Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Устройство и классификация датчиковРазработка и применение датчиков давления — это область, имеющая довольно долгую историю развития и широкую номенклатуру датчиков, основанных на различных физических принципах: от жидкостных манометров до современных полупроводниковых датчиков. Решающими преимуществами последних являются очень малые габариты, дешевизна (при серийном производстве) и простота эксплуатации. Эти преимущества обратили внимание целого ряда фирм на пьезорезистивные датчики. При этом почти все фирмы, производящие полупроводниковые датчики давления, предусматривают их использование в традиционной схеме моста Уитстона, имеющей ряд серьезных недостатков. ♦ схема имеет 4 подбираемых резистора. ♦ принципиально необходимы подбор или подстройка резисторов. ♦ нужны сложные схемы температурной компенсации. ♦ устаревшая технология (наличие подборных элементов не позволяет встроить резисторы в микросхему). ♦ необходимость нескольких источников питания (отдельный источник питания для усилителя). Все эти недостатки заставили фирму Motorola вести активный поиск альтернативного решения, который и увенчался успешной разработкой принципиально нового запатентованного датчика давления, имеющего торговую марку X-ducerТМ (Рис. 8). Это решение имеет следующие преимущества перед датчиками, выполненными в виде моста Уитстона. ♦ датчик представляет собой монолитный элемент, не требующий регулировки. ♦ улучшенные линейность и гистерезис. ♦ термокомпенсация реализуется простыми средствами. ♦ патентованная технология. Элемент "X-ducer™", названный так из-за Х-образной формы датчика, представляет собой монолитный кремниевый измеритель давления, который развивает на выходе напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Элемент имеет высокие показатели линейности, повторяемости, воспроизводимости, чувствительности и отношения сигнал-шум. Классификация кремниевых датчиков "X-ducerТМ" приведена на Рис. 9. Первым классификационным признаком является сложность или степень интеграции датчиков. Простейшим типом датчиков являются некомпенсированные датчики. В этих недорогих базовых датчиках в состав ИС входит только элемент X-ducer. Семейство зависимостей выходного напряжения от разницы давлений приведено на Рис. 10. При постоянной температуре характеристика может быть выражена уравнением: (1) где: — напряжение питания, подводимое к входным контактам датчика, — чувствительность датчика, выражаемая в В/кПа, Uсм — напряжение смещения или просто смещение, напряжение на выходе датчика при нулевом давлении. В диапазоне давлений от нуля до максимального измеряемого давления, являющегося основным параметром для данного типа датчика, характеристика изменяется в соответствии с уравнением (1). Этот диапазон давлений является рабочим диапазоном датчика. Этому диапазону соответствует определенный диапазон выходных напряжений, изменяющихся от напряжения смещения до максимального рабочего напряжения. Разницу между этими двумя Напряжениями будем называть диапазоном выходных напряжений или просто диапазоном.
Kак видно из Рис. 10, чувствительность, смещение и диапазон зависят от температуры. Kроме того, эти три параметра имеют и технологический разброс от образца к образцу, поэтому на Рис. 10 показаны лишь типовые характеристики. Типичное значение диапазона выходного напряжения составляет 60 мВ при максимальном измеряемом давлении. Некомпенсированные датчики дешевле всех остальных. Простота и низкая цена некомпенсированных датчиков приводят к тому, что на плечи потребителей ложится обеспечение целого ряда функций (Рис. 11), которые в более сложных датчиках берет на себя разработчик прибора. Существует несколько схемотехнических способов реализации функций, показанных на Рис. 11, для некомпенсированных датчиков. Первый из них осуществляется с помощью управляемого усилителя (усилителя с регулируемым коэффициентом усиления). Структурная и принципиальная схема такого решения приведена на Рис. 12. При этом в сумматоре Σ усиленный сигнал датчика складывается с сигналом смещения, формируемым программно с помощью калибровочных данных, записанных в перепрограммируемом запоминающем устройстве ППЗУ, встроенном в блок процессора, а температурная компенсация осуществляется за счет дискретного регулирования коэффициента усиления. Для реализации такой структуры необходим датчик температуры, сигнал которого подается на вход ADC0 микропроцессора (см. Рис. 12). Этот сигнал обрабатывается микропроцессором также с использованием информации, записанной в ППЗУ. Второй способ осуществляет чисто программную реализацию температурной компенсации и компенсации смещения. При этом способе используется только один дифференциальный усилитель. Сигнал с датчика температуры используется для программной корректировки усиленного сигнала датчика. При этом также используются калибровочные данные, записанные в ППЗУ. Как видно из приведенных структурных и принципиальных схем, от пользователя требуется достаточный опыт как в применении согласующих операционных усилителей, так и в разработке программного обеспечения для микропроцессоров.
Существенно облегчить задачу пользователя (см. Рис. 11) могут датчики с температурной компенсацией/калибровкой. Эти приборы включают, кроме элементов X-ducer, встроенные в кристалл тонкопленочные резисторы и термисторы, калиброванные с помощью лазерной подгонки с тем, чтобы выдать относительно стабильный выходной сигнал при любой температуре (Рис. 13). Такие параметры, как смещение при нулевом давлении и диапазон, калибруются при изготовлении, чтобы обеспечить незначительный разброс параметров от прибора к прибору. Характеристики для такого датчика (Рис. 14) отличаются от характеристик некомпенсированного датчика тем, что смещение значительно меньше диапазона выходного напряжения. Типичное напряжение при номинальном давлении для этих приборов — 40 мВ. Датчики такого типа имеют умеренную цену. На Рис. 15 приведена структурная и функциональная схема для сопряжения такого датчика с микропроцессорной системой. Kак видно из рисунка, эти схемы наиболее просты и требуют от потребителя разработки лишь дифференциального усилителя сигнала. Высокоомные датчики с температурной компенсацией и калибровкой включают кроме элемента X-ducer встроенные в кристалл тонкопленочные резисторы и термисторы, калиброванные с помощью лазерной подгонки, способные сформировать температурно-независимый выходной сигнал при высоком входном сопротивлении. Смещение при нулевом давлении и диапазон калибруются с тем, чтобы обеспечить незначительный разброс между образцами. Типичное напряжение при номинальном давлении для этих приборов составляет 40 мВ. Стоимость этих датчиков также умерена. Они могут также включаться по схемам, приведенным на Рис. 15. "Верхом искусства" среди датчиков давления фирмы Motorola являются датчики со стандартным выходным сигналом, в еще большей степени облегчающие задачи пользователя (Рис. 16). Эти датчики содержат кроме элементов X-ducer и встроенных в кристалл элементов температурной компенсации и калибровки, схему усилителя для увеличения выходного сигнала до стандартной величины в 4.5 В при номинальном давлении. Характеристики этих датчиков, представленные на Рис. 16 подобны характеристикам компенсированных датчиков, за исключением того, что диапазон выходного напряжения составляет уже не десятки милливольт, а величину примерно в 4 В, что позволяет подключить их непосредственно на вход АЦП микроконтроллера без всякого усилителя. Эти датчики конечно несколько дороже компенсированных, но они требуют минимальных усилий от пользователя и в наибольшей степени приближаются к идеальным датчикам. Структурные схемы для включения таких датчиков (Рис. 17) чрезвычайно просты. Вторым классификационным признаком (см. Рис. 9) является тип измеряемого датчиком давления. Датчик всегда измеряет разницу между двумя давлениями, при этом по крайней мере одно давление должно быть подведено с помощью трубопровода. Оно подается обычно с внешней стороны диафрагмы (давление Р1 на Рис. 13, 14, 15). В зависимости от давления с внутренней стороны диафрагмы и различаются типы датчиков по данному классификационному признаку. Дифференциальные датчики давления (Рис. 18) используются тогда, когда необходимо измерить разницу между двумя точками приложения давления. Типичным применением дифференциального датчика является измерение падения давления воздуха в воздушной трубке фильтра. Если подсоединить два входа датчика, подведенных к обеим сторонам диафрагмы фильтра, то измеряемое давление будет равно падению давления на фильтре. Если фильтр чист, то это давление будет близко к нулю. При загрязнении фильтра датчик покажет некоторую разницу, и это будет означать, что фильтр пора менять. Относительный датчик (Рис. 19) — это тот же дифференциальный датчик, одной стороной открытый в атмосферу. Примером такого датчика является медицинский измеритель давления крови.
В абсолютном датчике давления доступна только одна сторона (Рис. 20). На второй стороне позади диафрагмы внутри кристалла имеется откачанный вакуумный промежуток, давление в котором и является опорным. Абсолютные датчики давления используются в барометрах, высотомерах, измерителях давления в трубах, на метеостанциях и воздушных шарах для метеоисследований.
|