Примеры применения тензорезистивных датчиков для измерения силы, давления, ускорения, расхода жидкостей и газов.

Датчики физических величин, чувствительный элемент которых основан на применении тензорезисторов, называются тензорезистивными датчиками.

Д атчик силы.

На основе тензорезисторов создаются датчики силы с пределами измерений от долей грамма до десятков тонн. Пределы измерений определяются жесткостью W упругого элемента, который преобразует измеряемую силу в деформацию этого элемента.

Датчик ускорения.

В этих датчиках измеряемое ускорение преобразуется в силу за счет использования силы инерции, действующей на тело с точно известной массой m: , где - ускорение датчика.

В датчиках ускорения значения массы и жесткости упругого элемента подбирают в соответствии с требуемой чувствительностью.

Д атчики давления. В тензорезистивных датчиках давления жидкости или газа измеряемое давление преобразуется в силу с помощью поршня или мембраны, площадь которых известна с высокой точностью.

Датчики давления подразделяются на датчики абсолютного давления, датчики избыточного давления и датчики разности давлений.

Для метрологических испытаний промышленных датчиков давления используются высокоточные датчики или грузопоршневые прессы, образцовое давление в которых создается грузами точного веса.

41

Пьезоэлектрические датчики, принцип действия, материалы, свойства, схема включения. Назначение и устройство пьезодатчиков. Применение для измерений силы, ускорения и давления.

Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторным датчикам. В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект, который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы. Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд. Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь.

Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы , где - коэффициент пьезочувствительности материала.

Точность преобразования силы в заряд довольно высока. Так, кристалл кварца выполняет это преобразование с относительной погрешностью . Дальнейшее преобразование электрического заряда в напряжение выполняет усилитель заряда, и полученное напряжение может быть измерено любым средством измерения напряжения: аналоговым или цифровым вольтметром или АЦП, сопряженным с компьютером.

Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

Рассмотрим цепочку преобразований, которые выполняются с участием перечисленных датчиков. Усилитель заряда включен в состав пьезоэлектрического датчика. В результате входные цепи усилителя приближаются непосредственно к источнику заряда и тем самым уменьшаются погрешности, вызванные несовершенством изоляции кабеля и его емкостью, которая частично шунтирует пьезоэлемент датчика. Однако, при этом к датчику приходится подводить питание, необходимое для работы усилителя.

Усилитель заряда - общий для всех типов пьезоэлектрических датчиков. Он представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления порядка , охваченный глубокой отрицательной емкостной обратной связью. В связи с этим усилитель является, по сути, конденсатором, на выходе которого развивается напряжение , где = (50  100) пФ - емкость конденсатора, стоящего в цепи обратной связи. Параллельно с конденсатором обратной связи включается активное сопротивление Ом.

На основе материалов, обладающих пьезоэффектом, могут быть созданы пьезоэлектрические датчики силы, ускорения и давления. От подобных тензорезистивных датчиков пьезоэлектрические отличаются повышенной температурной стойкостью и повышенной надежностью. Однако при невысоких температурах применения в связи с успехами в микротехнологии тензорезистивные датчики успешно конкурируют с пьезоэлектрическими.

Погрешность лучших современных пьезоэлектрических датчиков ускорения достигает (0,2  0,5) %.

42