1 Обзор современных датчиков используемых в их составе формирователей сигнала
1.1 Методы преобразования давления
Под термином «датчик» (сенсор) обычно понимается совокупность первичного и вторичного преобразователей. При этом первичный преобразователь, как правило, представляет собой некоторый чувствительный элемент (ЧЭ), преобразующий измеряемую физическую величину в сигнал электрической природы. Вторичный преобразователь (ВП) – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий полученную первичным преобразователем величину в удобный для использования сигнал .
Процесс управления заключается в приёме информации о состоянии объекта управления, её контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приёма информации часто служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.
Спектр датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д.). В последние 10-15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, вычислительной техники.
В ряду всевозможных датчиков особое место занимают датчики давления, которые играют важнейшую роль во многих технических системах. В последние десятилетия появилось понятие «интеллектуального» датчика.
В данной главе дан обзор известных методов измерения давления. Особое внимание уделяется пьезорезистивным, ёмкостным и пьезорезонансным датчикам, широко используемым в разнообразных технических авиационных системах. Далее проведён критический анализ вторичных преобразователей, используемыхв составе этих датчиков, выявлены их достоинства и недостатки. После чего данапостановка задачи исследования, проводимого в данной работе.
Датчик давления состоит (рисунок 1.1) 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 его преобразования в электрический сигнал: тензометрического, пьезорезистивного, емкостного, индуктивнного, резонансного, ионизационного типа.
Рисунок 1.1 Блок-схема преобразователя давления в электрический сигнал.
1.1.1. Тензометрический метод
В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе ЧЭ (рисунок 1.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.
Рисунок 1.2 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента
Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.
Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.
К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.
1.1.2. 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), схематично показанный на рисунке 1.3, представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, включенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.
Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, низкостоймостные (lowcost) решения (рисунок 1.4), основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.
Рисунок 1.3 Кремниевый интегральный преобразователь давления
Рисунок 1.4 Низкостоймостное решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металлотеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 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.
1.1.3. Емкостнойметод
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 1.6).
Рисунок 1.6 Емкостной керамический преобразователь давления, выполненный методами микромеханики
При использовании металлической диафрагмы (рисунок 1.7) ячейка делится на две части, с одной стороны которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер приводит к деформации мембраны, что изменяет емкости, разбалансируя мост. В настоящее время сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Газ будет контактировать только с камерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения давлениязагрязненных, агрессивных, радиоактивных газов и смесей неизвестного состава. В абсолютной модели опорное давление составляет 10–7 – 10–8 мм рт.ст., которое поддерживается в течение длительного времени химическим геттером.
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.
Рисунок 1.7 Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма
1.1.4. 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 1.8). 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 – наступаетрезонанс.
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.
Рисунок 1.8 Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце
1.1.5. Индуктивный метод
Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рисунок 1.9).
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 1.9 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.
?
1.1.6. Ионизационный метод
В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц.
Аналогом являются ламповые диоды (рисунок 1.10).
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.
Рисунок 1.10 Ионизационный датчик вакуума
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.
1.1.7. Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрическийсигнал
Резюмируя вышеизложенное в данном разделе, сведем основные достоинства и недостатки изложенных методов в единую таблицу (Табл. 1.1).
Таблица 1.1. Основные достоинства и недостатки методов измерениядавления
Достоинства Недостатки
Тензометрический (КНС-преобразователи)
1. Высокая степень защиты от агрессивной среды
2. Высокий предел рабочей температуры
3. Налажено серийное производство
4. Низкая стоимость 1. Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики
2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры
3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Окончание таблицы 1.1
Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии)
1. Высокая стабильность характеристик
2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям
3. Низкие гистерезисные эффекты
4. Высокая точность
5. Низкая цена
6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств
1. Ограничение по температуре (до 150?C)
Емкостной
1. Высокая точность
2. Высокая стабильность характеристик
3. Возможность измерятьнизкийвакуум
4. Простотаконструкции 1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от прило- женногодавления
2. Необходимо дополнительное оборудование или элек- трическая схема для преобразования емкостнойзависи-
мости в один из стандартных выходных сигналов
Резонансный
1. Высокаястабильностьхарактеристик
2. Высокаяточностьизмерениядавления 1. При измерении давления агрессивных сред необходи- мо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точностиизмерения
2. Высокая цена
3. Длительноевремяотклика
4. Индивидуальная характеристика преобразования дав- ления в электрическийсигнал
Индукционный
1. Возможность измерять дифференци- альные давления с высокойточностью
2. Незначительное влияние температуры на точностьизмерения
1. Сильное влияниемагнитногополя
2. Чувствительность к вибрациям иударам
Ионизационный
1. Возможностьизмерениевысокогова- куума
2. Высокаяточность
3. Стабильностьвыходныхпараметров 1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум являетсяпорогом)
2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от при- ложенного давления
3. Высокаяхрупкость
4. Необходимо сочетать с другими датчикамидавления
Основным направлением развития аппаратной части электронных цифровых САУ газотурбинных двигателей (ГТД) становится в настоящие время их построение по распределенному принципу. Реализация распределенного управления применительно к авиационным двигателям основывается на двух критических технологиях: высокотемпературной электроники и высокоскоростных линиях связи между элементами системы. Необходимость высокотемпературных датчиков давления обусловлена их расположением вблизи корпуса двигателя. Так же для распределенных систем управления и контроля требуются датчики обладающие погрешностью не более 0,15% от измеряемой величины (ИВ), надежностью не менее 300000 часов на отказ при работе в условиях от минус 60°С до +200°С, с долговечностью более 40000 часов и календарным сроком эксплуатации более 40 лет.
Далее в работе рассмотрены датчики давления, которые в наибольшей степени отвечают заявленным требованиям, а именно, датчики давления на основе пьезорезистивных преобразователей. Это связано с их временной стабильностью, высокой инерционностью, малым током потребления [1], технологичностью изготовления и удобным выходным сигналов для последующей математической обработки для минимизации погрешности сигнала преобразования измерения.
1.2. Обзор вторичных преобразователей, применяемых в датчикахдавления
1.2.1 Мостовые схемы
Широкое распространение для измерения давления в системах измерения, контроля, управления и диагностики газотурбинных двигателей (ГТД) по- лучили полупроводниковые тензорезисторы (пьезорезисторы) сформированные в виде моста Уитстона. В настоящее время мостовая схема Уитстона также представляет наибольший интерес у инженеров электронщиков и экспериментаторов схем преобразования выходных сигналов сенсоров давления. Это связанно с простотой обеспечения питания сенсоров и массой предлагаемых на мировом рынке готовых, интегральных преобразователей давления выполненных на полупроводниковой технологии. Также сформированный мост Уинстона на кремниевым кристалле пригоден для использования его как для динамического, так и для статического давления.
Ниже показаны различные резистивные датчики в диапазоне от 100 Ом до нескольких десятков кОм в зависимости от конструкции датчиков и измеряемой среды.
? тензометрические датчики 120 Ом, 350 Ом, 3500Ом
? динамометры 350 Ом - 3500Ом
? датчики давления 350 Ом - 3500Ом
Резистивные датчики, такие как ТС и тензометрические датчики дают малый процент изменения сопротивления в ответ на изменение физической переменной. Так температурный коэффициент платинового ТС составляет ТКСП = 0,385 %/?С.
Тензометрические датчики даже бросают вызов системе измерения, поскольку изменение сопротивления по всему рабочему диапазону может быть менее 1% от номинальной величины. Таким образом, при использовании
резистивных датчиков особенно важно точно измерять малые изменения сопротивления.
Метод измерения сопротивления, по- казанный на рисунке 1.11, состоит в пропускании постоянного тока через резистивный датчик иизмерении падения напряжения на нем.
Рисунок 1.11 Использование источника постоянного тока для непрямого измерения сопротивления
Здесь требуется точное удержание тока возбуждения и точное измерение выходного напряжения. Вдобавок, мощность, рассеиваемая на резистивном датчике должна быть малой во избежание ошибок, связанных с саморазогреванием (в соответствие с ТУ производителя). Поэтому, ток возбуждения должен быть малым.Весьма притягательной альтернативой для точного измерения малых изменений сопротивления являются мосты Уитстона. На рисунке 1.12 приведена схема измерительного моста.
Мост находится в нулевом (сбалансированном) состоянии при R1/R4 = R2/R3 вне зависимости от способа его возбуждения (постоянным либо переменным током), величины возбуждения или способа считывания выходного сигнала (ток или напряжение), импеданса схемы измерения. Если зафиксировать R2/R3= K, а величину R1 необходимо определить то, введя мост в нулевое состояние с помощью градуированного потенциометра R4, можно рас- считать R1 = K?R4.
Рисунок 1.12 Мост Уитстона
Нулевые измерения используются в системах с электромеханическими элементами.
В большинстве приложений с использованием мостовых датчиков величина отклонения сопротивления одного или нескольких сопротивлений плеч моста измеряется через величину изменения измеряемого параметра. Например, измеряя напряжение диагонали моста, судят об изменении величины составляющих его сопротивлений. Изменение выходного напряжения моста весьма мало (десятки милливольт) даже при значительных возбуждающих напряжениях (V B = 10 В, являющееся типовым для элементов нагрузки – динамометров). На рисунке 1.13 показаны основные применяемые конфигурации измерительных мостов и приведены основные соотношения по выходу и их нелинейности. Следует отметить, что поскольку выход моста пропорционален возбуждению V B, точность измерения выхода не может быть выше точности под- держания возбуждения.
Чувствительность моста – отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения (возбуждению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то чувствительность равна 1 мВ/В.
Рисунок 1.13 Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным напряжением.
Следует особо отметить, что данная нелинейность относится к собственно измерительному мосту и не имеет никакого отношения к нелинейности чувствительного элемента. На практике, большинство чувствительных элементов обладает собственной нелинейностью, которую следует учитывать в конечном результате.
Вследствие того, что нелинейность моста описывается аналитически, достаточно просто учесть ее при цифровой обработке. Полумостовая конфигурация может быть представлена в двух видах:
Первый случай:
Когда оба чувствительных элемента изменяются в одну сторону и монтируются рядом на одной оси. В этом случае нелинейность точно такая же, как при четверть мостовой конфигурации, коэффициент же передачи в два раза выше. Такая конфигурация нашла применение в датчиках давления и расходомерных системах.
Второй случай:
Когда чувствительные элемента изменяются в противоположные стороны и монтируются, например, в случае датчика деформации, на одной оси, но с разных сторон упругого элемента (сверху и снизу изгибаемой в вертикальной плоскости упругойбалки).
Полномостовая конфигурация дает максимальный сигнал на выходе и линейна по своейприроде. Мосты можно также возбуждать постоянным током (а не напряжением, как в предыдущем примере), что представлено на рисунке 1.14. Преимущество метода, когда мост располагается далеко от системы регистрации, состоит в отсутствие ошибок измерения из-за наличия сопротивления соединительных про- водников. Нелинейность имеется только для случая четверть мостовой конфигурации.
Рисунок 1.14 Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным током.
Ниже приводятся факторы, которые необходимо обязательно учитывать при проектировании формирователя сигнала в виде мостовой схемы:
? Выбор конфигурации моста ( 2, 4 чувствительныхэлемента);
? Выбор источника возбуждения Напряжением илиТоком;
? Чувствительностьмоста;
? Верхний предел выхода / Напряжениевозбуждения;
? Типовые значения от 1 мВ/В до 10мВ/В;
? Верхний предел выхода: (10 ..100)мВ;
? Необходимы прецизионные средства Усиления/Нормирования с малыми шумами;
? Могут потребоваться средства линеаризации характеристикисхемы;
? Составляет проблему обслуживание дистанционныхдатчиков.
1.2.1. Управление мостами
Наиболее серьезными проблемами при обслуживании дистанционно расположенных мостов являются конечная величина сопротивления соединительных проводов и шумовые наводки. На рис. 1.15 показан 1/4 мостовой 350 Ом датчик деформации, подключенный к дистанционному чувствительному элементу скрученной парой медных проводов 30-го калибра длинной 33 м. При температуре 25?С сопротивление 33 м такого провода составляет 10,5 Ом. Температурный коэффициент провода ТКС=0.385%/?С. Вычисленная ошибка коэффициента передачи и смещения нуля при увеличении температуры среды на
+10 ?С при 10 В возбуждении составит, соответственно, КПО = –0,26 % от верхнего предела и СНО = +23 % от верхнего предела (FS).
Рисунок 1.15 Ошибки, обусловленные сопротивлением соединительных проводов резистивного моста.
RCOMP= 21 Ом компенсирует начальное смещение моста, вызываемое наличием соединительных проводов от чувствительного элемента. Цифры, приведенные в скобках «()» соответствуют температуре +35 ?С. Отметим, что указанные ошибки не включают в себя ошибки, связанные с ТК собственно чувствительного элемента.
3-х проводное подключение чувствительного элемента существенно уменьшает ошибки, как показано на рисунке 1.16.
Рисунок 1.16 Ошибки, обусловленные сопротивлениемсоединительных проводов резистивного моста при 3-проводном соединении.
Предполагается использование высоко импедансного устройства для измерения выхода с моста (поэтому входной ток равен нулю). Вычисленная ошибка коэффициента передачи и смещения нуля при увеличении температуры среды на +10 °С при 10В возбуждении составит, соответственно, КПО = –0.08
% от верхнего предела и СНО = 0 % от верхнего предела.
3-х проводное подключение дистанционного чувствительного элемента дает весьма хорошие результаты. Однако, в конструктивно законченных устройствах, например, элементе нагрузки, применяется полномостовая конфигурация. При дистанционном расположении такого элемента от нормирующей электроники, для сохранения высокой точности полного моста следует применять специальные методы.
Особое внимание уделяется поддержанию точности и стабильности напряжения возбуждения моста, поскольку выход моста прямо пропорционален возбуждению.
По этой причине большинство из устройств с полно мостовой конфигурацией соединяются по шести проводной схеме: два провода - выход моста, два -возбуждение моста и два – чувствительные провода. Такой метод называется соединением Кельвина. Подключение Кельвина ликвидирует падение напряжения возбуждения на соединительных проводниках. Но, следует указать, что ОУ должны иметь малые смещение, дрейф ишумы.
На рисунке 1.17 показан другой способ минимизации ошибок, обусловленных наличием сопротивления соединительных проводов, с помощью источника тока возбуждения. Требуется стабильность ИОН, измерительного резистора R S и операционного усилителя.
