cảm biến áp suất điện

Ngày nay, để đo áp suất trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, người ta không chỉ sử dụng phong vũ biểu thủy ngân và aneroid mà còn sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau cả về nguyên tắc hoạt động cũng như ưu điểm và nhược điểm vốn có của từng loại cảm biến đó. Các thiết bị điện tử hiện đại cho phép thực hiện các cảm biến áp suất trực tiếp trên cơ sở điện, điện tử.

Vậy chúng ta hiểu thuật ngữ “cảm biến áp suất điện” nghĩa là gì? Cảm biến áp suất điện là gì? Chúng được sắp xếp như thế nào và có những chức năng gì? Cuối cùng, bạn nên chọn loại cảm biến áp suất nào sao cho phù hợp nhất với mục đích sử dụng cụ thể? Chúng ta sẽ tìm hiểu trong quá trình của bài viết này.

Đầu tiên, hãy xác định thuật ngữ chính nó. Cảm biến áp suất là thiết bị có thông số đầu ra phụ thuộc vào áp suất đo được. Môi trường thử nghiệm có thể là hơi, chất lỏng hoặc khí, tùy thuộc vào ứng dụng của một cảm biến cụ thể.

Các hệ thống hiện đại yêu cầu các công cụ chính xác thuộc loại này như các thành phần quan trọng của hệ thống tự động hóa cho năng lượng, dầu, khí đốt, thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác.Bộ chuyển đổi áp suất thu nhỏ rất quan trọng trong y học.

Mỗi cảm biến áp suất điện bao gồm: một phần tử nhạy cảm dùng để truyền sốc đến đầu dò chính, mạch xử lý tín hiệu và vỏ. Chủ yếu là cảm biến áp suất điện được chia thành:

• Điện trở (tensoresistive);

• áp điện;

• Cộng hưởng Piezo;

• điện dung;

• Cảm ứng (từ tính);

• quang điện tử.

Cảm biến áp suất đo điện trở hoặc biến dạng Đây là một thiết bị có phần tử nhạy cảm thay đổi điện trở của nó dưới tác động của tải biến dạng. Đồng hồ đo biến dạng được gắn trên một màng nhạy cảm uốn cong dưới áp lực và uốn cong đồng hồ đo biến dạng gắn vào nó. Điện trở của đồng hồ đo biến dạng thay đổi và cường độ dòng điện trong mạch sơ cấp của bộ chuyển đổi cũng thay đổi tương ứng.

Việc kéo dài các phần tử dẫn điện của mỗi máy đo biến dạng sẽ làm tăng chiều dài và giảm tiết diện, dẫn đến tăng điện trở. Trong nén thì ngược lại. Những thay đổi tương đối về điện trở được đo bằng phần nghìn, vì vậy các bộ khuếch đại chính xác với ADC được sử dụng trong các mạch xử lý tín hiệu. Do đó, biến dạng được chuyển đổi thành sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn hoặc dây dẫn và sau đó thành tín hiệu điện áp.

Máy đo biến dạng thường là một phần tử dẫn điện hoặc bán dẫn ngoằn ngoèo được áp dụng cho một đế mềm dính vào màng. Chất nền thường được làm bằng mica, giấy hoặc màng polyme và phần tử dẫn điện là lá kim loại, dây mỏng hoặc chất bán dẫn được phun chân không lên kim loại.Việc kết nối phần tử nhạy cảm của máy đo biến dạng với mạch đo được thực hiện bằng cách sử dụng các miếng tiếp xúc hoặc dây. Bản thân các máy đo biến dạng thường có diện tích từ 2 đến 10 mm vuông.

Cảm biến tải trọng tuyệt vời để ước tính mức áp suất, cường độ nén và đo trọng lượng.

Loại cảm biến áp suất điện tiếp theo là áp điện… Ở đây, phần tử áp điện đóng vai trò là phần tử nhạy cảm, phần tử áp điện dựa trên áp điện tạo ra tín hiệu điện khi nó bị biến dạng, đây được gọi là hiệu ứng áp điện trực tiếp. Phần tử áp điện được đặt trong môi trường đo và sau đó dòng điện trong mạch đầu dò sẽ tỷ lệ thuận về độ lớn với sự thay đổi áp suất trong môi trường đó.

Do sự xuất hiện của hiệu ứng áp điện đòi hỏi sự thay đổi chính xác về áp suất thay vì áp suất không đổi nên loại đầu dò áp suất này chỉ phù hợp để đo áp suất động. Nếu áp suất không đổi thì quá trình biến dạng của phần tử áp điện sẽ không xảy ra và dòng điện sẽ không được tạo ra bởi áp điện.

Cảm biến áp suất áp điện được sử dụng, ví dụ, trong các bộ chuyển đổi dòng chảy sơ cấp của đồng hồ đo xoáy cho nước, hơi nước, khí đốt và các môi trường đồng nhất khác. Các cảm biến như vậy được lắp đặt theo cặp trong một đường ống có độ mở danh nghĩa từ hàng chục đến hàng trăm milimét phía sau thân dòng chảy và do đó ghi lại các xoáy có tần số và số lượng tỷ lệ thuận với tốc độ dòng thể tích và tốc độ dòng chảy.

Xem xét thêm các cảm biến áp suất cộng hưởng áp điện... Trong cảm biến áp suất cộng hưởng áp điện, hiệu ứng áp điện ngược hoạt động, trong đó áp điện bị biến dạng dưới tác động của điện áp đặt vào và điện áp càng cao thì biến dạng càng mạnh. Cảm biến dựa trên một bộ cộng hưởng ở dạng một tấm áp điện, ở cả hai mặt của nó được gắn các điện cực.

Khi một điện áp xoay chiều được đặt vào các điện cực, vật liệu tấm dao động, uốn cong theo hướng này hay hướng khác và tần số dao động bằng tần số của điện áp đặt vào. Tuy nhiên, nếu bây giờ tấm bị biến dạng do tác dụng ngoại lực lên nó, chẳng hạn như thông qua một màng nhạy cảm với áp suất, thì tần số dao động tự do của bộ cộng hưởng sẽ thay đổi.

Vì vậy, tần số tự nhiên của bộ cộng hưởng sẽ phản ánh lượng áp suất trên màng ép lên bộ cộng hưởng, dẫn đến sự thay đổi tần số. Ví dụ, hãy xem xét một cảm biến áp suất tuyệt đối dựa trên cộng hưởng áp điện.

Áp suất đo được truyền đến buồng 1 thông qua kết nối 12. Buồng 1 được ngăn cách bởi một màng với bộ phận đo nhạy cảm của thiết bị. Cơ thể 2, cơ sở 6 và màng 10 được niêm phong với nhau để tạo thành buồng kín thứ hai. Trong buồng kín thứ hai của đế 6, giá đỡ 9 và 4 được cố định, giá đỡ thứ hai được gắn vào đế 6 bằng cầu 3. Giá đỡ 4 dùng để cố định bộ cộng hưởng nhạy cảm 5. Bộ cộng hưởng hỗ trợ 8 là được cố định bởi giá đỡ 9.

Dưới tác động của áp suất đo được, màng 10 ép qua ống bọc 13 trên quả bóng 14, cũng được cố định trong giá đỡ 4.Lần lượt, quả bóng 14 ấn vào bộ cộng hưởng nhạy cảm 5. Dây 7, được cố định ở đế 6, lần lượt kết nối các bộ cộng hưởng 8 và 5 với bộ tạo 16 và 17. Để tạo tín hiệu tỷ lệ thuận với độ lớn của áp suất tuyệt đối, mạch 15 được sử dụng, tạo tín hiệu đầu ra từ sự khác biệt về tần số của bộ cộng hưởng. Bản thân cảm biến được đặt trong bộ điều nhiệt hoạt động 18, duy trì nhiệt độ không đổi ở 40 ° C.

Một số đơn giản nhất là cảm biến áp suất điện dung... Hai điện cực phẳng và khe hở giữa chúng tạo thành một tụ điện. Một trong các điện cực là một màng mà áp suất đo được tác động lên đó, dẫn đến sự thay đổi độ dày của khe hở giữa các bản tụ điện thực sự. Người ta biết rằng điện dung của một tụ điện phẳng thay đổi theo sự thay đổi kích thước của khe hở đối với một diện tích không đổi của các bản, do đó, để phát hiện những thay đổi dù rất nhỏ về áp suất, cảm biến điện dung rất, rất hiệu quả.

Cảm biến áp suất điện dung với kích thước nhỏ cho phép đo quá áp trong chất lỏng, khí, hơi nước. Cảm biến áp suất điện dung rất hữu ích trong các quy trình công nghiệp khác nhau sử dụng hệ thống thủy lực và khí nén, trong máy nén, máy bơm, trên máy công cụ. Thiết kế của cảm biến có khả năng chống lại sự khắc nghiệt của nhiệt độ và rung động, không bị nhiễu điện từ và các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Một loại cảm biến áp suất điện khác, tương tự từ xa với cảm biến điện dung - cảm ứng hoặc cảm biến từ tính... Màng dẫn điện nhạy áp suất nằm ở một khoảng cách nào đó so với mạch từ mỏng hình chữ W, trên lõi giữa mà cuộn dây được quấn.Một khe hở không khí nhất định được thiết lập giữa màng và mạch từ.

Khi một điện áp được đặt vào cuộn dây, dòng điện trong nó tạo ra một từ thông đi qua cả mạch từ và qua khe hở không khí và qua màng, đóng lại. Do tính thấm từ trong khe nhỏ hơn khoảng 1000 lần so với trong mạch từ và trong màng, nên ngay cả một thay đổi nhỏ về độ dày của khe cũng dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ tự cảm của mạch.

Dưới ảnh hưởng của áp suất đo được, màng cảm biến bị uốn cong và điện trở phức tạp của cuộn dây thay đổi. Đầu dò chuyển sự thay đổi này thành tín hiệu điện. Phần đo lường của bộ chuyển đổi được chế tạo theo mạch cầu, trong đó cuộn cảm biến được đưa vào một trong các nhánh. Sử dụng ADC, tín hiệu từ bộ phận đo được chuyển đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với áp suất đo được.

Loại cảm biến áp suất cuối cùng mà chúng ta sẽ xem xét là cảm biến quang điện tử… Chúng khá đơn giản để phát hiện áp suất, có độ phân giải cao, độ nhạy cao và ổn định nhiệt. Hoạt động trên cơ sở giao thoa ánh sáng, sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot để đo các chuyển vị nhỏ, các cảm biến này đặc biệt hứa hẹn. Một tinh thể chuyển đổi quang có khẩu độ, đèn LED và máy dò bao gồm ba điốt quang là những bộ phận chính của cảm biến như vậy.

Bộ lọc quang Fabi-Perot có độ dày chênh lệch nhỏ được gắn vào hai điốt quang. Các bộ lọc này là các gương silicon phản chiếu từ bề mặt phía trước được phủ một lớp oxit silic, trên bề mặt được lắng đọng một lớp nhôm mỏng.

Đầu dò quang tương tự như cảm biến áp suất điện dung, màng ngăn được hình thành bằng cách ăn mòn trong chất nền silicon đơn tinh thể được phủ một lớp kim loại mỏng. Mặt dưới của tấm kính cũng có lớp phủ kim loại. Có một khoảng cách rộng w giữa tấm thủy tinh và đế silicon, thu được bằng cách sử dụng hai miếng đệm.

Hai lớp kim loại tạo thành một giao thoa kế Fabia-Perot với khe hở không khí thay đổi w, bao gồm: một gương di động nằm trên màng, thay đổi vị trí của nó khi áp suất thay đổi và một gương mờ cố định song song với nó trên một tấm kính.

Trên cơ sở này, FISO Technologies sản xuất các bộ chuyển đổi áp suất siêu nhạy với đường kính chỉ 0,55 mm dễ dàng đi qua mắt kim. Với sự trợ giúp của một ống thông, một cảm biến nhỏ được đưa vào thể tích nghiên cứu, bên trong đó áp suất được đo.

Sợi quang được kết nối với một cảm biến thông minh, trong đó, dưới sự điều khiển của bộ vi xử lý, nguồn ánh sáng đơn sắc được đưa vào sợi quang được bật lên, cường độ của luồng ánh sáng phản xạ ngược được đo, áp suất bên ngoài trên sợi quang. cảm biến được tính toán từ dữ liệu hiệu chuẩn và hiển thị trên màn hình. Ví dụ, trong y học, những cảm biến như vậy được sử dụng để theo dõi áp suất nội sọ, đo huyết áp trong động mạch phổi, không thể đạt được bằng bất kỳ cách nào khác.