Soorten druksensoren
Apparaten die druk kunnen meten en op afstand elektrische signalen kunnen leveren, worden gezamenlijk druksensoren genoemd. De druksensor is een belangrijk onderdeel van het drukdetectie-instrument en kent verschillende structurele typen. De meest voorkomende typen zijn druksensoren met een rek-, piëzoresistief, capacitief, piëzo-elektrisch en trillingsfrequentie. Daarnaast zijn er foto-elektrische, optische vezel- en ultrasone druksensoren. De druksensor kan de gemeten druk direct omzetten in verschillende vormen van elektrische signalen, wat handig is om te voldoen aan de eisen van gecentraliseerde detectie en besturing van automatiseringssystemen, waardoor deze veel wordt gebruikt in de industriële productie.
Soorten druksensoren:
1. Rekstrook-druksensor
Een rekstrook- druksensor is een sensor die indirect druk meet door de rek van verschillende elastische elementen te meten. Afhankelijk van de verschillende materialen kunnen rekstrookelementen worden onderverdeeld in twee categorieën: metalen en halfgeleiders. Het werkingsprincipe van rekstrookelementen is gebaseerd op het "rekeffect" van geleiders en halfgeleiders: wanneer de geleider en de halfgeleidermaterialen mechanische vervorming ondergaan, verandert hun weerstandswaarde.
Wanneer de draad wordt blootgesteld aan een externe kracht, veranderen de lengte en de doorsnede, en ook de weerstandswaarde. Als de draad wordt uitgerekt door een externe kracht, neemt de lengte toe, terwijl de doorsnede afneemt en de weerstandswaarde toeneemt. Wanneer de draad wordt samengedrukt door een externe kracht, neemt de lengte af, neemt de doorsnede toe en neemt de weerstandswaarde af. Zolang de verandering in de spanning over de weerstand wordt gemeten, kan de rek van de uitgerekte draad worden bepaald.
Naast de relevante wetenschappelijke kennis over druksensoren, klikt u hier voor meer informatie over temperatuursensoren .
2. Piëzoresistieve druksensoren
Een piëzoresistieve druksensor verwijst naar een sensor die is gemaakt met behulp van het piëzoresistieve effect van monokristallijn siliciummateriaal en geïntegreerde schakelingstechnologie. Nadat het monokristallijn siliciummateriaal aan de kracht is blootgesteld, verandert de soortelijke weerstand en kan het elektrische signaal, evenredig met de krachtverandering, worden verkregen via het meetcircuit. Dit type sensor staat ook bekend als een diffusie-piëzoresistieve siliciumdruksensor. Deze sensor verschilt van de kleefrekstrook, die de externe kracht indirect via het elastische gevoelige element moet voelen, maar de gemeten druk direct via het siliciummembraan.
Piëzoresistieve druksensoren zijn voornamelijk gebaseerd op het piëzoresistieve effect. Het piëzoresistieve effect wordt gebruikt om de verandering in weerstand van een materiaal onder mechanische belasting te beschrijven. In tegenstelling tot het piëzo-elektrische effect produceert het piëzoresistieve effect alleen impedantieveranderingen en geen elektrische ladingen.
Piëzoresistieve effecten zijn aangetroffen in de meeste metalen en halfgeleidende materialen. Het piëzoresistieve effect in halfgeleidermaterialen is veel groter dan dat in metalen. Omdat silicium de belangrijkste grondstof is voor de huidige geïntegreerde schakelingen, wordt de toepassing van piëzoresistieve elementen van silicium zeer zinvol. De weerstand van silicium verandert niet alleen door de spanningsgerelateerde geometrische vervorming, maar ook door de spanningsgerelateerde weerstand van het materiaal zelf, waardoor de graadfactor honderden keren groter is dan die van metalen. De weerstandsverandering van N-type silicium is voornamelijk te wijten aan de herverdeling van ladingsdragers tussen de geleidingsbanddalen met verschillende mobiliteiten, veroorzaakt door de verplaatsing van de drie geleidingsbanddalparen, wat op zijn beurt de mobiliteit van elektronen in verschillende stroomrichtingen verandert. De tweede is te wijten aan de verandering van de effectieve massa die gepaard gaat met de vormverandering van de geleidingsbanddal. In p-type silicium wordt dit fenomeen complexer en leidt het ook tot een equivalente massaverandering en gatconversie.
Piëzoresistieve druksensoren worden doorgaans via draden aangesloten op een Wheatstone-brug. Meestal is er geen externe druk op de gevoelige kern en bevindt de brug zich in een gebalanceerde toestand (de zogenaamde nulstand). Wanneer de sensor onder druk komt te staan, verandert de chipweerstand en verliest de brug zijn evenwicht. Als een constante stroom- of spanningsvoeding aan de brug wordt toegevoegd, geeft de brug een spanningssignaal af dat overeenkomt met de druk, waardoor de weerstandsverandering van de sensor wordt omgezet in een druksignaal dat via de brug wordt afgegeven. De brug detecteert de verandering van de weerstandswaarde, na versterking, en vervolgens, door de omzetting van spanning en stroom, wordt dit omgezet in een corresponderend stroomsignaal. Dit stroomsignaal wordt gecompenseerd door de niet-lineaire correctielus, dat wil zeggen dat de ingangsspanning een lineaire corresponderende relatie heeft van 4. ~20 mA standaarduitgangssignaal.
Om de invloed van temperatuurverandering op de kernweerstandswaarde te verminderen en de meetnauwkeurigheid te verbeteren, maakt de druksensor gebruik van temperatuurcompensatiemaatregelen om een hoog niveau van technische indicatoren te behouden, zoals nulpuntverloop, gevoeligheid, lineariteit en stabiliteit.