Тема 3. Применение тензорезисторов для измерения давлений

Задание

1. Ознакомиться с характеристиками, конструкцией и принципом действия тензорезисторных преобразователей давления.

2. Используя оборудование лабораторного стенда №11, создать в пневмосистеме установки рабочее давление 0,25 МПа, фиксируя показания контрольного манометра.

Снижая давление в системе с шагом 0,01 МПа, контролировать с помощью вольтметра постоянного тока выходные сигналы образцового и рабочего преобразователей давления.

3. Вычислить чувствительность каждого из преобразователей давления

S_dd = (V_0,16 – V_0,14)/0.02 , B/МПа

Где: V_0,16 , V_0,14 - показания вольтметра в контрольных точках 0,16 и 0,14 МПа

4. Построить нагрузочные характеристики обоих преобразователей давления

Р_расч =f (Р_к)

где: Ррасч = V_dd/S_dd - расчетное значение давления по показанию вольтметра, Рк - точки измерения давления по контрольному манометру.

4. Вычислить относительные погрешности измерений давления рабочим (испытуемым) преобразователем, используя в качестве действительных значений давления расчетные значения показаний образцового преобразователя: γ=100 (P_o-P_и)/0,25 %

5. Произвести оценку гистерезиса характеристик преобразователей в трёх точках шкалы X=0,06; 0,12; 0,18 МПа.

Вычислить b =100( V_спад - V_нар)/V_0,25 ,..%.

Методические указания

Давление это внешние усилия, распределенные по какой-либо поверхности.

Для электрических измерений давлений применяют различные виды измерительных преобразователей, большинство из которых можно разделить на две группы:

- преобразователи, входной величиной которых является измеряемое давление (нет предварительного механического узла, преобразующего, например, давление в упругую деформацию), к которым относятся, например, пьезоэлектрические, магнитоупругие преобразователи;

- преобразователи, входная величина которых есть деформация или упругое перемещение механических узлов, непосредственно воспринимающих давление.

К последним относятся и тензорезистивные преобразователи.

В работе исследуются характеристики деформационных манометров , основу которых составляют упругий элемент или первичный преобразователь давления в деформацию (мембрана) и тензорезистивный преобразователь этой деформации в электрический сигнал.

Основу конструкции испытуемых датчиков давления составляет кремниевая пластина на которой формируются диффузией два полупроводниковых тензорезистора. Под одним из тензорезисторов травится выемка до образования чувствительной мембраны.

Оба тензорезистора соединены последовательно : один воспринимает деформацию мембраны, второй служит для термокомпенсации.

Кремниевая пластина разделяет внутреннюю полость датчика на две части.

Контролируемое давление подаётся к датчику с верхней стороны мембраны, а нижняя часть полости датчика соединена с окружающей средой и находится под барометрическим (атмосферным) давлением.

Под действием разности давлений мембрана изгибается и на тензорезистор действует деформирующее (сжимающее или растягивающее) усилие, вызывая изменение сопротивления резистора пропорционально разностному (избыточному) давлению.

Оборудование, используемое в работе

Лабораторный стенд №11 в составе :

- установка лабораторная ИВ2 ;

- универсальный цифровой прибор GDM-8135 (мультиметр) .

Исследуемые датчики давления :

Изготовитель - фирма MOTOROLA

Номинальный диапазон измерений 0,01 …. 0,50 , МПа

Основная погрешность (за исключением погрешности от изменений температуры и напряжения питания):

Образцовый МPХ42500Р/KO525AL не более 0,5%

Испытуемый MPX425001/KO525AK не более 2,0%

Контрольный стрелочный манометр – модель 11202 , класс точности 0,4

Схема лабораторной установки ИВ2

Назначение клапанов:

КЛАПАН УПРАВЛЕНИЯ – включение подачи давления к датчикам

КЛАПАН 1 – быстрый (аварийный) сброс давления

КЛАПАН 2 – медленный сброс давления

На цепочку из двух тензорезисторов в составе каждого из датчиков давления подается постоянное напряжение от стабилизированного источника, а падение напряжения на измерительном тензорезисторе фиксируется вольтметром.

Методика выполнения эксперимента

1. Предварительно установить переключатель режимов в положение «Ручн» и включить питание установки ИВ2 от сети ~220 В.

Включить переключатели «Компрессор» и «Клапан управления» и контролировать нагнетание давления в пневмосистеме установки по контрольному стрелочному манометру.

При достижении давления в системе 0,255 0,260 МПа ( не более) выключить компрессор.

ВНИМАНИЕ! Нагнетание давления выше 0,27 МПа ОПАСНО.

2. Кратковременно включая переключателем «Клапан 2», медленно сбрасывать давление и, поочередно (с шагом 0,01 МПа) останавливая стрелку манометра на значениях

0,25 – 0,24 – 0,23 – 0,22 – 0,21 – 0,20 – 0,19 – 0,18 – 0,17 – 0,16 – 0,15 – 0,14 – 0,13 – 0,12 – 0,11 – 0,10 – 0,09 – 0,08 – 0,07 – 0,06 – 0,05 МПа, регистрировать с помощью вольтметра выходные сигналы датчиков давления, подключая поочередно вольтметр к образцовому и испытуемому датчикам с помощью переключателя на пульте-адапторе.

По окончании измерений включить «Клапан1» и полностью сбросить давление в

пневмосистеме. Выключить питание установки ИВ 2.

3. Вычислить чувствительность датчиков давления

S_dd = (V_0,16 – V_0,14)/0.02 , B/МПа

Где: V_0,16 , V_0,14 - показания вольтметра в контрольных точках 0,16 и 0,14 МПа

4. Построить нагрузочные характеристики обоих датчиков давления Р_расч =f (Р_к)

Где: Ррасч = V_dd/S_dd - расчетное значение давления по показанию датчика, Рк - точки измерения давления по контрольному манометру.

5. Вычислить относительные погрешности измерений давления испытуемым датчиком, используя в качестве действительных значений давления расчетные значения показаний образцового датчика : γ=100 (P_o-P_и)/0,25 %

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу 1

Таблица 1

Контрольные точки по манометру Рк ,МПа	ДД образцовый Ро , МПа	ДД испытуемый Ри , МПа	Погрешность измерения, %
0,25 0,24 0,23 …… 0,05

Сравнить полученные результаты с паспортными данными датчиков.

6. Оценку гистерезиса характеристик датчиков произвести в трёх точках шкалы :

X=0,06; 0,12; 0,18 МПа .

Измерения выполнять в следующей последовательности :

Для подхода к каждой из заданных точек «снизу» следует нагнетать давление компрессором до попадания в интервал (X-0,01), МПа . Записать показания датчиков V_нар(по вольтметру)

Поднять давление в пневмосистеме на 0,01 МПа выше контролируемой точки , затем, кратковременно включая клапан 2, снизить давление до ранее достигнутого значения и записать показания датчиков V_спад. (по вольтметру).

Вычислить b =100( V_спад - V_нар)/V_0,25 ,..%.

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу 2.

Таблица 2

Контр. точки, МПа	Фактич. показания манометра, МПа	ДД образцовый Vо , В		ДД испытуемый Vи , В
		Показания	Гистерезис %	Показания	Гистерезис %
0,06	Нарастание=
	Спад =
0,12	Нарастание=
	Спад =
0,18	Нарастание=
	Спад =