Конструкции и принципы работы микромеханических приборов. Первичные преобразователи и исполнительные механизмы презентация

устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Составные части ДД

Первичный преобразователь давления, в составе которого чувствительный элемент - приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала.
Основные отличия одних приборов от других: пределы измерений, динамически1 и частотный диапазон, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, принцип преобразования давления в электрический сигнал.

выдавать сигнал в измерительную цепь. Для выбора оптимальной схемы построения прибора, предназначенного для применения практически во всех отраслях промышленности, вводятся критерии, по которым сравниваются предполагаемые решения.
• Первый критерием - способ преобразования механической
величины в электрическую;
• Второй критерием – технологическое воспроизведение этого способа в
промышленных масштабах.

Т.о. основным элементом ДД является механоэлектрический преобразователь, то есть устройство, преобразующее давление, в электрический параметр: сопротивление, емкость, электрический заряд и т.д.

механоэлектрический преобразователь – СЕНСОР, который имеет чувствительный элемент (ЧЭ)

на основные группы:

– жидкостные датчики давления прямого измерения;
– жидкостные датчики дифференциального давления прямого измерения;
– механические датчики давления прямого измерения;
– механические датчики дифференциального давления прямого измерения;
– тензорезистивные датчики давления косвенного измерения;
– тензорезистивные датчики дифференциального давления косвенного измерения;
– емкостно-частотные датчики давления косвенного измерения;
– емкостно-частотные датчики дифференциального давления косвенного измерения;
– кремниево-резонансные датчики давления косвенного измерения;
– кремниево-резонансные датчики дифференциального давления косвенного измерения.

ЧЭ

специального назначения (для пищевой, химической, нефтяной или газовой промышленности, для применения на судах);
• OEM.

с дисплеем;
• экономичные датчики;
• реле давления.

измерения величины абсолютного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление - вакуум.
Воздух из внутренней полости чувствительного элемента датчика откачан. Барометр - частный случай датчика абсолютного давления.

Датчики избыточного давления предназначены для измерения величины
избыточного давления жидких и газообразных сред. Опорное давление - атмосферное; таким образом, одна сторона мембраны соединена с атмосферой.
Датчики избыточного давления-разряжения представляют собой сочетание датчиков избыточного и вакуумметрического давлений, т.е. измеряют как давление, так и разрежение.

Датчики дифференциального (разности, перепада) давления предназначены для измерения разности давления среды и используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

имеют различные метрологические характеристики
(классы точности) - обычно от 0,05% до 0,5%. Особо точные датчики используются на важных объектах в различных отраслях промышленности.

Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА.

Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.

HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет — их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций. На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.

Преимущества: высокая помехозащищённость; простота и низкая стоимость монтажа дешевизна; широкая распространённость в мире и России
Недостатки: малые скорости 4kB/s; нестабильное подключение.

низкого, сверхнизкого давления
(P<0,1 МПа);
• среднего давления (0,1≤P≤60 МПа).

По совокупности метрологических и эксплуатационных характеристик датчики под разделяют на:

• экономичные;
• высокоточные;
• многопараметрические;
• интеллектуальные датчики.

По типу измеряемой среды:
•неагрессивные газы и жидкости;
•агрессивные газы и жидкости;
•пищевые среды;
•вязкие среды;
•абразивные среды.

относительная погрешность средств измерения, выраженная абсолютной погрешностью средства измерения к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений. 
Пределы дополнительных погрешностей, таких как влияние температуры, статического давления, односторонней перегрузки и т. п.
 Стабильность  (предел изменения метрологических характеристик за установленный период времени).
Предел основной погрешности в основном диапазоне  перенастройки шкалы нормируется, как правило, в% шкалы. Способы выражения остальных метрологических характеристик определяются изготовителем прибора.

с нормированным выходным сигналом;
•с пассивной температурной компенсацией;
•активной температурной компенсацией;
•с микропроцессорной обработкой сигнала.

По типу выходного сигнала датчики под-
разделяются на датчики:
• с аналоговым выходным сигналом;
•с цифровым выходным сигналом;
•с релейным выходным сигналом.

По типу механического присоединения
также различают датчики:
•с резьбовыми присоединениями;
•с фланцевыми присоединениями;
• с гигиеническими присоединениями;
•погружные.

(абсолютное, избыточное или дифференциальное, рабочее и максимальное воздействующее давление, статические или динамические давления, срок службы);
• анализ метрологических характеристик, учет влияния окружающих условий (перепадов температуры, вибрации, ударов, влажности, электромагнитных помех, электростатического разрушения, помех по цепям питания, выхода, КЗ);
• анализ требований к электрическому интерфейсу (аналоговый или цифровой выходной сигнал);
• учет требований для механической установки (инсталляции);
• учет стоимости;
• оптимальный выбор датчика.

Рекомендуется выбрать несколько известных производителей и сравнить датчики с аналогичной спецификацией, предлагаемые
для данного применения.

так и быстропеременные. В первом случае их спектр лежит в области низких частот. Для того, чтобы с высокой точностью оцифровать такой сигнал необходимо подавить высокочастотную часть спектра, полностью состоящую из помех. Это особенно актуально в промышленных условиях.

Специально для ввода медленноменяющихся сигналов используются интегрирующие АЦП. Они проводят измерение не мгновенного значения сигнала (которое изменяется под действием помех), а интегрируют сигнальную функцию за заданный промежуток времени, который заведомо меньше постоянной времени процессов, происходящих в контролируемой среде, но заведомо больше периода самой низкочастотной помехи. Интегрирующие АЦП выпускают многие зарубежные фирмы (Texas Instruments, Analog Devices и др).

пьезорезистивных или емкостных датчиков. Такие приборы способны измерять статические или медленно изменяемые давления и идеально подходят для мониторинга различных процессов.
Большинство датчиков статического давления имеют ограниченную чувствительность около 1000 Гц и соответствующее время нарастания импульса около 1 мс.

Датчики динамического давления характеризуются способностью быстрого отклика – в течение микросекунд; они могут реагировать на частоты свыше 100 кГц. Очень часто они используют технологии пьезоэлектрического кварца, хотя другие пьезоэлектрические кристаллы также могут использоваться в зависимости от применения.

В пьезоэлектрических датчиках давления нет движущихся частей, они прочны, имеют линейные характеристики, долговечны и обладают хорошей воспроизводимостью результатов. Они могут противостоять высоким статическим нагрузкам, однако с высокой точностью реагируют на небольшие колебания давления.

основе чувствительных элементов, 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.

Практически все производители датчиков в России проявляют 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

гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
недостаточная стабильность (из-за "усталости" материала мембраны);
чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).

простота в изготовлении, невысокая стоимость и потенциально широкий диапазон рабочих температур.
К недостаткам тензорезистивных сенсоров можно отнести:
низкую чувствительность (в пределах 1%);
значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и "усталости" металла мембраны);
сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);
сильное влияние статического давления (из-за различия упругих свойств элементов конструкции);
наличие нелинейности.

Достоинствами пьезорезистивных сенсоров являются малый гистерезис, стойкость к вибрации и однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
низкая чувствительность (2...5%);
сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
существенное влияние статического давления;
недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
наличие нелинейности.

давления имеет значение еще один их недостаток – аналоговый выходной сигнал, который необходимо усиливать и оцифровывать для обработки микропроцессором электронного модуля.

деформации в частоту колебаний.

Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.

Отсутствие гистерезиса
Практически отсутствует нелинейность
Собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов (иммунитет к вибрации)
самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления
отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен "усталости«
частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования

средой
3. Электрическое подключение датчика
4. Отказы датчиков

Подготовка посадочного места

Монтаж датчика

мембрана с тензорезисторными или иными ПП либо с емкостными (или другими) преобразователями перемещений мембраны.