Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе
Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе
Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.
Классический пример тензорезистора можно увидеть на следующей фотографии:
Типовая схема подключения тензорезистора показана на данном рисунке:
Обычно, в реальных устройствах, тензорезистор наклеивается на пружинную диафрагму. Под воздействием приложенного давления диафрагма деформируется, вместе с ней деформируется и тензорезистор.
Классическая система тензорезистивного сенсора, представленная на предыдущей иллюстрации, сделана из металла, проводника и подложки.
При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.
Современные технологии производства сделали возможным изготовление подложки из кремния вместо металла. Кремний показывает высокие линейные упругие свойства в узком диапазоне деформаций и высокое сопротивление к усталости. Когда кремниевый тензорезистивный сенсор перенапрягается, он разрушается полностью, а не «течёт», как металлический сенсор. Это считают лучшим результатом, поскольку это ясно указывает на потребность в замене сенсора, тогда как металлический тензорезистивный сенсор продолжает функционировать после перенапряжения. Чтобы определить его неисправность, датчик давления необходимо демонтировать и проверить на установке для калибровки.
Упрощенная иллюстрация диафрагма / тензорезистор показана здесь:
Перемещение и изгиб диафрагмы под действием входного давления деформирует тензорезистор. На выходе появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению. Это напряжение можно усилить и преобразовать в стандартные сигналы: аналоговый 4 — 20 ма или цифровые типа HART, FOUNDATION Fieldbus или другие.
В некоторых проектах, единственный кремниевый композит служит в качестве и диафрагмы и подложки тензорезистора. Так, практически полностью, используются превосходные механические свойства кремния (высокая линейность и низкая усталость).
Однако, кремний химически несовместим со многими средами процесса, и поэтому давление должно быть передано кремниевой диафрагме/тензорезистору через химически инертную среду. Для этой цели устанавливают гибкую неупругую разделительную диафрагму, на которую действует измеряемое давление. Пространство между разделительной диафрагмой и кремниевой диафрагмой заполняют жидкостью (обычно на основе силикона или фторуглерода).
Разделительная диафрагма передает давление процесса заполняющей жидкости, которая в свою очередь передает давление кремниевой диафрагме/тензорезистору.
Ниже приведена схема такого прибора:
Разделительная диафрагма разработана так, чтобы быть намного более гибкой, чем кремниевая диафрагма, потому что ее цель состоит в том, чтобы передать без изменений давление процесса до заполняющей жидкости, чтобы не действовать как упругий элемент. Таким образом, кремниевый датчик испытывает то же самое давление, что и приложенное к разделительной диафрагме, не входя в непосредственный контакт с жидкостью или газом технологического процесса.
Это использование заполняющей жидкости, чтобы передать давление от диафрагмы изоляции до чувствительной диафрагмы используется в большинстве, если не во всех, современных датчиках давления.
Пример датчика дифференциального давления, использующего тензорезистор на кремниевой подложке — модель Foxboro IDP10, показан на следующей фотографии:
Тензорезисторный датчик силы Т60А — Тензо-М
Описание
Области применения
Платформенные весы, настольные весы лотковые расходомеры, взвешивание баков и емкостей, многобункерные системы
Особенности
- Конструкция упругого элемента обеспечивает низкую чувствительность к нагрузке вне центра весовой платформы
- Датчики изготовлены из материалов и комплектующих лучших мировых производителей
- Герметизация датчиков производится с помощью специальных герметиков
- При испытаниях датчиков используются уникальные методики
- Многоступенчатая система контроля качества тензодатчиков
- Гарантийный срок 12 мес.
Экскурсия по производству тензодатчиков
7 причин для выбора тензодатчиков «Тензо-М»
Технические характеристики
|
Параметры датчика |
Единицы измерения |
Значения параметров |
|||
|---|---|---|---|---|---|
| Модификация 1 | Модификация 2 | ||||
| Наибольший предел измерения (НПИ) | кг | 30, 50, 100, 200, 300, 500, 750 | 100, 200, 300 | ||
| Класс точности по ГОСТ 8.631-2013 | С3 | С1 | С3 | ||
| Число поверочных интервалов | 3000 | 1000 | 3000 | ||
| Минимальный поверочный интервал | НПИ / 7500 | НПИ / 5000 | НПИ / 10000 | ||
| Рабочий коэффициент передачи (РКП) | мВ/В | 2 ± 10% | |||
| Начальный коэффициент передачи (НКП) | % от РКП | ≤ ± 5 | < 2 | ||
| Комбинированная погрешность | % от РКП | ≤ ±0,0200 | ≤ ±0,0400 | ≤ ±0,0200 | |
Ползучесть (30 мин. ) |
% от РКП | ≤ ±0,0166 | ≤ ±0,0490 | ≤ ±0,0250 | |
| Изменение НКП от температуры | % от РКП/°С | ≤ ±0,00187 | ≤ ±0,0028 | ≤ ±0,0014 | |
| Изменение РКП от температуры | % от РКП/°С | ≤ ±0,00100 | ≤ ±0,0022 | ≤ ±0,0011 | |
| Наибольшее напряжение питания постоянного тока | В | 12 | |||
| Сопротивление входное | Ом | 413 ±20 | 400 ±10 | ||
| Сопротивление выходное | Ом | 350 ±25 | 350 ±3 | ||
| Сопротивление изоляции | ГОм | ≥ 5 | ≥ 5 | ||
| Номинальный диапазон температур | °С | -20. .. +50 |
|||
| Диапазон температур эксплуатации и хранения | °С | -50… +50 | |||
| Степень защиты по ГОСТ 14254 | IP67 | IP66 | |||
| Допустимая нагрузка | % от НПИ | 150 | 125 | ||
| Разрушающая нагрузка | % от НПИ | 300 | |||
| Материал датчика | Алюминиевый сплав | ||||
Производитель оставляет за собой право изменять технические характеристики с целью улучшения качества продукции без предварительного уведомления потребителя.
Комплектация
Стандартная комплектация
- Исполнение согласно ГОСТ 8.631-2013: 3000 поверочных интервалов
- Шестипроводная или четырехпроводная схема подключения (мод. 1), четырехпроводная схема подключения (мод.2)
- Экран кабеля соединен с корпусом тензодатчика (мод.1)
- Экран кабеля не соединен с корпусом тензодатчика (мод.2)
- Длина кабеля 3м (мод.1), 2м (мод.2)
- Взрывозащищенное исполнение в соответствии с требованиями ГОСТ Р51330.0-99 (МЭК 60079-0-98), ГОСТ Р51330.10-99 (МЭК 60079-11-99), ТР ТС 012/2011
1), четырехпроводная схема подключения (мод.2)Опции
- Исполнение согласно ГОСТ 8.631-2013: 1000 поверочных интервалов (мод.2)
- Длина кабеля от 2 до 100м (мод.2)
Поддержка
Схема выводов кабеля
|
Модификация 1 |
Модификация 2 |
|
+Uпит. — зеленый –Uпит. — черный +Uизм. — белый –Uизм. — красный +Uос — синий –Uос — коричневый |
+Uпит. –Uпит. — черный +Uизм. — белый –Uизм. — красный |
— зеленыйСертификаты
Свидетельство об утверждении типа средств измерений Российской Федерации
Сертификат об утверждении типа средств измерений Республики Беларусь
Сертификат о признании утверждения типа средств измерений Республики Казахстан
Сертификат соответствия ЕАЭС
Соответствуют ГОСТ 8.631-2013.
Внесены в Государственный Реестр средств измерений Российской Федерации, Республик Беларусь и Казахстан.
Емкостные и пьезорезистивные датчики давления — различия
Датчики давления считаются одним из наиболее часто используемых типов датчиков, поскольку они отвечают за измерение любой силы, приложенной к газам или жидкостям, которая затем выражается в виде электрического сигнала. Они могут иметь различные применения, например, в медицинских приборах и здравоохранении, автоматизации, гидравлике, а также в аэронавтике.
Большинство датчиков давления, установленных в настоящее время в полевых условиях, основаны на MEMS и используют пьезорезистивный или емкостной принцип измерения . В этой статье мы обсудим их основные отличия и выделим преимущества каждого из них.
Термин пьезорезистив состоит из греческого слова «пьезо» (означающего сжимать или давить) и сопротивляться. В пьезорезистивных датчиках четыре резистора размещены на кремниевой диафрагме для измерения результата деформации или физического давления, приложенного к ним. Любое заметное изменение сопротивления преобразуется через мостовую схему Уитстона в выходное напряжение. Пьезорезистивный принцип измерения давления является одним из первых, разработанных в технологии MEMS, и он был разработан за много лет до емкостного. В результате он используется чаще всего. Пьезорезистивные датчики давления благодаря широкому распространению и низкой себестоимости находят широкое применение в бытовой электронике и автомобилестроении, а также в бытовой технике.
Дополнительная литература : Лучшие датчики давления для промышленного применения и автоматизации
Для эффективной работы емкостного датчика давления необходимы две параллельные и электрически изолированные проводящие пластины. Нижняя пластина зафиксирована, а верхняя чувствительна к изменениям давления. При приложении давления верхняя пластина (или мембрана) изгибается и создается емкость Δ. Это изменение емкости затем преобразуется в электрический сигнал, который может быть прочитан и обработан ASIC или микроконтроллером.
Где лучше всего применяется емкостная технология МЭМС?
Емкостная технология MEMS лучше всего подходит для приложений, где точность, надежность и безопасность имеют первостепенное значение.
Это связано с техническими преимуществами, обусловленными свойствами элементов МЭМС, которые аналогичны свойствам стандартных пассивных компонентов (резисторы, конденсаторы), а также различиями в конструкции и методах изготовления.
По сравнению с пьезорезистивными датчиками , емкостные датчики давления имеют много преимуществ. Несмотря на то, что для них могут потребоваться более сложные схемы формирования сигнала и алгоритмы калибровки, они имеют более высокую точность и более низкую общую полосу ошибок . Кроме того, емкостные датчики давления имеют низкое энергопотребление, так как постоянный ток не протекает через чувствительный элемент из-за его природы. Таким образом, могут быть спроектированы и реализованы системы датчиков с очень низким энергопотреблением, которые требуют лишь небольшого смещения цепи от внешнего считывателя, что делает их идеальными для удаленных или имплантированных медицинских приложений.
В таблице ниже приведены плюсы и минусы емкостных датчиков давления МЭМС по сравнению с пьезорезистивными.
| Плюсы | Минусы |
| Прочность и разрывное давление | Сложность калибровки |
| Точность, общий диапазон ошибок | Стоимость производства |
| Потребляемая мощность | |
| Долговременная стабильность |
Емкостные МЭМС-датчики давления также обеспечивают превосходную долговременную стабильность. Это атрибут дизайна. Как показано выше, типичный элемент емкостного датчика давления MEMS имеет два измерительных и два эталонных конденсатора. Эталонные конденсаторы не чувствительны к изменениям давления. Расчет давления выполняется по следующему алгоритму.
На долговременную стабильность в основном влияет старение чувствительных элементов и, следовательно, снижение точности измерения с течением времени.
Из-за расположения емкостных кристаллов измерительный и эталонный конденсаторы подвергаются воздействию одной и той же среды. Это означает, что они подвергаются воздействию тех же условий и раздражителей, которые вызывают старение сенсоров и, следовательно, долгосрочный дрейф. Поскольку считывающие и эталонные конденсаторы работают в одних и тех же условиях и изготавливаются с использованием одних и тех же материалов и процедур, они стареют с одинаковой скоростью. Таким образом, используя алгоритм расчета давления и компоновку кристалла МЭМС, эффект долговременного дрейфа сводится к минимуму и, следовательно, достигается превосходная долговременная стабильность.
И последнее, но не менее важное: основным преимуществом емкостной МЭМС-технологии по сравнению с пьезорезистивной является устойчивость к избыточному давлению (испытательное давление и давление разрыва). Благодаря своей конструкции емкостные датчики MEMS могут выдерживать давление до , что в 100 раз превышает номинальное давление .
Это происходит из-за того, что архитектура датчика состоит из неподвижной нижней пластины и подвешенной мембраны, которая деформируется под давлением. При приложении избыточного давления деформация достигает нижней мембраны и неизбежно прекращается, не разрушаясь. При этом за счет пройденного пути и приложенных напряжений пластические деформации отсутствуют. Это приводит к неизменной работе датчика после сброса избыточного давления.
Дополнительная литература : Все о избыточном давлении и способах его предотвращения
Пример сенсорного режимаВ таблице и на следующих рисунках вы можете увидеть пример характеристик избыточного давления датчика с абсолютной калибровкой 2 бар. Максимальное ожидаемое рабочее давление (MEOP) датчика составляет 2 бара. Датчик измеряется при эталонном давлении 1,2 бар абс., а затем подвергается давлению со следующими шагами давления, как указано ниже.
| Давление [бар абс.] | Коэффициент избыточного давления [x MEOP] | Измерение [бар a] / Комментарии |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1. 201 |
| 2 | 1 х MEOP | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 4 | 2 x MEOP | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 8 | 4 МЕОП | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 20 | 10 x MEOP | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 40 | 20 x MEOP | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 80 | 40 x MEOP | Насыщение выхода |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
Является ли емкостная технология идеальной для избыточного давления?
Как объяснялось выше, всякий раз, когда избыточное давление применяется к оборудованию автоматизации, обычные датчики давления могут быть повреждены.
По этой причине датчики на базе 9Можно использовать 0003 кремниевую емкостную технологию . Понимание преимуществ емкостной технологии и различных способов ее применения к датчикам давления имеет важное значение и может привести к повышению производительности и снижению затрат на техническое обслуживание. Компания ES Systems разработала датчики давления с емкостной технологией, которые могут обеспечить высокую производительность и точность наряду с высокой эффективностью и надежностью по конкурентоспособной цене.
Дополнительная литература : Существуют ли различия между датчиками давления, преобразователями, переключателями и преобразователями?
Емкостные датчики давления идеально подходят для медицинских применений? Медицинские приложения могут быть дополнены емкостными датчиками давления MEMS , поскольку они могут обеспечить очень высокую точность и долговременную стабильность.
В частности, они чрезвычайно устойчивы к избыточному давлению, что делает их пригодными для использования в приложениях, где безопасность измерений имеет решающее значение, а ремонт датчика невозможен.
Передовая емкостная технология МЭМС может применяться в условиях, требующих измерения абсолютного, избыточного, относительного или дифференциального давления. По этой причине ES Systems предлагает три семейства высококачественных емкостных датчиков давления. Это семьи:
- ESCP-MIS1, предназначен для обеспечения высокого качества измерений в суровых условиях и средах
- ESCP-BMS1, идеально подходит для промышленных, медицинских и HVAC применений, где требуется высокая точность и низкий общий диапазон погрешностей
- ESCP-MIT1, преобразователь давления, подходящий для применения в суровых условиях окружающей среды, где требуется устойчивость к агрессивным жидкостям или газам
View Датчики давления
Высокоточный тканевый пьезорезистивный датчик с защитой от помех как от высокой влажности, так и от пота на основе гидрофобных нефтористых наночастиц диоксида титана
Высокоточный тканевый пьезорезистивный датчик с защитой от помех как от высокой влажности, так и от пота на основе гидрофобных нефтористых наночастиц диоксида титана†
Лиян Ян, ‡ и июнь Ма, ‡ и Вейбинг Чжун, и Цюнчжэнь Лю, и Муфанг Ли, и Вэнь Ван, и И Ву, и Юэдань Ван, и Сюэ Лю и а также Донг Ван * и
Принадлежности автора
* Соответствующие авторы
и Ключевая лаборатория Хубэй передовых текстильных материалов и их применения, Хубэйская база международного научно-технического сотрудничества интеллектуальных текстильных материалов и применения, Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай
Электронная почта: lyyang@wtu.
edu.cn, [email protected]
Аннотация
Пьезорезистивные датчики на тканевой основе продемонстрировали большой потенциал в приложениях для обнаружения движений человека и здоровья. Однако на токопроводящие полимеры сенсорных блоков легко воздействуют условия высокой влажности и пота, что приводит к колебаниям электрического сопротивления в реальном времени и, в конечном итоге, к неточности восприятия. Здесь гидрофобная, не содержащая фтора наночастица диоксида титана (TiO 2 -ODI)-модифицированный пьезорезистивный датчик на тканевой основе впервые был использован для получения точного измерения давления за счет предотвращения помех от высокой влажности и капель в повседневной жизни. Благодаря заметному изолирующему эффекту плотного слоя наночастиц TiO 2 -ODI впервые на динамические нормированные изменения электрического сопротивления пьезорезистивного датчика на тканевой основе практически не повлияла высокая влажность 95% и капли вода, солевой раствор, молоко и пот.