เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้า

วันนี้เพื่อวัดความดันในพื้นที่ต่างๆ ของอุตสาหกรรม ไม่เพียงแต่ใช้บารอมิเตอร์แบบปรอทและแอนรอยด์เท่านั้น แต่ยังใช้เซ็นเซอร์ต่างๆ ที่แตกต่างกันทั้งในหลักการทำงานและข้อดีและข้อเสียที่มีอยู่ในเซ็นเซอร์แต่ละประเภท อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ช่วยให้สามารถใช้เซ็นเซอร์ความดันได้โดยตรงบนพื้นฐานทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

แล้วเราหมายถึงอะไรโดยคำว่า "เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้า"? เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าคืออะไร? จัดวางอย่างไรและมีหน้าที่อะไรบ้าง? สุดท้าย คุณควรเลือกเซ็นเซอร์ความดันแบบใดจึงจะเหมาะสมที่สุดสำหรับวัตถุประสงค์เฉพาะ เราจะค้นหาในบทความนี้

ก่อนอื่นมานิยามคำศัพท์กันก่อน เซ็นเซอร์ความดันเป็นอุปกรณ์ที่มีพารามิเตอร์เอาต์พุตขึ้นอยู่กับความดันที่วัดได้ สื่อที่ใช้ทดสอบอาจเป็นไอ ของเหลว หรือก๊าซบางชนิด ขึ้นอยู่กับการใช้งานของเซ็นเซอร์เฉพาะ

ระบบสมัยใหม่ต้องการเครื่องมือที่มีความแม่นยำประเภทนี้เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบอัตโนมัติสำหรับอุตสาหกรรมพลังงาน น้ำมัน ก๊าซ อาหาร และอุตสาหกรรมอื่นๆทรานสดิวเซอร์ความดันขนาดเล็กมีความสำคัญในทางการแพทย์

เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าแต่ละตัวประกอบด้วย: องค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนซึ่งทำหน้าที่ส่งแรงกระแทกไปยังทรานสดิวเซอร์หลัก วงจรประมวลผลสัญญาณ และตัวเรือน เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น:

• ตัวต้านทาน (แรงดึง);

• เพียโซอิเล็กทริก;

• เพียโซเรโซแนนซ์;

• ความจุ;

• อุปนัย (แม่เหล็ก);

• ออปโตอิเล็กทรอนิกส์.

เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบต้านทานหรือสเตรนเกจ เป็นอุปกรณ์ที่มีองค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าภายใต้การกระทำของโหลดที่เปลี่ยนรูป สเตรนเกจติดตั้งอยู่บนเมมเบรนที่มีความละเอียดอ่อนซึ่งโค้งงอภายใต้แรงกดและงอสเตรนเกจที่ติดอยู่กับมัน ความต้านทานของสเตรนเกจเปลี่ยนแปลงและขนาดของกระแสในวงจรปฐมภูมิของคอนเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนตามไปด้วย

การยืดองค์ประกอบนำไฟฟ้าของสเตรนเกจแต่ละอันทำให้ความยาวเพิ่มขึ้นและภาคตัดขวางลดลง ส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น ในการบีบอัดจะตรงกันข้าม การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความต้านทานวัดเป็นหน่วยหนึ่งในพัน ดังนั้นแอมพลิฟายเออร์ที่มีความแม่นยำพร้อม ADC จึงถูกนำมาใช้ในวงจรประมวลผลสัญญาณ ดังนั้น ความเครียดจะถูกแปลงเป็นการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำหรือตัวนำ แล้วเปลี่ยนเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า

สเตรนเกจมักจะเป็นตัวนำไฟฟ้าหรือสารกึ่งตัวนำซิกแซกที่ใช้กับฐานที่ยืดหยุ่นซึ่งยึดติดกับเมมเบรน พื้นผิวมักทำจากไมกา กระดาษ หรือฟิล์มโพลิเมอร์ และองค์ประกอบนำไฟฟ้าคือฟอยล์ ลวดบาง หรือเซมิคอนดักเตอร์ที่พ่นด้วยสุญญากาศลงบนโลหะการเชื่อมต่อชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อนของสเตรนเกจกับวงจรการวัดนั้นดำเนินการโดยใช้แผ่นสัมผัสหรือสายไฟ สเตรนเกจมักจะมีพื้นที่ตั้งแต่ 2 ถึง 10 ตร.มม.

เซ็นเซอร์โหลดเซลล์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประเมินระดับแรงกด แรงอัด และการวัดน้ำหนัก

เซ็นเซอร์ความดันไฟฟ้าชนิดต่อไปคือเพียโซอิเล็กทริก… ที่นี่ องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่ละเอียดอ่อน องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกที่มีพื้นฐานมาจากเพียโซอิเล็กทริกจะสร้างสัญญาณไฟฟ้าเมื่อมันเปลี่ยนรูป ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกถูกวางไว้ในตัวกลางที่วัดได้ จากนั้นกระแสในวงจรทรานสดิวเซอร์จะเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงความดันในตัวกลางนั้น

เนื่องจากลักษณะที่ปรากฏของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกนั้นต้องการการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่แม่นยำมากกว่าแรงดันคงที่ ทรานสดิวเซอร์แรงดันประเภทนี้จึงเหมาะสำหรับการวัดแรงดันไดนามิกเท่านั้น หากความดันคงที่ กระบวนการเปลี่ยนรูปขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกจะไม่เกิดขึ้น และเพียโซอิเล็กทริกจะไม่สร้างกระแส

ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ความดันเพียโซอิเล็กทริกถูกนำมาใช้ในทรานสดิวเซอร์การไหลปฐมภูมิของเครื่องวัดกระแสน้ำวนสำหรับน้ำ ไอน้ำ ก๊าซ และสื่อที่เป็นเนื้อเดียวกันอื่นๆ เซ็นเซอร์ดังกล่าวได้รับการติดตั้งเป็นคู่ในท่อที่มีช่องเปิดเล็กน้อยที่ด้านหลังลำตัวของการไหลหลายสิบถึงหลายร้อยมิลลิเมตร ดังนั้นจึงบันทึกกระแสน้ำวนที่มีความถี่และจำนวนเป็นสัดส่วนกับอัตราการไหลเชิงปริมาตรและอัตราการไหล

พิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซ็นเซอร์แรงดันเพียโซ-เรโซแนนซ์... ในเซ็นเซอร์แรงดันเพียโซ-เรโซแนนซ์ เอฟเฟกต์ย้อนกลับของเพียโซอิเล็กทริกจะทำงาน ซึ่งเพียโซอิเล็กทริกจะเปลี่ยนรูปภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อน และยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูง เซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับตัวสะท้อนในรูปแบบของแผ่นเพียโซอิเล็กทริกซึ่งติดอิเล็กโทรดไว้ทั้งสองด้าน

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าสลับกับอิเล็กโทรด วัสดุแผ่นจะสั่น งอไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง และความถี่ของการสั่นจะเท่ากับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ อย่างไรก็ตาม หากตอนนี้แผ่นเปลี่ยนรูปโดยการใช้แรงภายนอกกับแผ่น เช่น ผ่านเมมเบรนที่ไวต่อแรงกด ความถี่ของการสั่นอิสระของตัวสะท้อนเสียงจะเปลี่ยนไป

ดังนั้น ความถี่ธรรมชาติของตัวสะท้อนเสียงจะสะท้อนถึงปริมาณของแรงกดบนเมมเบรนที่กดบนตัวสะท้อน ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความถี่ ตัวอย่างเช่น พิจารณาเซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ที่อาศัยการสั่นพ้องแบบเพียโซ

ความดันที่วัดได้จะถูกส่งไปยังห้อง 1 ผ่านการเชื่อมต่อ 12 ห้อง 1 ถูกกั้นด้วยเมมเบรนจากส่วนการวัดที่ละเอียดอ่อนของอุปกรณ์ ร่างกาย 2, ฐาน 6 และเมมเบรน 10 ถูกผนึกเข้าด้วยกันเพื่อสร้างห้องปิดผนึกที่สอง ในห้องปิดผนึกที่สองของฐาน 6 ตัวยึด 9 และ 4 ได้รับการแก้ไข ตัวยึดตัวที่สองติดกับฐาน 6 โดยใช้สะพาน 3 ตัวยึด 4 ทำหน้าที่ยึดตัวสะท้อนเสียงที่ละเอียดอ่อน 5 ตัวรองรับเสียงสะท้อน 8 คือ แก้ไขโดยผู้ถือ 9.

ภายใต้การกระทำของความดันที่วัดได้ เมมเบรน 10 จะกดผ่านปลอก 13 บนลูกบอล 14 ซึ่งยึดไว้ในตัวยึด 4 ด้วยในทางกลับกันลูกบอล 14 กดตัวสะท้อนเสียงที่ละเอียดอ่อน 5 สาย 7 ที่ยึดในฐาน 6 เชื่อมต่อตัวสะท้อนเสียง 8 และ 5 กับเครื่องกำเนิด 16 และ 17 ตามลำดับ ในการสร้างสัญญาณตามสัดส่วนของแรงดันสัมบูรณ์จะใช้วงจร 15 ซึ่งสร้างสัญญาณเอาต์พุตจากความแตกต่างของความถี่ของตัวสะท้อน เซ็นเซอร์นั้นวางอยู่ในเทอร์โมสตัท 18 ซึ่งรักษาอุณหภูมิคงที่ไว้ที่ 40 ° C

ที่ง่ายที่สุดคือเซ็นเซอร์ความดันแบบ capacitive... อิเล็กโทรดแบนสองตัวและช่องว่างระหว่างพวกมันก่อตัวเป็นตัวเก็บประจุ อิเล็กโทรดตัวใดตัวหนึ่งเป็นเมมเบรนซึ่งทำหน้าที่วัดความดันซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความหนาของช่องว่างระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุจริง เป็นที่ทราบกันดีว่าความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงขนาดของช่องว่างสำหรับพื้นที่คงที่ของแผ่น ดังนั้นเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความดันแม้เพียงเล็กน้อยเซ็นเซอร์ capacitive นั้นมีประสิทธิภาพมาก

เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบคาปาซิทีฟที่มีขนาดเล็กช่วยให้วัดแรงดันเกินในของเหลว ก๊าซ ไอน้ำได้ เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบคาปาซิทีฟมีประโยชน์ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมต่างๆ โดยใช้ระบบไฮดรอลิกและนิวแมติกส์ ในคอมเพรสเซอร์ ในปั๊ม ในเครื่องมือเครื่องจักร การออกแบบเซ็นเซอร์มีความทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงมากและแรงสั่นสะเทือน มีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าอีกประเภทหนึ่งที่คล้ายกับเซ็นเซอร์แบบ capacitive - อุปนัยหรือแม่เหล็กจากระยะไกล เมมเบรนตัวนำที่ไวต่อแรงกดอยู่ห่างจากวงจรแม่เหล็กรูปตัว W บาง ๆ บนแกนกลางที่ขดลวดพันอยู่มีการตั้งค่าช่องว่างอากาศระหว่างเมมเบรนและวงจรแม่เหล็ก

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับขดลวด กระแสในนั้นจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านทั้งวงจรแม่เหล็กเองและผ่านช่องว่างอากาศและผ่านเมมเบรน ปิด เนื่องจากการซึมผ่านของแม่เหล็กในช่องว่างนั้นเล็กกว่าในวงจรแม่เหล็กและในเมมเบรนประมาณ 1,000 เท่า แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความหนาของช่องว่างก็นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ชัดเจนในการเหนี่ยวนำของวงจร

ภายใต้อิทธิพลของความดันที่วัดได้ ไดอะแฟรมเซ็นเซอร์จะงอและความต้านทานที่ซับซ้อนของขดลวดจะเปลี่ยนไป ทรานสดิวเซอร์จะแปลงการเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ส่วนการวัดของตัวแปลงทำขึ้นตามวงจรบริดจ์ซึ่งขดลวดของเซ็นเซอร์รวมอยู่ในแขนข้างใดข้างหนึ่ง เมื่อใช้ ADC สัญญาณจากส่วนการวัดจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าตามสัดส่วนของความดันที่วัดได้

เซ็นเซอร์ความดันประเภทสุดท้ายที่เราจะพิจารณาคือเซ็นเซอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์… เซ็นเซอร์ตรวจจับแรงดันค่อนข้างง่าย มีความละเอียดสูง มีความไวสูง และมีความเสถียรทางความร้อน การทำงานบนพื้นฐานของการรบกวนของแสง โดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Fabry-Perot เพื่อวัดการกระจัดขนาดเล็ก เซ็นเซอร์เหล่านี้มีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ คริสตัลคอนเวอร์เตอร์แบบออปติคัลที่มีรูรับแสง ไฟ LED และตัวตรวจจับที่ประกอบด้วยโฟโตไดโอดสามตัวเป็นส่วนประกอบหลักของเซ็นเซอร์ดังกล่าว

ฟิลเตอร์ออปติคัล Fabi-Perot ที่มีความหนาต่างกันเล็กน้อยจะติดเข้ากับโฟโตไดโอดสองตัว ตัวกรองเหล่านี้เป็นกระจกซิลิกอนสะท้อนแสงจากพื้นผิวด้านหน้าที่ปกคลุมด้วยชั้นของซิลิกอนออกไซด์ บนพื้นผิวที่มีชั้นอลูมิเนียมบางๆ เคลือบอยู่

ทรานสดิวเซอร์แบบออปติคัลนั้นคล้ายกับเซ็นเซอร์ความดันแบบคาปาซิทีฟ ไดอะแฟรมที่เกิดจากการกัดในพื้นผิวซิลิคอนชนิดโมโนคริสตัลไลน์ถูกหุ้มด้วยชั้นโลหะบางๆ ด้านล่างของแผ่นกระจกยังมีการเคลือบโลหะ มีช่องว่างกว้าง w ระหว่างแผ่นกระจกและวัสดุพิมพ์ซิลิกอน ซึ่งได้มาจากการใช้สเปเซอร์สองตัว

โลหะสองชั้นสร้างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Fabia-Perot ที่มีช่องว่างอากาศแปรผัน w ซึ่งรวมถึง: กระจกเคลื่อนที่ได้ซึ่งอยู่บนเมมเบรนซึ่งจะเปลี่ยนตำแหน่งเมื่อความดันเปลี่ยนแปลง และกระจกโปร่งแสงที่อยู่นิ่งขนานกับกระจกบนแผ่นกระจก

ด้วยพื้นฐานนี้ FISO Technologies จึงผลิตทรานสดิวเซอร์ความดันที่ไวต่อการมองเห็นในระดับจุลภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 0.55 มม. ซึ่งผ่านรูเข็มได้ง่าย ด้วยความช่วยเหลือของสายสวนจะมีการใส่เซ็นเซอร์ขนาดเล็กลงในปริมาตรที่ศึกษาซึ่งวัดความดันภายใน

ใยแก้วนำแสงเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์อัจฉริยะ ซึ่งภายใต้การควบคุมของไมโครโปรเซสเซอร์ แหล่งกำเนิดแสงสีเดียวที่นำเข้าสู่เส้นใยจะเปิดขึ้น ความเข้มของฟลักซ์แสงที่สะท้อนกลับจะถูกวัด ความดันภายนอกบน เซ็นเซอร์คำนวณจากข้อมูลการสอบเทียบและแสดงบนจอแสดงผล ตัวอย่างเช่น ในทางการแพทย์ เซ็นเซอร์ดังกล่าวใช้ในการตรวจสอบความดันในกะโหลกศีรษะ เพื่อวัดความดันโลหิตในหลอดเลือดแดงในปอด ซึ่งไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยวิธีอื่นใด