Autor: Danko Milošević dipl.ing.

MODERNI NAČINI MERENJA FIZIČKIH VELIČINA

Klasične senzore sa Burdonovom cevi ili sa membranom svi dobro znamo. Ta mehanika odlično radi, ali ima jednu skrivenu manu, i ne ugrađuje se više tamo gde je to važno. Hodovi pretvaračkih elemenata kod njih iznose od 1 do 3 milimetara za razliku od deformacija kod modernih senzorskih merača pritiska koji ne prelaze nekoliko mikrona. Ovi minimalni pomeraji omogućuju veliku brzinu odziva (standardno oko 2 msec.), visoku linearnost, otpornost na preopterećenja i dugotrajnost bezotkaznog rada.

Principi merenja pritiska koji se danas primenjuju, uglavnom favorizuju direktno pretvaranje fizičke u električnu veličinu a ovo, u većini slučajeva, zahteva izvor pomoćne energije za senzor. Pri tom i dalje valja misliti o tome kako da se ponište greške merenja usled uticaja temperature, gustine, parazitnih električnih veličina i ko zna čega još.
Uz pretpostavku da smo sve te uticaje poništili, pređimo na obradu signala sa senzora. Na sl. 1, celina 2. , transdjuser uz nešto malo elektronike standardizuje dotičnog i takvog ga prosleđuje instrumentu- transmiteru, celina 3. , koji je, kao finalni deo, okrenut korisniku i pokazuje mu svu lepotu vizuelnog očitavanja i/ili zapisivanja pritiska. Transmiter ne bi bio ono što jeste da ne može da uradi još bar dve stvari, a to su: konverzija signala u oblik pogodan za dugo putovanje na daljinu (npr. 0/4-20mA) i A/D konverzija u digitalne impulse za serijsku komunikaciju, tipa RS485/422.

Slika 1. Šematski prikaz senzorskih uredjaja

Podela senzora pritiska-glavnih elemenata modernih mernih instrumenata

Senzore pritiska (i sve ostale) klasifikujmo na dva osnovna načina:

1. PO SREDINI UPOTREBE
2. PO PRINCIPU MERENJA

1A. Senzori za industrijska merenja
1B. Senzori za laboratorijska merenja
2A. Senzori- pretvarači deformacije
2B. Senzori- pretvarači pomeraja
2C. Senzori- zavisnici od piezoelektričnog efekta
2D. Senzori- princip kompenzacije sile
2E. Senzori- pretvarači vibracija
2F. Senzori- svi ostali

Polako se približavamo konkretnim senzorima naglašavajući njihov osnovni princip merenja i koja sredina (ili bolje reći, kraj) im najviše prija.

1A. Senzori za industrijska merenja
(U ovoj oblasti najvažnije vam je da imate stabilan i dugotrajan bezotkazni rad uređaja, bez nekog posebnog održavnja. Visoka klasa tačnosti u 90% slučajeva nije primarna, tj. 1% greške je sasvim OK, od toga je značajnije da uređaj ne bude preskup!)
1. Piezootporni senzori- pretvarač deformacija
2. Senzori u obliku metalnih traka-
pretvarač deformacija
2a.metalne trake na foliji
2b.metalne trake na tankom filmu
2c.metalne trake na debelom filmu
3. Senzori na principu Holovog efekta,
pretvarač pomeraja
4. Kapacitivni senzori- pretvarač pomeraja
5. Induktivni senzori- pretvarač pomeraja
6. Potenciometarski senzori-pretvarač pomeraja
7. Piezoelektrični senzori -piezoelektrični efekat
8. Ostali principi- najzad stižu u prvi plan
8a. Pirani vakuum merači
8b. Jonizacioni merači pritiska
8c. Frikcioni merači pritiska
8d. Mc-Leadovi kompresioni merači

1B. Senzori za laboratorijska merenja
(Merači za laboratorijsku upotrebu su sa stilom i klasom i to najvišom -poželjno 99. 9% tačnosti i više) i sa visokom stabilnošću. Oni su ko-ntrolori i kalibratori industrijskih me-rača pritiska i radnih etalona pritiska.

1. Vibrirajući cilindar- pretvarač vibracija
2. Vibrirajući kvarcni kristal- pretvarač vibracija
3. Kvarcna Burdonova cev sa magnetnom povratnom
spregom-kompenzacija sile

PODELA SENZORA PRITISKA

Nadalje prelazimo na sasvim određen tip senzora, svaki u po jednom nastavku.

Piezootporni senzor pritiska

Ova vrsta senzora široko je primenjena kod industrijskih merača zbog svoje robusnosti, visoke klase tačnosti, brze dinamike i odlične stabilnosti. Srce sistema je Silicijumska pločica-čip dimenzija, 4*4*1mm, kroz čiju su, specijalno pripremljenu, gornju površinu difundirana četiri električna otpora kiloomskih vrednosti, formiranih u Vitstonov merni most, dobro poznat kod merenja u elektrotehnici. Dejstvom pritiska na silicijumsku pločicu dolazi do tzv. Piezootpornog efekta, tj. do značajne promene specifične električne otpornosti materijala pločice, a time i do promene vrednosti otpora difundiranih u pločicu. Kod svih kristalnih materijala dolazi do ove promene zbog promenljive pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetci pod dejstvom sile. Kod poluprovodničkih materijala, kao što je Silicijum, ova promena je oko 100 puta većeg intenziteta u odnosu na metale. Ovo omogućava da same dimenzije senzora budu male, a takođe je moguće meriti i veoma male opsege pritiska (reda desetak milibara).

Slika 2. Osnovni crtež senzora pritiska

Na slici 2. prikazali smo kompletan senzor pritiska, sa detaljnim opisom podsklopova ovog senzora. Proučimo prvo osnovni podsklop: sistemsku podlošku (vejfer). Ova se dobija tako što se Si monokristal iseče na kriške, pazeći strogo pri tome na strukturu i orijentaciju kristala, a zatim polira. Sledeće što joj uradimo je implantacija i onečišćenje u cilju formiranja otpornog elektronskog Vitstonovog mosta. Ključna fraza je formiranje membranskog Si epitaksijalnog sloja, koji se dobija nagrizanjem ili bušenjem polirane površine sistemske podloške. Električni Otpori se difundiraju u ivičnu zonu membranskog sloja, jer su tu najveća fizička opterećenja i izlazni električni signal.

Slika 3. Teorijski izgled Vitstonovog mosta

Sistem mora da ima bazu. Sistemska podloška pravi se od istog materijala i istih je dimenzija kao i bazna, a ove dve spajaju se pomoću specijalne metalne legure.
U slučaju da se pravi senzor za relativni pritisak, bazna podloška se izbuši skroz, a u sistemskoj se napravi obla rupa.
Ovim je završen postupak objašnjavanja načina dobijanja elementarnog senzora ili čipa.
Otpori se spajaju u Vitstonov most radi povećanja nivoa izlaznog signala i kompenzacije temperaturnih uticaja. Izvor pomoćne energije za ovaj senzor predstavlja strujni (bilo koja konstantna vrednost između 1 i 4mA) ili naponski (između 5 i 10VDC) generator. Na slici br. 3 predstavljen je teorijski Vitstonov most u naponskoj varijanti napajanja. Za most se kaže da je uravnotežen ako je izlazni signal koji merimo na njegovoj dijagonali jednak nuli. Ovo se ostvaruje u slučaju da je ispunjeno sledeće:

R1/R3=R2/R4 . . . . . (1)

Most izlazi iz ravnoteže pod dejstvom sile pritiska, koja deformiše kristalnu rešetku materijala od kojeg su otpori. R1 i R4 povećavaju svoju numeričku vrednost, a R2 i R3 je smanjuju. Kao rezultat toga povećava se vrednost izlaznog signala, (Us) na dijagonali mosta. Praktična numerička vrednost ovog signala je od nekoliko desetina do nekoliko stotina mV.
Formula po kojoj se izračunava izlazni signal za teorijski Vitstonov most, je sledeća:

Us= Ub* (R1*R4-R2*R3)/ (R1+R3) (R2+R4) + U0. . . (2)

Us- Izlazni signal
Ub-Napon napajanja
U0- Napon offseta

U praksi se pokazuje da su uticaji promene temperature i drugih parametara značajni, tako da izlazni signal za ravnotežni most nije nula i polako se menja sa promenom temperature. Da bi smo te probleme kompenzovali, obično koristimo otvorenu varijantu mosta i redno paralelnu vezu otpornika za temperaturnu kompenzaciju.

Pročitajte više o ovoj temi

Temperaturni transmiter Industrijski računari Porgamiranje SIMATIC S5 plc-a Ultrazvučna sonda Osvrt na nove koncepte u razvoju industrijskih računarskih sistema

C o p y r i g h t  1998 mikroElektronika. All Right Reserved. Za sva pitanja obratite se redakciji