Датчики давления

На рис. 9 показана конструкция ПМС датчика давления, в котором между двумя половинами корпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердечника, размещается магнитно проницаемая диафрагма. Катушки покрыты специальным составом, обеспечивающим прочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С двух сторон диафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными портами подачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной диафрагмы, однако полное отклонение диафрагмы редко превышает 25...30 мкм, потому такие преобразователи, в основном, применяются для измерения низких давлений. Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают мембрану от чрезмерного отклонения в условиях избыточного давления, поэтому ПМС датчики являются достаточно надежными устройствами. При подаче переменного тока возбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника, воздушные зазоры и диафрагму. Таким образом, в состав датчика входят два индуктивных элемента, являющихся плечами мостовой схемы (рис. 9Б). Когда на диафрагму действует дифференциальное давление, она отклоняется в ту или другую сторону, что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления двух воздушных зазоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит к значительному изменению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума.

Рис. 10. Конструкция ПМС датчика для измерения низкого давления: А — схема сборки датчика,Б — устройство датчика 

Выходной  сигнал ПМС датчика пропорционален магнитному сопротивлению плечей индуктивного моста Уитстона, в котором активными элементами являются индуктивные сопротивления х_1,2. Индуктивность катушки определяется ее геометрией и количеством витков. Если в зону действия магнитного потока поместить материал, обладающий магнитной проницаемостью, то поскольку этот материал имеет низкое сопротивление, часть потока уйдет туда, что приведет к изменению собственной индуктивности катушки. Индуктивность цепи, а следовательно, и ее реактивное сопротивление, обратно пропорциональна магнитному сопротивлению, поэтому справедливо следующее выражение: х_1,2= к/d, где к — константа, a d — величина зазора. При возбуждении мостовой схемы высокочастотным сигналом ее выходной сигнал модулируется по амплитуде приложенным давлением. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна разбалансу моста, а его фаза соответствует направлению этого разбаланса. На выходе такого датчика иногда ставят демодулятор для получения не переменного, а постоянного выходного напряжения. 
 
 

3.5. Оптоэлектронные датчики

При измерении  низких давлений или когда для  повышения динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует использования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений Фабри-Перо.

   Оптические резонаторы Фаб-ри-Перо, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив друг друга на расстоянии L (рис. 11А). Свет в резонатор поступает от источника с известными характеристиками, например, от лазера. Фотоны, попадая в резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала. В процессе этих отражений они интерферируют друг с другом. Фактически, резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут выйти фотоны только определенных частот. Таким образом, можно считать, что интерферометр Фабри-Перо является частотным фильтром, частота пропускания которого определяется длиной резонатора (рис. 11 Б). При изменении длины резонатора соответственно меняются и частота выходящего света. Если сделать одно из зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно определять очень маленькие изменения длины резонатора. Частота выходных импульсов кратна интервалу v, обратно пропорциональному длине резонатора: 

где с — скорость света. Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами составляет порядка 1 мкм, а типичные значения Av лежат в интервале 500 МГЦ...1 ГГц. Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с точностью, сравнимой с длиной волны света. Объектом измерения может быть любая физическая величина, изменение которой приводит к изменению размеров резонатора (перемещению зеркал): например, механическое напряжение, сила, давление и температура.

Благодаря своей универсальности, детекторы  Фабри-Перо получили широкое распространение. Например, они используются для измерения давления, и температуры Такие датчики детектируют изменения длины оптического пути, вызванные либо изменениями коэффициента преломления, либо изменением физической длины резонатора. Детекторы Фабри-Перо, изготовленные при помощи MEMS технологий, обладают миниатюрными размерами и низкой стоимостью. Другим достоинством микродатчиков Фабри-Перо является то, что для генерации интерференционного сигнала им подходят практически любые когерентные источники света, даже такие как СИД.

Рис. 11. А - многократная интерференция внутри резонатора Фабри-Перо

               Б – импульсы света на выходе резонатора. 
 
 

Рис. 12. Схема оптоэлектронного датчика давления, использующего принцип интерференции света

   В состав датчика входят следующие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем из Si0₂, на поверхность которых нанесен тонкий слой Аl. Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связана с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен l/2w.

Детектор  работает как демодулятор, электрический  выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение применяется при последующей обработке сигналов для получения нормированных результатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является нелинейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации. Аналогичные оптические

датчики давления реализуются на основе оптоволоконных световодов. Такие датчики незаменимы при проведении измерений в труднодоступных зонах, где использование ВЧ интерферометров невозможно. 

3.6 Вакуумные датчики

При производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компонентов, а также в ходе проведения химических и других технологических процессов бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, например, в космических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия давления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом пространстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.

Вакуум  можно измерять и традиционными  датчиками, при этом будут регистрироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут определять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах, которые основываются на некоторых физических свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в заданном объеме. К таким физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие. В этом разделе будут даны краткие описания самых популярных датчиков давления, используемых для измерения вакуума. 

Вакууметры Пирани

Вакууметры Пирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот тип измерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию самого простого датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума заключается в определении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое зависит от давления газа. В основу принципа действия вакууметра Пирани положено открытие Мариана Ван Смолючовски, который установил, что при нагревании объекта его тепловые потери формируются из следующих составляющих: 

где - теплоотдача в твердые окружающие предметы, — радиационная теплопередача, а — площадь нагреваемой пластины, к — коэффициент, характеризующий свойства газа, а — максимальное давление, которое можно измерить данным датчиком. Первые два члена представляют собой паразитную теплопроводность , а третий член соответствует передаче тепла газу . На рис. 13A показано влияние различных факторов на тепловые потери нагреваемой пластины. При отсутствии паразитных теплопотерь теплопроводность газа линейно снижается вплоть до абсолютного вакуума. Поэтому при разработке таких устройств всегда стремятся минимизировать факторы, составляющие G₀. Для этого либо используют конструкцию с подвешенной нагреваемой пластиной для уменьшения теплового контакта с корпусом датчика, либо применяют дифференциальный метод снижения влияния G₀.

  Существует несколько конструкций датчиков Пирани, используемых в вакуумной технике. В состав некоторых из них входят две пластины, находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газа определяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине теплопотерь в окружающие стенки. Для измерения температуры в состав датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы. На рис. 14 показан дифференциальный вакууметр Пирани. Камера датчика разделена на две идентичные секции. В одной из секций газ находится при эталонном давлении (например, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере, давление в которой необходимо измерить. В каждой камере есть нагреваемая пластина, которая для уменьшения кондуктивной теплопередачи через окружающие твердые предметы подвешена на очень тонких соединительных элементах. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопотери G_Q. Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей.  

Рис. 13. А – тепловые потери нагреваемой  пластины,

Б – передаточная функция вакуумметра Пирани 

В рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК). Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процеса саморазогрева Джоуля   работающими в режиме саморазогрева.

                                                       Рис. 14. Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК,

                                                                 работающими в режиме саморазогрева. 

  Эталонный термистор S_r включен в схему самобалансирующегося моста, в состав которого входят также резисторы: и ОУ. Мостовая схема автоматически выводит температуру термистора S_r на постоянный уровень, определяемый сопротивлениями резисторов моста, на который окружающая температура не оказывает никакого влияния. Отметим, что уравновешивание мостовой схемы осуществляется при помощи цепей как положительной, так и отрицательной ОС, включенных относительно ее плечей. Конденсатор С не допускает возникновения в схеме колебательных режимов.