전기 압력 센서

오늘날 다양한 산업 분야에서 압력을 측정하기 위해 수은 기압계와 아네로이드뿐만 아니라 작동 원리와 이러한 센서의 각 유형에 내재된 장단점이 다른 다양한 센서가 사용됩니다. 최신 전자 장치를 사용하면 압력 센서를 전기, 전자 기반으로 직접 구현할 수 있습니다.

그렇다면 "전기 압력 센서"라는 용어는 무엇을 의미합니까? 전기 압력 센서란 무엇입니까? 그것들은 어떻게 배열되어 있으며 어떤 기능을 가지고 있습니까? 마지막으로 특정 목적에 가장 적합하도록 어떤 압력 센서를 선택해야 합니까? 이 기사에서 알아 보겠습니다.

먼저 용어 자체를 정의해 보겠습니다. 압력 센서는 출력 매개변수가 측정된 압력에 따라 달라지는 장치입니다. 테스트 매질은 특정 센서의 적용에 따라 증기, 액체 또는 일부 가스일 수 있습니다.

최신 시스템에는 전력, 석유, 가스, 식품 및 기타 여러 산업을 위한 자동화 시스템의 중요한 구성 요소로 이러한 유형의 정밀 도구가 필요합니다.소형 압력 변환기는 의학에서 매우 중요합니다.

각 전기 압력 센서에는 기본 변환기, 신호 처리 회로 및 하우징에 충격을 전달하는 민감한 요소가 포함됩니다. 주로 전기 압력 센서는 다음과 같이 나뉩니다.

• 저항성(긴장저항성);

• 압전;

• 피에조 공진;

• 용량성

• 유도성(자기);

• 광전자 공학.

저항성 또는 스트레인 게이지 압력 센서 민감한 요소가 변형 부하의 작용에 따라 전기 저항을 변경하는 장치입니다. 스트레인 게이지는 압력을 받으면 휘어지고 부착된 스트레인 게이지를 휘게 하는 민감한 멤브레인에 장착됩니다. 스트레인 게이지의 저항이 변하고 그에 따라 컨버터의 1차 회로에 흐르는 전류의 크기도 변합니다.

각 스트레인 게이지의 전도성 요소를 늘리면 길이가 증가하고 단면이 감소하여 저항이 증가합니다. 압축에서는 그 반대입니다. 저항의 상대적인 변화는 천분의 일 단위로 측정되므로 신호 처리 회로에는 ADC가 포함된 정밀 증폭기가 사용됩니다. 따라서 변형은 반도체나 전도체의 전기 저항의 변화로 변환된 다음 전압 신호로 변환됩니다.

스트레인 게이지는 일반적으로 멤브레인에 부착되는 유연한 베이스에 적용되는 지그재그 전도성 또는 반도체 요소입니다. 기판은 일반적으로 운모, 종이 또는 폴리머 필름으로 만들어지며 전도성 요소는 호일, 가는 와이어 또는 금속에 진공 분사된 반도체입니다.스트레인 게이지의 민감한 요소를 측정 회로에 연결하는 것은 접촉 패드 또는 와이어를 사용하여 수행됩니다. 스트레인 게이지 자체의 면적은 일반적으로 2 ~ 10 sq. mm입니다.

로드셀 센서 압력 수준, 압축 강도 및 무게 측정을 추정하는 데 좋습니다.

다음 전자식 압력센서는 압전... 여기서 압전소자는 감응소자로 작용하는데, 압전을 기반으로 한 압전소자는 변형될 때 전기적 신호를 발생시키는 것을 이른바 직접압전효과(direct piezoelectric effect)라고 한다. 압전 소자는 측정된 매질에 배치되고 변환기 회로의 전류는 해당 매질의 압력 변화 크기에 비례합니다.

압전 효과가 나타나기 위해서는 일정한 압력이 아닌 정확한 압력 변화가 필요하기 때문에 이러한 유형의 압력 변환기는 동적 압력 측정에만 적합합니다. 압력이 일정하면 압전 소자의 변형 과정이 일어나지 않고 압전 소자에 의해 전류가 발생하지 않는다.

압전 압력 센서는 예를 들어 물, 증기, 가스 및 기타 균질 매체용 와류 측정기의 기본 유량 변환기에 사용됩니다. 이러한 센서는 흐름 본체 뒤에 수십에서 수백 밀리미터의 공칭 개구부가 있는 파이프라인에 쌍으로 설치되어 주파수와 수가 체적 유량과 유량에 비례하는 와류를 등록합니다.

추가 압전 공진 압력 센서를 고려하십시오. 압전 공진 압력 센서에서는 적용된 전압의 작용으로 압전이 변형되는 역 압전 효과가 작동하고 전압이 높을수록 변형이 강해집니다. 센서는 양쪽에 전극이 부착된 압전판 형태의 공진기를 기반으로 합니다.

전극에 교류 전압이 가해지면 판재가 진동하여 한 방향 또는 다른 방향으로 구부러지고 진동 주파수는인가 전압의 주파수와 같습니다. 그러나 예를 들어 압력에 민감한 멤브레인을 통해 플레이트에 외력을 가하여 플레이트가 변형되면 공진기의 자유 진동 주파수가 변경됩니다.

따라서 공진기의 고유 주파수는 공진기를 누르는 멤브레인의 압력을 반영하여 주파수가 변경됩니다. 예를 들어 피에조 공진 기반의 절대 압력 센서를 생각해 보십시오.

측정된 압력은 연결부 12를 통해 챔버 1로 전달됩니다. 챔버 1은 멤브레인으로 장치의 민감한 측정 부분과 분리되어 있습니다. 본체(2), 베이스(6) 및 막(10)은 함께 밀봉되어 제2 밀봉 챔버를 형성한다. 베이스(6)의 두 번째 밀폐실에는 홀더(9, 4)가 고정되어 있고, 두 번째 홀더(9, 4)는 브리지(3)에 의해 베이스(6)에 부착되어 있다. 홀더(4)는 감응 공진기(5)를 고정하는 역할을 한다. 지지 공진기(8)는 홀더에 의해 고정 9.

측정된 압력의 작용에 따라 멤브레인(10)은 슬리브(13)를 통해 볼(14)을 압착하며 볼(14)은 역시 홀더(4)에 고정되어 있습니다.이어서 볼(14)은 민감한 공진기(5)를 누른다. 베이스(6)에 고정된 와이어(7)는 각각 공진기(8 및 5)를 발전기(16 및 17)에 연결한다. 절대 압력의 크기에 비례하는 신호를 생성하기 위해 공진기의 주파수 차이에서 출력 신호를 생성하는 회로 15가 사용됩니다. 센서 자체는 40 ° C의 일정한 온도를 유지하는 활성 온도 조절기 (18)에 배치됩니다.

가장 간단한 것 중 일부는 용량 성 압력 센서... 두 개의 평평한 전극과 그 사이의 간격이 커패시터를 형성합니다. 전극 중 하나는 측정된 압력이 작용하는 멤브레인으로, 실제 커패시터 플레이트 사이의 간격 두께가 변경됩니다. 플랫 커패시터의 커패시턴스는 플레이트의 일정한 면적에 대한 갭의 크기 변화에 따라 변하므로 매우 작은 압력 변화도 감지하기 위해 정전 용량 센서가 매우 효과적이라는 것은 잘 알려져 있습니다.

작은 치수의 용량성 압력 센서를 사용하면 액체, 가스, 증기의 과압을 측정할 수 있습니다. 용량성 압력 센서는 압축기, 펌프, 공작 기계에서 유압 및 공압 시스템을 사용하는 다양한 산업 공정에 유용합니다. 센서 설계는 극한의 온도와 진동에 강하고 전자기 간섭과 공격적인 환경 조건에 대한 내성이 있습니다.

용량 성-유도 성 또는 자기 센서와 원격으로 유사한 또 다른 유형의 전기 압력 센서... 압력에 민감한 전도성 멤브레인은 코일이 감긴 중간 코어의 얇은 W 자형 자기 회로에서 약간 떨어진 곳에 있습니다.멤브레인과 자기 회로 사이에 일정한 에어 갭이 설정됩니다.

코일에 전압이 가해지면 코일의 전류가 자기 회로 자체와 에어 갭 및 멤브레인을 통과하여 닫히는 자속을 생성합니다. 갭의 자기 투자율은 자기 회로 및 멤브레인보다 약 1000배 작기 때문에 갭의 작은 두께 변화도 회로의 인덕턴스에 눈에 띄는 변화를 가져옵니다.

측정된 압력의 영향으로 센서 다이어프램이 구부러지고 코일의 복합 저항이 변경됩니다. 변환기는 이 변화를 전기 신호로 변환합니다. 변환기의 측정 부분은 센서의 코일이 팔 중 하나에 포함되는 브리지 회로에 따라 만들어집니다. ADC를 사용하여 측정부에서 나오는 신호를 측정된 압력에 비례하는 전기 신호로 변환합니다.

우리가 살펴볼 마지막 유형의 압력 센서는 광전자 센서입니다. 이 센서는 압력을 감지하기가 매우 간단하고 해상도가 높으며 감도가 높고 열적으로 안정적입니다. 작은 변위를 측정하기 위해 Fabry-Perot 간섭계를 사용하여 광 간섭을 기반으로 작동하는 이 센서는 특히 유망합니다. 개구가 있는 광학 변환기 크리스탈, LED 및 3개의 포토다이오드로 구성된 검출기가 이러한 센서의 주요 부품입니다.

두께 차이가 작은 Fabi-Perot 광학 필터가 두 개의 포토다이오드에 부착됩니다. 이 필터는 표면에 얇은 알루미늄 층이 증착된 실리콘 산화물 층으로 덮인 전면의 반사 실리콘 거울입니다.

광학 변환기는 용량성 압력 센서와 유사하며, 단결정 실리콘 기판에서 에칭으로 형성된 다이어프램은 얇은 금속층으로 덮여 있습니다. 유리판 밑면에도 금속 코팅이 되어 있습니다. 두 개의 스페이서를 사용하여 얻은 유리판과 실리콘 기판 사이에 폭 w의 간격이 있습니다.

2개의 금속 층이 가변 에어 갭 w가 있는 Fabia-Perot 간섭계를 형성하며, 여기에는 압력이 변할 때 위치가 변경되는 멤브레인에 위치한 이동식 거울과 유리판에 평행한 고정식 반투명 거울이 포함됩니다.

이를 바탕으로 FISO Technologies는 바늘귀를 쉽게 통과하는 직경 0.55mm의 미세하고 민감한 압력 변환기를 생산합니다. 카테터의 도움으로 미니 센서가 연구 부피에 삽입되고 내부에서 압력이 측정됩니다.

광섬유는 지능형 센서에 연결되어 마이크로프로세서의 제어하에 광섬유에 도입된 단색 광원이 켜지고 역반사 광속의 강도가 측정되며 외부 압력이 센서는 보정 데이터에서 계산되어 디스플레이에 표시됩니다. 예를 들어 의학에서 이러한 센서는 다른 방법으로는 도달할 수 없는 폐동맥의 혈압을 측정하기 위해 두개내압을 모니터링하는 데 사용됩니다.