ЖУРНАЛ «СТА» №3/2006

74 СТА 3/2006 АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ДАТЧИКИ www.cta.ru Применяемые в большинстве совре- менных датчиков давления ёмкостный и пьезорезистивный принципы изме- рения работают уже около 50 лет и дав- но исчерпали себя: известные пробле- мы стабильности, ухода характеристик с температурой и давлением, а также аналогоцифровое преобразование ог- раничивают возможности датчиков на основе этих принципов и приводят к их удорожанию в свете постоянно расту- щих требований к их характеристикам. В конце 80х, когда произошел скачок в развитии технологий полупроводников, японская компания Yokogawa решилась на беспрецедентный шаг – отойти от тра- диционных мето- дов измерения и р е а л и з о в а т ь принципиально новый частот- норезонансный сенсор, назван- ный в дальней- шем DPHarp ( D i f f e r e n t i a l Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) . П РИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ В основе нового сенсора DPHarp ле- жит известный час- тотнорезонансный принцип, который наглядно можно продемонстрировать на примере струны: при натяжении струны её тон (частота собственных колебаний) становится вы- ше, при ослаблении — наоборот, ниже. Уникальность сенсора DPHarp за- ключается в том, что эта конструкция выполнена в чрезвычайно малых разме- рах (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния (отсюда пошло название «кремниевый резонатор») безо всяких швов, смычек и т.п. (рис. 1). К ОНСТРУКЦИЯ СЕНСОРА В качестве упругого элемента ис- пользуется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствитель- ных элемента. Чувствительные эле- менты – резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по зна- ку при приложении разности давлений к сенсору. Изменение собственной частоты ре- зонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению. Возбуждение колебаний и преобразо- вание частоты механических колебаний в электрический частотный сигнал про- исходит путём помещения двухконтур- ных резонаторов в постоянное магнит- ное поле и пропусканием переменного электрического тока через тело резона- тора в контуре возбуждения (рис. 2). Такой сенсор имеет целый ряд пре- имуществ по сравнению с другими принципами измерения. Стабильность и влияние перегрузок Существующие широко используе- мые методы преобразования давления в электрический сигнал имеют очевидные принципиальные ограничения по ста- бильности и устойчивости к перегрузкам: ● для ёмкостного метода это остаточ- ная деформация и механическая ус- талость центральной мембраны – «сердца» ёмкостного сенсора; DPHarp — современные технологии в измерении давления, расхода и уровня Японская корпорация «Иокогава» некоторое время назад произвела революцию в производстве датчиков давления, реализовав новую технологию DPHarp в измерении давления. Сегодня «Иокогава» представляет недавно выпущенную линейку датчиков давления — серию EJX, выводящую измерение давления на качественно новый уровень в промышленной автоматизации. Василий Кравченко Рис. 1. Снимок разреза кремниевого резонатора под электронным микроскопом Рис. 2. Схема перевода механических колебаний в электрические — колебания в электрическом контуре в точности соответствуют собственным механическим колебаниям резонатора контур возбуждения измерительный контур магнитное поле вакуум резонатор мембрана давление капсула