Датчик давления — это измерительный преобразователь, предназначенный для контроля усилия, создаваемого жидкой или газообразной средой на чувствительный элемент. Выходной электрический сигнал датчика используется в системах автоматизации, регистрации данных или противоварийной защиты.
В промышленности и приборостроении датчики давления решают широкий спектр задач. Они работают в гидравлических и пневматических системах, трубопроводах, технологических емкостях и испытательных стендах. В зависимости от исполнения приборы могут измерять:
- абсолютное давление (относительно идеального вакуума);
- избыточное давление (относительно атмосферного);
- дифференциальное давление (разницу давлений в двух точках);
- разрежение (вакуумметрическое давление).
Для преобразования давления в электрический сигнал используются различные физические принципы: тензоэффект, изменение емкости, пьезоэлектрический эффект и другие.
Принцип работы датчика на пьезоэффекте
В основе работы пьезоэлектрических датчиков лежит способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при механической деформации. Конструктивно такой датчик включает три основных функциональных узла:
- Чувствительный элемент (пьезоэлемент). Воспринимает усилие от измеряемой среды и преобразует его в пропорциональный электрический заряд. В качестве материала выступает пьезокерамика, монокристалл кварца или другие пьезоактивные материалы.
- Согласующий усилитель (преобразователь заряда). Высокое выходное сопротивление пьезоэлемента требует согласования с последующими цепями. Усилитель заряда преобразует слабый сигнал с пьезоэлемента в нормированное напряжение или ток.
- Выходной каскад. Формирует выходной сигнал, пригодный для передачи на контроллер, регистратор или АЦП. Здесь может выполняться фильтрация, линеаризация и гальваническая развязка сигнала.
Таким образом, датчик воспринимает давление, преобразует его в заряд и выдает стандартизованный электрический сигнал, готовый к дальнейшей обработке.
Пьезоэлектрические материалы для датчиков давления
Выбор материала чувствительного элемента определяется условиями эксплуатации и требованиями к измерительному каналу. В датчиках давления находят применение следующие пьезоэлектрики:
- Кварц. Природный пьезокристалл, отличающийся высокой стабильностью параметров во времени и незначительным температурным гистерезисом. Используется в высокоточных эталонных датчиках и измерителях быстропротекающих процессов благодаря высокой собственной частоте.
- Пьезокерамика (ЦТС, PZT). Искусственный материал на основе цирконата-титаната свинца. Основное преимущество пьезокерамики — высокий коэффициент электромеханической связи и технологичность изготовления элементов различной конфигурации. Это наиболее востребованный материал для промышленных датчиков пульсаций и импульсных давлений.
- Поливинилиденфторид (ПВДФ, PVDF). Полимерный пьезоэлектрик. Применяется при создании гибких датчиков, в том числе большой площади, а также в медицинской диагностике.
- Фосфат галлия. Искусственный кристалл, сохраняющий пьезоэлектрические свойства при температурах до 900°C. Востребован в геофизических исследованиях скважин и других областях с экстремально высокими температурами.