108кб.
Дата: 27.04.2022
скачати
Розширення: docx
Розмір: 1108кб.
Дата: 27.04.2022
скачати
С = 𝜀𝜀 𝑟𝑟𝜀𝜀 0 𝑑𝑑 , (1.1)де εr - діелектрична константа матеріалу між пластинами (це 1 для вакууму); ε0 - електрична константа (дорівнює 8,854 10-12 Ф м-1);
А - площа пластин;
d - відстань між пластинами.
Зміна будь-якої зі змінних призведе до відповідної зміни ємності. Найпростіше керувати відстанню між пластирами. Це можна зробити, зробивши одну або обидві пластини діафрагмою, яка відхиляється змінами тиску.
Зазвичай один електрод - це діафрагма, чутлива до тиску, а другий –
фіксована пластина. Приклад ємнісного датчика тиску показано рисунку 1.2.1.1.Рисунок 1.2.1.1 - Конструкція ємнісного сенсора тиску Найпростіший спосіб вимірювання зміни ємності - це зробити його
частиною відрегульованої схеми, яка зазвичай складається з ємнісного датчика та індуктора. Це може змінити частоту генератора або змінний струм резонансного кола. Діафрагма може бути побудована з різноманітних матеріалів, таких як пластик, скло, кремній або кераміка, щоб задовольнити різні види застосування. Ємність датчика зазвичай становить від 50 до 100 пФ, при цьому зміна становить кілька пікофарадів[5].
Жорсткість і міцність матеріалу можна вибрати для забезпечення діапазону чутливості та робочого тиску. Для отримання великого сигналу, можливо, датчик повинен бути досить великим, що може обмежувати частотний діапазон роботи. Однак менші діафрагми більш чутливі та мають швидший час реакції. Тонка діафрагма може бути чутливою до шуму від вібрації (адже цей же принцип
використовується для виготовлення конденсаторних мікрофонів), особливо при низькому тиску.
Більш товста діафрагма використовується в датчиках високого тиску і для забезпечення механічної міцності. Датчики з повномасштабним тиском до 5000 фунт / кв.дюйм легко можна побудувати, контролюючи товщину діафрагми.
Вибираючи матеріали для пластин конденсаторів, які мають низький коефіцієнт теплового розширення, можна зробити датчики з дуже низькою чутливістю до зміни температури. Структура також повинна мати низький гістерезис, щоб забезпечити точність і повторюваність вимірювань. Оскільки сама діафрагма є чутливим елементом, не виникає проблем з прив'язкою додаткових компонентів до діафрагми, тому ємнісні датчики здатні працювати при більш високих температурах, ніж деякі інші типи датчиків[5].
Ємнісні датчики тиску також можуть бути побудовані безпосередньо на кремнієвій мікросхемі з тими ж методами виготовлення, які застосовуються при виробництві напівпровідникових електронних пристроїв. Це дозволяє будувати дуже невеликі зондуючі елементи та поєднувати їх з електронікою для кондиціонування сигналу та відклику[5].
Зміна ємності може бути виміряна за допомогою підключення датчика в частотно-залежному ланцюзі, наприклад, генераторі або контурі ємності. В обох випадках резонансна частота ланцюга буде змінюватися у міру зміни ємності з тиском.
Осцилятору потрібні додаткові електронні компоненти та джерело живлення. Резонансний контур може використовуватися як пасивний датчик, без власного джерела живлення.
Діелектрична константа матеріалу між пластинами може змінюватися в залежності від тиску або температури, і це також може бути джерелом помилок. Відносна проникність повітря та більшості інших газів збільшується з тиском, тому це трохи збільшить зміну ємності з тиском. У цьому відношенні ідеально діють абсолютні датчики тиску, які мають вакуум між пластинами.
Більш лінійний датчик може бути побудований за допомогою "сенсорного режиму", коли діафрагма контактує з протилежною пластиною (з тонким ізоляційним шаром посередині) протягом нормального робочого діапазону. Геометрія цієї структури призводить до отримання більш лінійного вихідного сигналу.
Цей тип датчиків також більш надійний і здатний впоратися з більшим перенапруженням. Це робить його більш придатним для промислових умов. Однак ця структура більш схильна до гістерезису через тертя між двома поверхнями. Схематично ємнісний сенсор у сенсорному режимі показано на рис. 1.2.1.2.
Рисунок 1.2.1.2 - Ємнісний сенсор у сенсорному режимі
Електроніка для вимірювання та кондиціонування сигналу потрібно розміщувати близько до чутливого елементу, щоб мінімізувати вплив на ємність. Оскільки вони можуть бути включені як компоненти в високочастотні налаштовані схеми, ємнісні датчики цілком підходять для бездротового вимірювання.
У випадку пасивних датчиків зовнішня антена може використовуватися для подачі сигналу для стимулювання налаштованої схеми і таким чином вимірює зміну резонансної частоти. Це робить їх придатними для медичних пристроїв, які
потребують імплантації. Як варіант, для активного датчика, частота, що генерується генератором, може підбиратися антеною.
Ємнісні датчики тиску часто використовуються для вимірювання тиску газу або рідини в реактивних двигунах, автомобільних шинах, тілі людини та багатьох інших місцях. Але вони також можуть бути використані як тактильні датчики в носячих пристроях або для вимірювання тиску, що застосовується на комутаторах або клавіатурах. Вони особливо універсальні, частково завдяки механічній простоті, тому можуть використовуватися в складних умовах. Ємнісні датчики можна використовувати для вимірювання абсолютного, калібрувального, відносного або диференціального тиску[5].
Ємнісні датчики тиску мають ряд переваг перед іншими типами датчиків тиску.
Вони можуть мати дуже низьке енергоспоживання, оскільки через елемент датчика немає постійного струму. Струм тече лише тоді, коли сигнал проходить через ланцюг для вимірювання ємності. Пасивні датчики, де зовнішній зчитувач подає сигнал до ланцюга, не потребують джерела живлення - ці атрибути роблять їх ідеальними для додатків малої потужності, таких як віддалені або IoT-датчики.
Датчики механічно прості, тому їх можна зробити міцними з стабільним виходом, що робить їх придатними для використання в суворих умовах. Ємнісні датчики зазвичай толерантні до тимчасових умов надмірного тиску.
Вони мають низький гістерезис з хорошою повторюваністю і не дуже чутливі до змін температури.
З іншого боку, ємнісні датчики мають нелінійний вихід, хоча це може бути зменшено в пристроях із сенсорним режимом. Однак це може привести до більшого гістерезису.
П’єзоелектричні сенсори тиску
П'єзоелектричність - це заряд, що створюється в певних матеріалах при застосуванні механічного напруження. П'єзоелектричні датчики тиску
використовують цей ефект, вимірюючи напругу в п'єзоелектричному елементі, що генерується при прикладеному тиску. Вони дуже надійні і застосовуються в широкому спектрі промислових застосувань.
Коли сила накладається на п'єзоелектричний матеріал, по гранях кристала утворюється електричний заряд. Це можна виміряти як напругу, пропорційну тиску.
Існує також зворотний п'єзоелектричний ефект, коли прикладання напруги до матеріалу призведе до зміни форми матеріалу.
Дана статична сила призводить до відповідного заряду на датчику. Однак це з часом просочиться через недосконалу ізоляцію, опір внутрішнього датчика, приєднану електроніку, тощо.
Рисунок 1.2.2.1 – Схема роботи п’єзоелектричного датчика
Як результат, п'єзоелектричні датчики зазвичай не підходять для вимірювання статичного тиску. Вихідний сигнал поступово знизиться до нуля,
навіть за наявності постійного тиску. Однак вони чутливі до динамічних змін тиску в широкому діапазоні частот і тиску.
Ця динамічна чутливість означає, що вони добре вимірюють невеликі зміни тиску, навіть в умовах дуже високого тиску.
На відміну від п’єзорезистивних та ємнісних перетворювачів, п'єзоелектричні сенсори не потребують зовнішньої напруги чи джерела струму. Вони генерують вихідний сигнал безпосередньо від прикладеного зусилля. Вихід з п'єзоелектричного елемента - це заряд, пропорційний тиску. Для зняття вихідного сигналу потрібен підсилювач заряду для перетворення сигналу в напругу. Деякі датчики тиску п'єзоелектричного типу включають внутрішній підсилювач заряду для спрощення електричного інтерфейсу, забезпечуючи вихід напруги. Для цього потрібно подавати живлення на датчик.
Внутрішній підсилювач робить сенсор простішим у використанні. Наприклад, це дозволяє використовувати довгі сигнальні кабелі для підключення до датчика. Підсилювач може також включати схеми кондиціонування сигналу для фільтрації виходу, регулювання температури та компенсації зміни чутливості чутливого елемента[6].
Наявність електронних компонентів, однак, обмежує робочу температуру не набагато більше 120 ºC. Для середовищ з більш високою температурою можна використовувати датчик в режимі заряду. Це забезпечує генерований заряд безпосередньо як вихідний сигнал. Тому потрібен зовнішній підсилювач заряду, щоб перетворити це на напругу.
Необхідна обережність при розробці та впровадженні зовнішньої електроніки. Високий вихідний імпеданс датчика означає, що ланцюг чутливий до шуму, спричиненого поганими з'єднаннями, рухом кабелю, електромагнітним та радіочастотним перешкодами[6]. Низькочастотна характеристика датчика визначається часом розряду підсилювача.
П'єзоелектричний ефект потребує матеріалів із специфічною асиметрією в кристалічній структурі. Сюди входять деякі природні кристали, такі як кварц або турмалін. Крім того, спеціально сформульована кераміка може бути створена з
відповідною поляризацією, щоб надати їй п’єзоелектричні властивості. Ці кераміки мають більш високу чутливість, ніж природні кристали. Вихідний сигнал може бути отриманий з деформацією всього в 0,1%.
Оскільки п'єзоелектричні матеріали жорсткі, для отримання вихідного сигналу потрібен дуже невеликий прогин матеріалу. Це робить датчики дуже надійними та толерантними до умов надмірного тиску. Це також означає, що вони швидко реагують на зміни тиску.
На датчик тиску може впливати будь-яка зовнішня сила на п'єзоелектричний елемент, наприклад, сили, викликані прискоренням або шумом. Мікросенсори можна побудувати за допомогою тонких плівок. Оксид цинку був одним з перших використаних матеріалів. Це значною мірою було замінено керамікою, виготовленою з таких матеріалів, як титанат цирконату свинцю через їх більший п'єзоелектричний ефект[6].
П'єзоелектричні матеріали також використовуються в деяких інших типах мікроелектронних датчиків. Наприклад, зворотній п'єзоелектричний ефект використовується для генерації поверхневих акустичних хвиль через діафрагму. Викривлення поверхні під тиском може бути зафіксовано за допомогою змін, які він викликає у хвилях, які приймає інший п'єзоелектричний елемент.
П'єзоелектричні датчики тиску часто вбудовуються в різьбову трубку як показано на рисунку 1.2.2.2, щоб полегшити їх монтаж в обладнанні, де слід контролювати тиск. Необхідно бути обережним при їх установці, оскільки надмірне затягування може вплинути на вихідну чутливість.
1 2 3 4 5 6 7