Виды механических сенсоров. Представление о микросистемных технологиях. Деформационные сенсоры

2.3. Деформационные чувствительные элементы

Наиболее известными деформационными чувствительными элементами являются деформационные чувствительные элементы для измерения температуры, силы и давления. В производственных условиях для слежения за температурой с целью её регулирования преимущество обычно отдают биметаллическим чувствительным элементам [ [ 325 ] ]. Они представляют собой биметаллические полоски, которые состоят из двух прочно соединенных между собой слоев металлов с существенно отличающимися температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). При повышении температуры один из металлов удлиняется больше, другой – меньше. В результате биметаллическая полоска выгибается в сторону металла с меньшим ТКЛР. Появляется первичный сенсорный сигнал – изменение изгиба, означающий "изменение температуры". Так в данном случае "рождается" информация. Далее деформационный сигнал можно использовать разными способами.

В термостатах и автоматических регуляторах температуры с электронагревателями выгибание биметаллической пластины используют непосредственно для автоматического замыкания или размыкания электрической цепи, через которую электрическая мощность подается в нагреватель. При достижении заданной температуры величина изгиба достигает такой степени, что электрическая цепь нагревателя автоматически размыкается, и дальнейшее нагревание прекращается. Настройка на нужную температуру осуществляется регулировкой взаимного положения контактов. Когда температура снижается, то изгиб биметаллической пластины уменьшается, и контакт снова автоматически замыкается. Выделение тепла в нагревателе возобновляется, падение температуры прекращается, и она опять начинает повышаться. Биметаллическая пластина выполняет в данном случае функции не только чувствительного элемента, но и актуатора.

Актуатор – это устройство, которое активно реагирует на поданный сигнал, совершая какое-то действие.

В данном примере биметаллическая пластина–актуатор замыкает или размыкает электрическую цепь. Промышленно выпускаются относительно дешевые отрегулированные биметаллические термореле, которые могут пропускать и коммутировать электрический ток силой до 16А, обеспечивая точность регулирования температуры 3-10 С. Один из таких регуляторов – термореле ТК-52 – показан на рис. 2.3, а.

Рис. 2.3. а) Биметаллическое термореле ТК-52; б) к объяснению принципа действия биметаллической спирали; в) внешний вид спирального биметаллического термометра "Сауна"

Выгибание биметаллической пластины можно использовать не только для коммутации электрических цепей, но и средствами точной механики преобразовать далее, например, в отклонение стрелки на циферблате с температурной шкалой. Чтобы повысить чувствительность такого термометра и одновременно упростить и удешевить его конструкцию, применяют биметаллические спирали с большим количеством витков ( рис. 2.3, б). Такая плоская спираль с повышением температуры раскручивается, а при снижении – скручивается гораздо больше, чем отдельная полоска. Внешний вид одного из промышленных термометров, использующих биметаллическую спираль, показан на рис. 2.3, в.

При измерениях давления жидкости или газа в качестве чувствительных элементов часто используют механические устройства, которые деформируются под действием давления. Наиболее употребительные из них – трубки Бурдона, сильфоны и упругие мембраны – показаны на рис. 2.4. Принципы их действия объясняют рис. 2.4 (а, б, в).

Трубка Бурдона ( рис. 2.4, а) – это пустая внутри упругая трубка с овальным или прямоугольным (но только не круговым) сечением, согнутая в кольцо. Свободный конец трубки герметически закрыт, а другой конец механически закреплен и соединен с объемом, в котором измеряется давление. Когда давление внутри трубки превышает внешнее давление, то оно распинает трубку, она начинает раскручиваться – тем больше, чем больше измеряемая разность давлений. Этот принцип еще в 1848 г. изобрел французский ученый Э. Бурдон, в честь которого и названа трубка. Принцип этот используется и в известной детской игрушке – скрученном резиновом или бумажном "языке", который при надувании раскручивается, значительно удлиняясь. Движение свободного конца трубки через соответствующий механизм передается на стрелку (для оптического считывания) или на ползунок потенциометра либо конденсатора переменной емкости (для превращения в электрический сигнал). Одна из возможных конструкций манометра показана на рис. 2.4, г. Здесь 1 - свободный конец трубки Бурдона, 2 и 3 - передаточный механизм, 4 – стрелка, 5 – шкала давлений.

Рис. 2.4. Механические деформационные элементы, чувствительные к давлению: а и г – трубка Бурдона; б и д – сильфон; в – мембрана

Для расширения диапазона измеряемых давлений и повышения точности измерений часто используют не один виток трубки Бурдона, а 10-30 витков, свернутых в спираль. При этом удается перекрыть диапазон давлений от 1 Па до 10⁵ Па и обеспечить точность измерений от 4% до 0,1%. В зависимости от примененных материалов трубки и механизма передачи такой сенсор давления может работать при температурах до 500 С и даже выше.

Интересным и неожиданным вариантом применения трубки Бурдона являются предложенные в работе [ [ 26 ] ] миниатюрные спиральные трубки из синтетического материала парилена. Спираль радиусом 1 мм из 10 витков такой трубки в экспериментах показала довольно высокую чувствительность к изменению давления среды, в которой она находится. В изопропиловом спирте чувствительность спирали составила 0,22 /мм рт. ст. ( спираль раскручивается на 0,22 при росте давления на 1 мм рт. ст.), в воде – 0,13 /мм рт. ст. Благодаря тому, что парилен является биологически совместимым материалом, такие мини-спиральки предлагается имплантировать в глаза людей, уже страдающих или рискующих заболеть глаукомой, – с целью постоянного мониторинга их внутриглазного давления. Величину давления легко определить с применением обычных оптических инструментов окулистов. Для этого достаточно посмотреть в глаз и оценить степень раскручивания имплантированной в глаз париленовой микротрубки Бурдона.

Сильфон ( рис. 2.4, б, д) – это эластичная гофрированная трубка, внутри и извне которой создаются разные давления: одно из них – измеряемое, другое – опорное. Чем больше превышение давления внутри над давлением извне сильфона, тем больше он растягивается. Благодаря гофрированным складкам деформация сильфона не приводит к потере герметичности. К подвижному торцу сильфона прикрепляют шток, который превращает деформацию сильфона в линейное перемещение. Сильфоны чаще применяют в сенсорах дифференциального давления. Иногда их используют также и как деформационный чувствительный элемент, реагирующий на приложенную силу. Для этого в недорогих весах и динамометрах сильфон герметически закрывается с обеих сторон.

Для измерения веса и силы часто используют и другой деформационный чувствительный элемент – пружину. Поскольку она хорошо всем известна, то на рис. 2.4 не показана. Пружины в качестве чувствительного элемента используют обычно лишь в пределах линейной упругой деформации, когда выполняется известный закон Гука:

( 2.1)

Мембрана ( рис. 2.4, в) – тонкая упругая гибкая перегородка между двумя объемами с разным давлением. Мембрана выгибается в сторону объема с меньшим давлением, причем ее перемещение тем больше, чем больше разность давлений. Диапазон измеряемой разности давлений зависит от коэффициента упругости мембраны. К месту наибольшего прогиба крепят шток, который превращает деформационный сигнал в линейное перемещение и приводит в действие механизм отсчета дифференциального давления.

Спектр деформационных чувствительных элементов не исчерпывается лишь контролем и измерением температуры и давления. Их применяют, например, также для контроля и измерения крутильных моментов. В этом случае используется упругая деформация кручения. В качестве чувствительного элемента часто используют кварцевые нити. Возможно, еще со школы Вы помните замечательные опыты П.Н. Лебедева (Москва, 1900 г.) по измерению ничтожного давления света. Изобретенный им сенсор ( рис. 2.5) состоял из легчайших "крылышек" 1, изготовленных из тонкой слюды и подвешенных на тонкой нити 2 из плавленого кварца.

Рис. 2.5. Принцип действия сенсора светового давления П.Н. Лебедева: 1 – "крылышки"; 2 – кварцевая нить; 3 – зеркальце; 4 – стеклянный вакуумный колпак; 5 – защищенная от вибраций станина

Одна из слюдяных пластинок была прозрачной или зеркальной, вторая – зачернена. Когда на крылышки падал яркий свет, его давление на разные половинки крылышек было разным. В результате нить закручивалась на угол, при котором возникающий момент силы упругости точно компенсировал крутящий момент, создаваемый световым давлением. Для измерения весьма малых крутильных деформаций на нити укреплялось также легкое зеркальце 3. При его повороте отраженный световой "зайчик" перемещался. И на достаточно больших расстояниях от зеркальца перемещения "зайчика" можно было точно измерять. Чтобы исключить влияние движений воздуха, нить 2 подвешивалась под стеклянным колпаком 4, внутри которого создавался вакуум. А для исключения помех от вибраций колпак 4 устанавливался на тяжелой станине 5, хорошо защищенной от вибраций.

Объектом наблюдения в данном сенсоре является световой поток, падающий на крылышки 1. Первичный сигнал деформации скручивания нити 2 усиливается с помощью зеркальца 3 и превращается в сигнал линейного перемещения отраженного от него светового "зайчика". Величина перемещения считывалась физиком-экспериментатором. Теперь эту работу может автоматически выполнять линейка фотоприемников, о которых мы расскажем в разделе "Электрические сенсоры".

На рис. 2.6 показан принцип действия деформационного чувствительного элемента для контроля и измерения еще одной величины – скорости течения. В потоке жидкости или газа 1 на шарообразную мишень 2 действует сила, пропорциональная квадрату скорости потока. Мишень крепится к гибкой упругой "ножке" 3, второй конец которой прикреплен к неподвижной опоре 5. Чем больше скорость потока, тем больше выгибается ножка. Этот первичный сигнал деформации превращается в электрический сигнал с помощью встроенных в ножку тензорезисторов 4. О них мы также расскажем в разделе "Электрические сенсоры". На один из тензорезисторов действует сжимающее, а на другой – растягивающее усилие. Электрические сигналы передаются наружу через проводники, пропущенные внутри тела "ножки".

Рис. 2.6. Деформационный чувствительный элемент для контроля скорости течения

Подобный принцип использовали уже и наши предки, которые "на глаз" оценивали скорость ветра по величине изгиба упругих стволов деревьев.

Чувствительные элементы, использующие упругую деформацию кручения или изгиба, применяют тоже лишь в пределах их упругой деформации, обычно даже – в пределах линейной деформации, когда величина деформации пропорциональна приложенному усилию.