В наше время невозможно представить окружающий мир без микропроцессоров и микроконтроллеров. Они используются в устройствах беспроводной и проводной связи, в аппаратуре вычислительной техники, в промышленной и автомобильной электронике и в бытовой аппаратуре и для реализации предписанных программой функций каждый микропроцесс должен получать информацию из внешнего мира - "увидеть" его, "услышать", "ощутить". Такими "органами чувств" для микропроцессов являются датчики. В общем ряду датчиков важное место, особенно в автомобильной и промышленной электронике, занимают датчики давления.

Каким образом работают датчики

Датчики работают таким образом: ток возбуждения протекает по резистору, а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя на диафрагму, изгибая резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе электрического поля, которое проявляется как напряжение на отводах, соединенных со средней точкой резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению.

Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы, и его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика зависят от температуры и для того, чтобы обеспечить расширенный диапазон температур необходима температурная компенсация. В диапазоне температур от 0 до 85°C хватает простой резистивной цепочки, реализованной на кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -60 до 130°C, потребуется и более сложная схема.
Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех резисторов. Так же, существенно упрощаются дополнительные схемы, которые необходимы для температурной компенсации и калибровки. Начальное смещение зависит от степени выравнивания отводящих проводников, которые снимают напряжение. Это выравнивание выполняется в одном процессе, обеспечивающем простое их согласование, а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

Если высокая точность измерении давления необязательна, то пользуются относительными приборами, которые калибруются по показаниям поршневого манометра. Один из наиболее распространенных является манометр с трубчатой пружиной. Основная деталь этого манометра - согнутая по кругу полая трубка, имеющая в сечении форму овала или эллипса.

На данном рисунке изображен манометр с трубчатой пружиной Бурдона.

Один конец трубки впаян в держатель (2), а второй - закрыт пробкой (3). Держатель скреплен винтами с корпусом (4) манометра и имеет внизу ниппель (9) с нарезкой для подключения манометра к рабочему объему. Свободный конец трубки соединен с деталями передаточного механизма (5 и 6), а также со стрелкой (7). В тот момент, когда манометр соединен ниппелем с пространством, в котором находится жидкость или газ в повышенном давлении, последняя заполнит полость трубки и разогнет ее. Это движение влияет на стрелку и дает показания на шкале. Погрешность в измерении составляет около 4%.

Реостатные преобразователи давления основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием перемещения. Он представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Преобразователь состоит из щетки и обмотки, которая нанесена на каркас. Для изготовления каркасов применяются металлы и диэлектрики. Проволоку для обмотки, выполняют из сплавов. После изготовления обмотки изоляцию провода счищают в местах соприкосновения его со щеткой. Щетку преобразователя выполняют из проволок.

Габариты преобразователя определяются сопротивлением обмотки, значением измеряемого перемещения и мощностью, которая выделяется в обмотке.

Основным достоинством реостатного преобразователя является большая точность преобразований. Их применяют для преобразования сравнительно больших перемещений и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. п.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

Принцип действия преобразователей

Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников от температуры.

Между терморезистором и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор при этом включен в электрическую цепь, в которой производят измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, выделяющий внутри теплоту. Теплообмен терморезистора со средой происходит из-за теплопроводности среды и конвекции в ней, теплопроводности самого терморезистора и арматуры, к которой он крепится, и, наконец, из-за излучения.

Индуктивный метод контроля

Индуктивный метод контроля может быть бесконтактным и контактным. В бесконтактных индуктивных измерительных системах контролируемая деталь включена в магнитную цепь, образуя участок магнитопровода. За последние годы разработаны экспериментальные образцы бесконтактных индуктивных датчиков с высокой чувствительностью. Но пока такой способ не нашел своего применения.

В контактных индуктивных датчиках положение измерительного стержня, зависящее от контролируемого параметра, определяет взаимное положение якоря и катушек датчика и индуктивность системы. Контактные индуктивные датчики могут быть простыми или дифференциальными. Верхний торец измерительного стержня воздействует на якорь, который подвешен на плоскую пружину. Изменение положения якоря, определяемое размером контролируемой детали, вызывает изменение воздушного зазора между якорем и катушкой простого датчика Измерительное усилие создается пружиной.

Индуктивные датчики основаны на преобразовании линейных перемещений в изменение индуктивности катушки. Преимуществами такого метода измерений являются высокая чувствительность и простота конструкции датчиков, возможность регистрации непрерывно изменяющихся величин, что необходимо при контроле параметров зубчатых, колес, непрерывность измерения, перемещений узлов станков и т.д. возможность отсчета действительных отклонений измеряемой величины по шкале прибора, дистанционность измерений. Недостатками метода являются сравнительная сложность электрических схем включения датчиков и влияние отклонений параметров схемы на результаты измерения.

Упругие элементы предназначаются для гашения и виброизоляции энергии удара, для выполнения функций двигателя, чтобы создавать зазоры и натяг в механизмах.

В приборостроении широко применяются прямые, спиральные и кривые пружины, имеющие различные формы и размеровы.

Винтовые пружины обычно навиваются из проволоки в виде пространственной спирали. Винтовые пружины бывают: Цилиндрические, спиральные, конические, параболоидные.

Винтовые пружины используются особенно часто в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели.

Во многих манометрических приборах в качестве упругого элемента применяются мембраны - гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы го₀ под действием давления.

Существуют плоские, гофрированные, выпуклые (сферические или конические) мембраны. Неметаллические мембраны имеют весьма малую жесткость и поэтому, как правило, работают совместно о измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразой;ание давления в усилие, воспринимаемое упругим элементом - пружиной.

В манометрических приборах широко используется свойство полой трубки деформироваться под действием давления. Обычно манометрическая трубчатая пружина представляет собой тонкостенную кривую трубку вытянутого поперечного сечения. Манометрические трубчатые пружины бывают одновитковые, многовитковые - винтовые или спиральные. В последнее время в манометрических приборах высокого давления (около сотен кгс/см²) нашли применение так называемые «витые» трубчатые пружины, представляющие собой естественную закругленную трубку.

Индуктивные приборы отличаются высокой точностью, дают возможность вести дистанционные измерения, сравнительно небольшие габаритные размеры индуктивных преобразователей позволяют создавать компактные измерительные устройства. Конструируемый датчик давления в своей конструкции так же имеет индуктивный преобразователь с Ш-образным сердечником и плоским якорем.Точность расчета преобразователя в основном определяется точностью определения проводимости воздушных зазоров. Перемещение пружины должно составлять значение меньше, либо равное 0.2 мм.

Требования к прибору: B = 0.2 Т, К = 100÷150Ом/мм, j = 2÷2.5А/мм².

Прибор должен обладать быстродействием, небольшой погрешностью, высокой надежностью, тогда при измерении давления можно получить хорошие результаты близкие к точным.

В состав конструируемого датчика так же входит пружина Бурдона. Перед конструированием будет рассчитано перемещение конца пружины Бурдона эллиптического сечения под воздействием давления и измеренное усилие индуктивного преобразователя с Ш-образным сердечником и плоским якорем.