1 Principios y aplicaciones de los sensores de presión extensométricos
Existen muchos tipos de sensores mecánicos, como sensores de presión extensométricos de resistencia, sensores de presión extensométricos semiconductores, sensores de presión piezoresistivos, inductivos. Sensor de presión, sensor de presión capacitivo, sensor de presión resonante, sensor de aceleración capacitivo, etc. Pero el más utilizado es el sensor de presión piezoresistivo, que tiene un precio extremadamente bajo, alta precisión y buenas características lineales. A continuación presentamos principalmente este tipo de sensor.
Al analizar los sensores de fuerza resistivos, primero nos fijamos en las galgas extensométricas resistivas. El medidor de tensión de resistencia es un dispositivo sensible que convierte los cambios de tensión en la pieza medida en señales eléctricas. Es uno de los componentes principales del sensor de deformación piezoresistivo. Las galgas extensométricas de resistencia metálica y las galgas extensométricas de semiconductores se utilizan ampliamente. Hay dos tipos de extensímetros de resistencia metálica: extensímetros de alambre metálico y extensímetros de lámina metálica. Normalmente, el medidor de tensión está firmemente adherido al sustrato que crea la tensión mecánica mediante un adhesivo especial. Cuando cambia la tensión en el sustrato, la resistencia del extensómetro cambia y, por lo tanto, cambia el voltaje aplicado a la resistencia. Generalmente, el cambio de resistencia de este tipo de galga extensométrica es muy pequeño cuando se aplica fuerza. Generalmente, este medidor de tensión forma un puente de tensión, que es amplificado por amplificadores de instrumentación posteriores y luego transmitido al circuito de procesamiento (generalmente conversión A/D y CPU) para su visualización o ejecución.
Estructura interna del extensímetro de resistencia metálica
El extensímetro de resistencia consta de material base, alambre o lámina de metal, lámina protectora de aislamiento y cable conductor. Dependiendo del propósito, el diseñador puede diseñar el valor de resistencia del medidor de tensión de resistencia, pero se debe prestar atención al rango del valor de resistencia: si el valor de resistencia es demasiado pequeño, la corriente de conducción requerida será demasiado grande. Al mismo tiempo, el calentamiento de la galga extensométrica provoca que su propia temperatura sea demasiado alta. Cuando se utiliza en diferentes entornos, el valor de resistencia del extensímetro cambia demasiado, el punto cero de salida se desvía obviamente y el circuito de ajuste cero es demasiado complicado. Sin embargo, la resistencia es demasiado grande, la impedancia es demasiado alta y la capacidad para resistir interferencias electromagnéticas externas es deficiente. Por lo general, oscila entre decenas de euros y decenas de miles de euros.
El principio de funcionamiento de las galgas extensométricas de resistencia
El principio de funcionamiento de las galgas extensométricas de resistencia metálica es el fenómeno de que la resistencia a la deformación adsorbida en el sustrato cambia con la deformación mecánica, comúnmente conocida como resistencia efecto de tensión. El valor de resistencia de un conductor metálico se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
Donde: ρ——La resistividad del conductor metálico (ω·cm2/m)
S—— La dirección transversal del conductor Área de sección transversal (cm2)
L-Longitud del conductor (metros)
Tomamos como ejemplo la resistencia a la deformación del alambre metálico. Cuando un alambre de metal se somete a una fuerza externa, su longitud y área de sección transversal cambiarán. Es fácil ver en la fórmula anterior que su valor de resistencia cambiará. Si un alambre de metal se estira mediante una fuerza externa, su longitud aumentará, su área de sección transversal disminuirá y su resistencia aumentará. Cuando un alambre es comprimido por una fuerza externa, su longitud disminuye, su sección transversal aumenta y su resistencia disminuye. Siempre que se mida el cambio en la resistencia (generalmente el voltaje a través de la resistencia), se puede obtener la deformación del extensímetro.
2. Principios y aplicaciones de los sensores de presión cerámicos.
El sensor de presión cerámico resistente a la corrosión no tiene transmisión de líquido y la presión actúa directamente sobre la parte frontal del diafragma cerámico, provocando que el diafragma se deforme ligeramente. Las resistencias de película gruesa están impresas en la parte posterior del diafragma cerámico y conectadas para formar un puente de Wheatstone (puente cerrado). Debido al efecto piezoresistivo del varistor, el puente genera una señal de voltaje altamente lineal proporcional a la presión y al voltaje de excitación. La señal estándar está calibrada a 2,0/3,0/3,3 mV/V según diferentes rangos de presión. A través de la calibración láser, el sensor tiene alta estabilidad de temperatura y estabilidad de tiempo. El sensor viene con compensación de temperatura de 0 ~ 70 ℃ y puede estar en contacto directo con la mayoría de los medios.
Las cerámicas son reconocidas como materiales con alta elasticidad, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, resistencia al impacto y resistencia a las vibraciones.
La estabilidad térmica de la cerámica y su resistencia de película gruesa permiten que su rango de temperatura de funcionamiento sea tan alto como -40 ~ 135 °C, lo que proporciona alta precisión y estabilidad en la medición. Aislamiento eléctrico > 2 kV, señal de salida potente y buena estabilidad a largo plazo. Los sensores cerámicos de alto rendimiento y bajo precio serán la dirección del desarrollo de los sensores de presión. En Europa y Estados Unidos existe una tendencia a sustituir completamente otros tipos de sensores. En China, cada vez más usuarios utilizan sensores cerámicos para reemplazar los sensores de presión de silicio difuso.
3. El principio y la aplicación del sensor de presión de silicio difuso.
Principio de funcionamiento
La presión del medio medido actúa directamente sobre el diafragma (acero inoxidable o cerámica) del sensor, provocando que el diafragma produzca un microdesplazamiento proporcional al medio. presión, lo que hace que el sensor cambie el valor de resistencia, y este cambio es detectado por el circuito electrónico y convertido para emitir una señal de medición estándar correspondiente a la presión.
4. El principio y la aplicación del sensor de presión de zafiro.
Basado en el principio de funcionamiento de la resistencia a la deformación, el zafiro de silicio, como elemento semiconductor sensible, tiene características de medición incomparables.
El zafiro está compuesto por elementos aislantes monocristalinos y no provoca histéresis, fatiga ni fluencia. El zafiro es más fuerte y duro que el silicio y no teme la deformación; el zafiro tiene muy buenas propiedades de elasticidad y aislamiento (dentro de 1000 OC), por lo que los sensores semiconductores hechos de silicio-zafiro no son sensibles a los cambios de temperatura y tienen un buen rendimiento incluso a altas temperaturas. temperaturas. El zafiro tiene una fuerte resistencia a la radiación; además, los sensores semiconductores de zafiro y silicio no tienen deriva p-n, lo que simplifica fundamentalmente el proceso de fabricación, mejora la repetibilidad y garantiza un alto rendimiento.
Los sensores y transmisores de presión fabricados con elementos sensibles semiconductores de silicio y zafiro pueden funcionar normalmente en las condiciones de trabajo más duras, con alta confiabilidad, buena precisión, pequeño error de temperatura y alto costo.
El sensor y transmisor de presión manométrica se componen de dos diafragmas: un diafragma de medición de aleación de titanio y un diafragma receptor de aleación de titanio. Una lámina de zafiro impresa con un circuito de puente heteroepitaxial sensible a la deformación está soldada a un diafragma de medición de aleación de titanio. La presión medida se transmite a la membrana receptora (la membrana receptora y la membrana de medición están unidas firmemente entre sí mediante un tirante). Bajo la acción de la presión, la aleación de titanio absorbe la deformación del diafragma. Cuando el sensor de silicio-zafiro detecta una deformación, la salida del puente cambia en proporción a la presión medida.
El circuito del sensor puede garantizar el suministro de energía del circuito del puente tensor y convertir la señal desequilibrada del puente tensor en una salida de señal eléctrica unificada (0-5, 4-20 mA o 0-5 V) . En los sensores y transmisores de presión absoluta, la pieza de zafiro conectada a la soldadura de vidrio a base de cerámica sirve como elemento elástico para convertir la presión medida en la deformación del extensómetro, logrando así el propósito de medir la presión.
5. Principios y aplicaciones de los sensores de presión piezoeléctricos.
Los principales materiales piezoeléctricos utilizados en los sensores piezoeléctricos incluyen el piezoeléctrico, el tartrato de sodio y potasio y el dihidrógeno fosfato. Entre ellos, el dióxido de silicio es un cristal natural en el que se encuentra el efecto piezoeléctrico. Dentro de un cierto rango de temperatura, las propiedades piezoeléctricas siempre existen, pero cuando la temperatura excede este rango, las propiedades piezoeléctricas desaparecen por completo (esta alta temperatura es el llamado punto de Curie). Dado que el campo eléctrico cambia ligeramente con los cambios de tensión (es decir, el coeficiente piezoeléctrico es relativamente bajo), es reemplazado gradualmente por otros cristales piezoeléctricos. El tartrato de potasio y sodio tiene una gran sensibilidad piezoeléctrica y coeficiente piezoeléctrico, pero solo se puede aplicar a temperatura ambiente y baja humedad. El dihidrógenofosfato de amonio es un cristal artificial que puede soportar altas temperaturas, temperaturas bastante altas.
La humedad se ha utilizado mucho.
Ahora el efecto piezoeléctrico también se aplica a los policristales, como las cerámicas piezoeléctricas actuales, incluidas las cerámicas piezoeléctricas de titanato de bario, PZT, cerámicas piezoeléctricas de niobato, cerámicas piezoeléctricas de niobato de plomo y magnesio, etc., espere.
El efecto piezoeléctrico es el principal principio de funcionamiento de los sensores piezoeléctricos. Los sensores piezoeléctricos no se pueden utilizar para mediciones estáticas porque la carga después de una fuerza externa se retiene sólo cuando el bucle tiene una impedancia de entrada infinita. Ésta no es la situación real, por lo que los sensores piezoeléctricos sólo pueden medir la tensión dinámica.
Los sensores piezoeléctricos se utilizan principalmente para medir la aceleración, la presión y la fuerza. El acelerómetro piezoeléctrico es un acelerómetro de uso común.
Tiene las ventajas de una estructura simple, tamaño pequeño, peso ligero y larga vida útil. Los acelerómetros piezoeléctricos se han utilizado ampliamente en mediciones de vibraciones y golpes de aviones, automóviles, barcos, puentes y edificios, especialmente en los campos de la aviación y el aeroespacial. Los sensores piezoeléctricos también se pueden utilizar para medir la presión de combustión interna y el vacío en los motores. También se puede utilizar en la industria militar, como para medir los cambios en la presión de la recámara y la presión de la onda de choque en el momento en que se dispara una bala en la recámara. Se puede utilizar para medir presiones grandes y pequeñas.