Датчик давления, это устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды. В датчиках давление измеряемая среда преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код. Вот о том, какими бывают датчики давления мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Что измеряют датчики давления

 

Измеряемое давление определяется как не­направленная сила, действующая во всех на­правлениях в газах и жидкостях. Оно очень хорошо распространяется в гелеобразных веществах и мягких герметизирующих со­ставах, используемых время от времени для разных целей (рис. «Измерение давления» .

Для измерения давления здесь также ис­пользуются динамически и статически дей­ствующие датчики. До сих пор в автомобилях использовались практически только статиче­ские датчики давления. Важнейшие объекты измерения:

• Давление во впускном трубопроводе и давление наддува (1-5 бар);
• Давление в электропневматических тор­мозах (10 бар);
• Давление воздуха в подвеске (16 бар);
• Давление в шинах (5 бар, абсолютное) для контроля давления в шинах;
• Давление в гидроаккумуляторе (около 200 бар) системы ABS, усилителя руля;
• Давление в амортизаторах (200 бар) для систем управления подвеской;
• Давление хладагента (35 бар) системы кондиционирования воздуха;
• Управляющее давление (35 бар) в автома­тической трансмиссии;
• Давление в главном и колесном тормоз­ных цилиндрах (200 бар);
• Избыточное и вакуумное давление в то­пливном баке (0,5 бар);
• Давление в камере сгорания (100 бар, динамическое) для определения перебоев зажигания и детонации;
• Секционное давление впрыска в дизеле (1000 бар, динамическое) для регулиро­вания;
• Давление в магистрали, общая дизельная магистраль (1800 бар);
• Давление в магистрали, прямой впрыск бензина (200 бар).

 

Принципы измерения давления

 

Измерение давления осуществляется непо­средственно путем отклонения диафрагмы или датчиком усилия.

 

Прямое измерение давления

 

Поскольку все резисторы более или менее зависят от давления (волюметрический эф­фект), при необходимости измерения очень больших давлений (>10⁴ бар) теоретически было бы достаточно просто ввести электри­ческий резистор в находящуюся под давле­нием среду. С другой стороны, резисторы в то же время более или менее зависят от тем­пературы, а эту характеристику обычно очень сложно подавить. Кроме того, представляет сложности герметичный вывод их соедине­ний из напорной среды. Капсулированные емкостные измерительные модули имеют более благоприятные характеристики и их проще изготавливать.

 

Емкостные датчики давления

 

Однако емкостные датчики давления, в отличие от инерционных (см. «Ускорение, скорость вращения вокруг вертикальной оси»), используются удивительно редко, хотя могли бы иметь похожие преимущества (особенно в плане точности). Это связано с одним важным отличием от других упомянутых датчиков, а именно с тем, что датчики давления должны находиться в непосредственном контакте с измеряемой средой. Ее диэлектрические свойства практически всегда влияют на калибровку таких емкостных датчиков. Это значит, что калибровка в этом случае не только будет зависеть от среды, но и станет невозможной без нее (т.е. в «сухом» состоянии). Четкого разделения на сегодняшний момент удалось добиться только за счет значительных технических затрат.

 

Диафрагменные датчики

 

В наиболее распространенном методе из­мерения давления (также и в автомобиле­строении) в качестве промежуточной ступени используется тонкая диафрагма. Измеряе­мое давление сначала воздействует на одну сторону этой диафрагмы, изгибая ее в боль­шей или меньшей степени (рис. «Полупроводниковый датчик абсолютного давления» ). В очень широком диапазоне ее диаметр и толщину можно адаптировать к конкретному диапазону дав­ления. При измерении низкого давления ис­пользуются большие диафрагмы, способные легко деформироваться на 0,1-1 мм. Для высокого давления требуются диафрагмы большей толщины и меньшего диаметра, де­формирующиеся только на несколько мкм. Если при низком давлении можно рассматри­вать также датчики для измерения зазоров и расстояний, то в диапазонах среднего и высокого давления доминируют методы из­мерения напряжения. Здесь используются практически только тензометрические техно­логии (тензометрические резисторы).

Строго говоря, деформация диафрагмы зависит от разности давления, воздействую­щего на ее верхнюю и нижнюю стороны. Со­ответственно, существует четыре основных типов датчиков давления:

• Датчик абсолютного давления;
• Датчик опорного давления;
• Датчик барометрического давления;
• Датчик дифференциального давления.

 

Применение датчиков давления

 

Полупроводниковые датчики давления

 

Содержат кремниевую диафрагму с чувстви­тельными к давлению резисторами. Коэффици­ент К (относительное изменение сопротивления резистора вследствие деформации) у рези­сторов, вплавленных в монокристаллический кремний, особенно высок. Обычно К=100. До сих пор датчик и гибридная цепь для обработки сигнала размещались в одном корпусе. Компен­сационная и калибровочная настройки датчика могут осуществляться непрерывно или постепенно схемой, интегрированной в отдельный вспомогательный кристалл или в кристалл дат­чика. В будущем значения поправок к данным и величинам будут храниться в цифровом виде в программируемой памяти (PROM).

 

 

Датчики, интегрированные в одном кри­сталле с полной электронной калибровкой, наиболее подходят для измерения нагрузок в электронных системах зажигания и впрыска топлива дизельных двигателей. Благодаря компактности, они могут устанавливаться непосредственно во впускном трубопроводе (более ранние конструкции устанавливались в соответствующих электронных блоках управ­ления (ЭБУ)), или в моторном отсеке. Часто используются «обратно собранные» конструк­ции, в которых измеряемое давление подво­дится к электронно-пассивной полости на бо­ковой стороне кристалла датчика (рис. «Датчик абсолютного давления» ). Для максимальной защиты более чувствительная сторона кристалла с печатными схемами и контактами помещается в оболочку камеры эталонного давления, расположенную между основанием корпуса и припаянным металли­ческим колпаком. Однако более дешевым ре­шением является приклеивание заключенной в вакуум пластинки датчика на кремниевый блок, где чувствительная сторона пластинки просто защищается от напорной среды под­ходящим гелем (рис.Ь, «Датчик абсолютного давления» ).

Такие датчики пригодны также для примене­ния в системах контроля давления в шинах для его непрерывных и бесконтактных из­мерений. Практически идентичную пластинку

датчика можно также использовать в каче­стве датчика давления в камере сгорания (рис. «Интегральный кремниевый датчик давления в камере сгорания» ). Условие — кремниевая пластинка не должна непосредственно подвергаться воздействию высокой температуры (не бо­лее 600 °С). Металлическая изолирующая диафрагма и наплавленный передаточный стержень, длиной несколько миллиметров, обеспечивают необходимую защиту. С помо­щью микромеханических методов изготавли­вается миниатюрная проставка в центре диа­фрагмы, передающая усилие тензодатчику. Измеряемое усилие передается стержнем в переднюю часть диафрагмы через проставку и далее в кристалл датчика с минимальным искажением. Такой метод установки позво­ляет поддерживать рабочие температуры ниже 150°С.

 

Пьезоэлектрические датчики

 

Пьезоэлектрические датчики обеспечивают динамическое измерение давления (рис. «Пьезоэлектрический датчик давления» ). В элек­тронно управляемых дизельных топливных насосах высокого давления для определения начала и конца впрыска (подачи топлива) датчиком регистрируются только изменения давления в секции насоса. Тонкая промежу­точная диафрагма используется для прямой или косвенной передачи давления на цилин­дрический или прямоугольный пьезокера­мический элемент. Поскольку здесь особой точности не требуется, погрешностями от гистерезиса, старения и тепловыми пренебрегают. Предварительный усилитель с вы­соким сопротивлением на выходе часто уста­навливается в герметизированном корпусе. Это позволяет уменьшить влияние источника сигнала на работу датчика для предупрежде­ния частичного шунтирования и появления ошибок в измерениях.

 

Датчики высокого давления с металлической диафрагмой

 

Предназначены для работы в условиях чрез­вычайно высоких давлений, например, в на­порных магистралях впрыска в дизельных системах «Common Rail» для управления изо­лированной системой. Здесь диафрагмы из высококачественной пружинной стали с тен­зометрическим выводом обеспечивают го­раздо лучшие характеристики, чем системы, предназначенные для контроля давления во впускных трубопроводах. Такие датчики:

• Имеют простую и недорогую систему изо­ляции среды измерения;
• Отличаются от кремниевых датчиков большей стойкостью к разрыву в области эффективного диапазона;
• Легко устанавливаются в металлические корпусы.

 

 

Устройства, содержащие изолированный на­пыленный (осажденный из паровой фазы) металлический тонкопленочный тензометр (К = 2) и поликремниевый тензометр (К = 40), представляют собой долговечные высокоточ­ные датчики (рис. «Датчик высокого давления с металлической диафрагмой, измерительный элемент» ). Элементы усиления, ка­либровки и компенсации могут сочетаться с микросхемой ASIC, установленной в корпусе датчика с необходимым экранированием электромагнитных воздействий (рис. «Датчик высокого давления с металлической диафрагмой, конструкция» ).