חיישני לחץ חשמליים

כיום, על מנת למדוד לחץ בתחומי התעשייה השונים, נעשה שימוש לא רק בברומטר כספית ובאנרואידים, אלא גם בחיישנים שונים הנבדלים זה מזה הן בעקרון הפעולה והן ביתרונות ובחסרונות הגלומים בכל סוג של חיישנים כאלה. אלקטרוניקה מודרנית מאפשרת יישום חיישני לחץ ישירות על בסיס חשמלי, אלקטרוני.

אז למה אנחנו מתכוונים במונח "חיישן לחץ חשמלי"? מהם חיישני לחץ חשמליים? איך הם מסודרים ואיזה פונקציות יש להם? לסיום, באיזה חיישן לחץ כדאי לבחור כדי שיתאים ביותר למטרה מסוימת? את זה נגלה במהלך מאמר זה.

ראשית, בואו נגדיר את המונח עצמו. חיישן לחץ הוא מכשיר שפרמטרי התפוקה שלו תלויים בלחץ הנמדד. מדיום הבדיקה יכול להיות אד, נוזל או גז כלשהו, ​​בהתאם ליישום של חיישן מסוים.

מערכות מודרניות דורשות כלים מדויקים מסוג זה כמרכיבים חשובים של מערכות אוטומציה לתעשיות חשמל, נפט, גז, מזון ועוד רבות אחרות.מתמרי לחץ מיניאטוריים חיוניים ברפואה.

כל חיישן לחץ חשמלי כולל: אלמנט רגיש המשמש להעברת הזעזוע למתמר הראשי, מעגל עיבוד אותות ובית. בעיקר חיישני לחץ חשמלי מחולקים ל:

• התנגדות (tensoresistive);

• פיזואלקטרי;

• תהודה פיזו;

• קיבולי;

• אינדוקטיבי (מגנטי);

• אופטואלקטרוניקה.

חיישן לחץ התנגדות או מד מתח זהו מכשיר שהאלמנט הרגיש שלו משנה את ההתנגדות החשמלית שלו בפעולת עומס מעוות. מדי מתח מותקנים על קרום רגיש שמתכופף בלחץ ומכופף את מדי המתח המחוברים אליו. ההתנגדות של מדי המתח משתנה וגודל הזרם במעגל הראשוני של הממיר משתנה בהתאם.

מתיחת האלמנטים המוליכים של כל מד מתח גורמת לעלייה באורך ולירידה בחתך, וכתוצאה מכך לעלייה בהתנגדות. בדחיסה זה הפוך. שינויים יחסיים בהתנגדות נמדדים באלפיות, ולכן משתמשים במגברים מדויקים עם ADC במעגלי עיבוד אותות. לפיכך, המתח מומר לשינוי בהתנגדות החשמלית של מוליך למחצה או מוליך ולאחר מכן לאות מתח.

מדי מתח הם בדרך כלל אלמנט מוליך זיגזג או מוליך למחצה המוחל על בסיס גמיש הנצמד לממברנה. המצע עשוי בדרך כלל מנציץ, נייר או סרט פולימר, והאלמנט המוליך הוא נייר כסף, חוט דק או מוליך למחצה מרוסס בוואקום על מתכת.החיבור של האלמנט הרגיש של מד המתח למעגל המדידה מתבצע באמצעות רפידות מגע או חוטים. מדי המתח עצמם הם בדרך כלל בשטח של 2 עד 10 מ"ר.

חיישני תא עומס מעולה להערכת רמות לחץ, חוזק לחיצה ומדידות משקל.

הסוג הבא של חיישן לחץ חשמלי הוא פיזואלקטרי... כאן, האלמנט הפיאזואלקטרי פועל כאלמנט רגיש. אלמנט פיזואלקטרי המבוסס על פיזואלקטרי מייצר אות חשמלי כאשר הוא מעוות, זהו האפקט הפייזואלקטרי הישיר. האלמנט הפיאזואלקטרי ממוקם בתווך הנמדד ואז הזרם במעגל המתמר יהיה פרופורציונלי בגודלו לשינוי הלחץ באותו המדיום.

מאחר והופעת האפקט הפיאזואלקטרי מחייבת שינוי מדויק בלחץ ולא לחץ קבוע, מתמר לחץ מסוג זה מתאים למדידת לחץ דינמית בלבד. אם הלחץ קבוע, אז תהליך העיוות של האלמנט הפיאזואלקטרי לא יתרחש והזרם לא יווצר על ידי הפייזואלקטרי.

חיישני לחץ פיזואלקטריים משמשים, למשל, במתמרי זרימה ראשונית של מדי מערבולת עבור מים, קיטור, גז ומדיה הומוגנית אחרת. חיישנים כאלה מותקנים בזוגות בצינור עם פתח נומינלי של עשרות עד מאות מילימטרים מאחורי גוף הזרימה וכך רושמים מערבולות שתדירותן ומספרן פרופורציונליים לקצב הזרימה הנפחית ולקצב הזרימה.

קחו בחשבון עוד חיישני לחץ פיזו-תהודה... בחיישני לחץ פיזו-תהודה, פועל האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שבו הפיאזואלקטרי מעוות בפעולת המתח המופעל, וככל שהמתח גבוה יותר, כך העיוות חזק יותר. החיישן מבוסס על מהוד בצורת לוח פיזואלקטרי, שמשני צידיה מחוברות אלקטרודות.

כאשר מתח חילופין מופעל על האלקטרודות, חומר הלוח רוטט, מתכופף לכיוון זה או אחר, ותדירות הרעידות שווה לתדירות המתח המופעל. עם זאת, אם הצלחת מעוותת כעת על ידי הפעלת כוח חיצוני עליה, למשל דרך קרום רגיש ללחץ, אזי תדירות התנודות החופשיות של המהוד תשתנה.

אז, התדר הטבעי של המהוד ישקף את כמות הלחץ על הממברנה הלוחצת על המהוד, וכתוצאה מכך שינוי בתדר. כדוגמה, שקול חיישן לחץ מוחלט המבוסס על תהודה פיזו.

הלחץ הנמדד מועבר לתא 1 דרך חיבור 12. תא 1 מופרד על ידי ממברנה מחלק המדידה הרגיש של המכשיר. גוף 2, בסיס 6 וממברנה 10 אטומים יחד ליצירת תא אטום שני. בתא האטום השני של הבסיס 6, קבועים מחזיקים 9 ו-4, השני מהם מחובר לבסיס 6 באמצעות גשר 3. המחזיק 4 משמש לקיבוע המהוד הרגיש 5. המהוד התומך 8 הוא קבוע על ידי המחזיק 9.

תחת פעולת הלחץ הנמדד, הממברנה 10 לוחצת דרך השרוול 13 על הכדור 14, שגם הוא קבוע במחזיק 4.הכדור 14, בתורו, לוחץ על המהוד הרגיש 5. חוטים 7, קבועים בבסיס 6, מחברים את התהודה 8 ו-5 למחוללים 16 ו-17, בהתאמה. כדי ליצור אות פרופורציונלי לגודל הלחץ המוחלט, נעשה שימוש במעגל 15, שיוצר אות פלט מההבדל בתדרים של המהוד. החיישן עצמו ממוקם בתרמוסטט פעיל 18, השומר על טמפרטורה קבועה של 40 מעלות צלזיוס.

חלק מהפשוטים הם חיישני לחץ קיבוליים... שתי האלקטרודות השטוחות והפער ביניהן יוצרים קבל. אחת האלקטרודות היא ממברנה שעליה פועל הלחץ הנמדד, מה שמוביל לשינוי בעובי הפער בין לוחות הקבל בפועל. ידוע היטב כי הקיבול של קבל שטוח משתנה עם שינוי בגודל הפער עבור שטח קבוע של הלוחות, ולכן, כדי לזהות אפילו שינויים קטנים מאוד בלחץ, חיישנים קיבוליים הם מאוד מאוד יעילים.

חיישני לחץ קיבוליים בעלי ממדים קטנים מאפשרים מדידת לחץ יתר בנוזלים, גזים, קיטור. חיישני לחץ קיבוליים שימושיים בתהליכים תעשייתיים שונים תוך שימוש במערכות הידראוליות ופנאומטיות, במדחסים, במשאבות, במכונות. עיצוב החיישן עמיד בפני טמפרטורה קיצונית ורעידות, חסין מפני הפרעות אלקטרומגנטיות ותנאי סביבה אגרסיביים.

סוג נוסף של חיישני לחץ חשמליים, הדומים מרחוק לחיישנים קיבוליים - אינדוקטיביים או מגנטיים... הממברנה המוליכה הרגישה ללחץ נמצאת במרחק מסוים מהמעגל המגנטי הדק בצורת W, שעל הליבה האמצעית שלו נרקם הסליל.מרווח אוויר מסוים נקבע בין הממברנה למעגל המגנטי.

כאשר מתח מופעל על הסליל, הזרם בו יוצר שטף מגנטי העובר הן דרך המעגל המגנטי עצמו והן דרך מרווח האוויר ודרך הממברנה, ונסגר. מאחר והחדירות המגנטית בפער קטנה בקירוב פי 1000 מאשר במעגל המגנטי ובממברנה, גם שינוי קטן בעובי הפער מוביל לשינוי ניכר בהשראות המעגל.

בהשפעת הלחץ הנמדד, דיאפרגמת החיישן מתכופפת וההתנגדות המורכבת של הסליל משתנה. המתמר ממיר את השינוי הזה לאות חשמלי. חלק המדידה של הממיר נעשה על פי מעגל הגשר, כאשר סליל החיישן כלול באחת הזרועות. באמצעות ADC, האות מחלק המדידה מומר לאות חשמלי פרופורציונלי ללחץ הנמדד.

הסוג האחרון של חיישני לחץ שנבחן הוא חיישנים אופטואלקטרוניים... הם די פשוטים לזיהוי לחץ, בעלי רזולוציה גבוהה, בעלי רגישות גבוהה והם יציבים תרמית. הפעלה על בסיס הפרעות אור, תוך שימוש באינטרפרומטר של Fabry-Perot למדידת תזוזות קטנות, חיישנים אלו מבטיחים במיוחד. גביש ממיר אופטי עם צמצם, LED וגלאי המורכב משלוש פוטודיודות הם החלקים העיקריים של חיישן כזה.

מסננים אופטיים של Fabi-Perot עם הפרש עובי קטן מחוברים לשתי פוטודיודות. מסננים אלו הם מראות סיליקון מחזירי אור מהמשטח הקדמי המכוסות בשכבת תחמוצת סיליקון, שעל פניה מונחת שכבה דקה של אלומיניום.

המתמר האופטי דומה לחיישן לחץ קיבולי, הסרעפת שנוצרת על ידי תחריט במצע סיליקון חד גבישי מכוסה בשכבה דקה של מתכת. בצד התחתון של לוח הזכוכית יש גם ציפוי מתכת. קיים פער של רוחב w בין לוח הזכוכית למצע הסיליקון, המתקבל באמצעות שני מרווחים.

שתי שכבות מתכת יוצרות אינטרפרומטר Fabia-Perot בעל מרווח אוויר משתנה w הכולל: מראה ניתנת להזזה הממוקמת על הממברנה, המשנה את מיקומה בעת משתנה הלחץ, ומראה שקוף נייח במקביל לה על לוח זכוכית.

על בסיס זה, FISO Technologies מייצרת מתמרי לחץ רגישים מיקרוסקופיים בקוטר של 0.55 מ"מ בלבד העוברים בקלות דרך עין המחט. בעזרת צנתר מוחדר מיני חיישן לנפח הנחקר שבתוכו נמדד הלחץ.

הסיב האופטי מחובר לחיישן חכם, שבו, בשליטה של ​​מיקרו-מעבד, מופעל מקור של אור מונוכרומטי המוכנס לסיב, נמדדת עוצמת שטף האור המוחזר לאחור, הלחץ החיצוני על החיישן מחושב מנתוני הכיול ומוצג בתצוגה. ברפואה, למשל, משתמשים בחיישנים כאלה לניטור לחץ תוך גולגולתי, למדידת לחץ דם בעורקי הריאה, שלא ניתן להגיע אליו בדרך אחרת.