Виброрезонанснме датчики давлении

В 80-х годах прошлого века в связи с дальнейшим прогрессом микроэлектроники произошёл переход от резистивного и емкостного методов измерения давления к частотно- резонансному, или виброрсзонансному. Его суть заключается в том, что под действием деформации мембраны происходит пропорциональное изменение частоты колебаний сенсора (от лат. sensus - чувство, ощущение). Уникальность технологии состоит в том, что удалось создать чувствительный элемент - сенсор чрезвычайно малых размеров (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния без швов и смычек. Он представляет собой камеру, в которой находится Н-образный резонатор (см. рис. 4.13).

В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, в которой и расположен чувствительный элемент (рис. 4.14). Кремниевый резонатор имеет малый гистерезис и мало подвержен влиянию температуры.

Внешний вид сенсора

Рис. 4.13. Внешний вид сенсора

Кремниевая мембрана с сенсором

Рис. 4.14. Кремниевая мембрана с сенсором

Возбуждение колебаний и передача частоты механических колебаний в электрическую частоту происходят путём помещения резонатора в постоянное магнитное поле и пропускания переменного тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Благодаря эффекту электромагнитной индукции в измерительном контуре возникает переменная эдс с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура (см. рис. 4.15). Собственная частота ненагруженного контура составляет около 90 кГц.

Собственную частоту резонатора определяют два параметра - масса и геометрические размеры, форма. Масса резонатора, находящегося в герметичной капсуле, измениться не может. Геометрические же размеры жёстко зафиксированы кристаллической решёткой кремния - одной из самой стабильной и упругой структурой. Этим объясняется феноменальная стабильность показаний манометра - 0,1 % от верхнего предела измерений в течение десяти лет.

Электрическая схема сенсора

Рис. 4.15. Электрическая схема сенсора

Внешний вид частотно-резонансного манометра показан на рис. 4.16.

С использованием описанной технологии удалось создать интегральный интеллектуальный прибор на основе двух резонаторов, заключённых в одну мембрану (рис. 4.17). Чувствительные элементы расположены так, что их деформации различаются по знаку при приложении разности давлений к сенсору: внешний сенсор растягивается (частота повышается), а внутренний - сжимается (частота понижается) (рис. 4.18).

Наличие двух капсул с резонаторами позволяет одновременно измерять:

  • - статическое давление (f2 + //);
  • - разность давлений (f2 -//);
  • - температуру (/?).
Мембрана с двумя резонаторами

Рис. 4.17. Мембрана с двумя резонаторами

Внешний вид частотно-резонансного манометра

Рис. 4.16. Внешний вид частотно-резонансного манометра

Зависимость частоты резонатора от величины деформации

Рис. 4.18. Зависимость частоты резонатора от величины деформации

Подобные датчики перекрывают диапазон измерений по давлению или перепаду давления от 0,1 кПа до 50 МПа, имеют малую погрешность (0,04 % от шкалы), стабильность - 0,1 % от верхнего предела измерений в течение десяти лет, удалось сократить время реакции манометра до 95 мс.

В начале 1980-х годов основная погрешность манометров, построенных на традиционных принципах действия, достигала 0,1 % и менее. Сегодня использование достижений микроэлектроники, цифровая обработка информационных сигналов позволили снизить погрешности в 5 - 10 раз и довести их до уровня 0,02 - 0,1 %.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >