Первичные измерительные преобразователи в системах безопасности (стр. 3 из 6)

(Б)

Рис. 4. Датчик измерения давления по переменному магнитному сопротивлению: А — основной принцип действия, Б — эквивалентная схема.

Рис. 5. Конструкция ПМС датчика для измерения низкого давления: А — схема сборки датчика. Б — устройство датчика

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. На рис. 6 показана упрощенная схема одного из таких датчиков.

Рис. 6. 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 SiO₂ на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. 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 1/2w.

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. 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 — 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. 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.

Рис. 7. Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК, работающими в режиме саморазогрева.

На рис. 7 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. Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей. 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 процесса саморазогрева Джоуля.

Ионизационные датчики напоминают вакуумные лампы, используемые в качестве усилителей в старых радиоприемниках. Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти линейно зависит от плотности молекул (давления). Лампы вакуумных датчиков имеют обратное включение: на сетку подается высокое положительное напряжение, а пластина подсоединяется к низкому отрицательному напряжению. Выходным сигналом ионизационного датчика является ток ионов i_p, снимаемый с пластины, пропорциональный давлению и току электронов i_g на сетке. В настоящее время используется усовершенствованная модель этого датчика, называемая измерителем Баярда-Алперта. Он обладает большей чувствительностью и стабильностью и может измерять более низкие давления. Его принцип действия аналогичен предыдущему датчику, но измеритель Баярда-Алперта имеет другую конструкцию, в нем пластина заменена на провод, окруженный сеткой, а нить накаливания катода вынесена наружу (рис. 8Б).