電気圧力センサー

今日、産業のさまざまな分野で圧力を測定するために、水銀気圧計やアネロイドだけでなく、動作原理や各タイプのセンサーに固有の長所と短所の両方が異なるさまざまなセンサーも使用されています。最新のエレクトロニクスにより、圧力センサーを電気的、電子的に直接実装できます。

では、「電気圧力センサー」という用語は何を意味するのでしょうか?電気圧力センサーとは何ですか?それらはどのように配置され、どのような機能を持っているのでしょうか?最後に、特定の目的に最適な圧力センサーはどれを選択すればよいでしょうか?この記事の中で明らかになります。

まず、用語自体を定義しましょう。圧力センサーは、その出力パラメーターが測定された圧力に依存するデバイスです。テスト媒体は、特定のセンサーの用途に応じて、蒸気、液体、または一部の気体になります。

現代のシステムでは、電力、石油、ガス、食品、その他多くの産業のオートメーション システムの重要なコンポーネントとして、この種の精密ツールが必要です。小型圧力トランスデューサは医療において不可欠です。

各電気圧力センサーには、衝撃を一次トランスデューサーに伝達する役割を果たす感応素子、信号処理回路、およびハウジングが含まれています。電気圧力センサーは主に次のように分類されます。

• 抵抗性 (張力抵抗性);

• 圧電;

• ピエゾ共振。

• 容量性;

• 誘導（磁気）;

• 光電子。

抵抗またはひずみゲージ圧力センサー これは、変形負荷の作用により感応要素が電気抵抗を変化させるデバイスです。ひずみゲージは、圧力を受けると曲がり、それに取り付けられたひずみゲージを曲げる感応膜に取り付けられています。ひずみゲージの抵抗が変化し、それに応じてコンバータの一次回路の電流の大きさが変化します。

各ひずみゲージの導電性要素を伸ばすと、長さが増加し、断面積が減少し、その結果、抵抗が増加します。圧縮の場合はその逆になります。抵抗の相対的な変化は 1,000 分の 1 単位で測定されるため、信号処理回路には ADC を備えた高精度アンプが使用されます。したがって、ひずみは半導体または導体の電気抵抗の変化に変換され、さらに電圧信号に変換されます。

ひずみゲージは通常、膜に接着する柔軟なベースに適用されるジグザグの導電性または半導体要素です。基板は通常、雲母、紙、またはポリマーフィルムでできており、導電性要素は金属上に真空スプレーされた箔、細いワイヤー、または半導体です。ひずみゲージの感応要素と測定回路との接続は、接触パッドまたはワイヤを使用して行われます。ひずみゲージ自体の面積は通常 2 ～ 10 平方 mm です。

ロードセルセンサー 圧力レベル、圧縮強度、重量測定の推定に最適です。

次のタイプの電気圧力センサーは圧電です…ここで、圧電素子は感応素子として機能します。圧電素子に基づく圧電素子は、変形すると電気信号を生成します。これがいわゆる直接圧電効果です。圧電素子が測定対象媒体内に配置されると、トランスデューサ回路内の電流はその媒体内の圧力変化の大きさに比例します。

圧電効果の発現には、一定の圧力ではなく圧力の正確な変化が必要であるため、このタイプの圧力トランスデューサは動的な圧力測定にのみ適しています。圧力が一定であれば、圧電素子の変形プロセスは発生せず、圧電素子によって電流は生成されません。

圧電圧力センサーは、たとえば、水、蒸気、ガス、その他の均質媒体の渦流量計の一次流量変換器で使用されます。このようなセンサーは、流れ本体の後ろの数十から数百ミリメートルの公称開口部を持つパイプラインにペアで設置され、したがって、体積流量と流量に比例する周波数と数の渦を記録します。

さらに圧電共振圧力センサーについて考えてみましょう... 圧電共振圧力センサーでは、印加電圧の作用により圧電体が変形する逆圧電効果が働き、電圧が高くなるほど変形も強くなります。センサーは圧電プレートの形をした共振器に基づいており、その両側に電極が取り付けられています。

交流電圧が電極に印加されると、板材が振動して一方向または別の方向に曲がり、その振動の周波数は印加された電圧の周波数に等しくなります。しかし、例えば感圧膜を介してプレートに外力を加えることでプレートが変形すると、共振器の自由振動の周波数が変化します。

したがって、共振器の固有振動数は、共振器を押す膜にかかる圧力の量を反映し、その結果、周波数が変化します。例として、圧電共振に基づく絶対圧力センサーを考えてみましょう。

測定された圧力は、接続部 12 を介してチャンバー 1 に送信されます。チャンバー 1 は、膜によってデバイスの高感度測定部分から分離されています。本体２、ベース６および膜１０は一緒に密閉されて、第２の密閉チャンバーを形成する。ベース６の第２の密閉チャンバ内には、ホルダ９および４が固定されており、その第２のホルダはブリッジ３によってベース６に取り付けられている。ホルダ４は、感応共振器５を固定するのに役立つ。支持共振器８は、ホルダー9で固定します。

測定された圧力の作用下で、膜１０はスリーブ１３を介してボール１４を押し、ボール１４もホルダ４に固定されている。ボール１４は、次に感応共振器５を押す。ベース６に固定されたワイヤ７は、共振器８および５をそれぞれ発電機１６および１７に接続する。絶対圧力の大きさに比例する信号を生成するために、共振器の周波数の差から出力信号を生成する回路１５が使用される。センサー自体は、40℃の一定温度を維持するアクティブサーモスタット18内に配置されています。

最も単純なものには、容量性圧力センサーがあります。2 つの平らな電極とそれらの間のギャップがコンデンサーを形成します。電極の 1 つは測定された圧力が作用する膜であり、実際のコンデンサ プレート間のギャップの厚さが変化します。フラットコンデンサの静電容量は、プレートの一定面積のギャップのサイズの変化に応じて変化することがよく知られているため、非常に小さな圧力変化を検出するには、静電容量センサーが非常に効果的です。

小型の容量性圧力センサーにより、液体、気体、蒸気の過圧を測定できます。容量性圧力センサーは、コンプレッサー、ポンプ、工作機械など、油圧および空圧システムを使用するさまざまな産業プロセスで役立ちます。センサーの設計は、極端な温度や振動に耐性があり、電磁干渉や過酷な環境条件にも耐性があります。

別のタイプの電気圧力センサーは、遠隔的には容量性センサー、誘導性センサー、または磁気センサーに似ています... 感圧性の導電性膜は、コイルが巻かれている中央のコア上にある薄いW字型の磁気回路からある程度の距離を置いて配置されています。メンブレンと磁気回路の間には一定のエアギャップが設定されています。

コイルに電圧が印加されると、コイル内の電流によって磁束が発生し、磁気回路自体、空隙、膜の両方を通過して閉じます。ギャップの透磁率は磁気回路やメンブレンの透磁率よりも約 1000 倍小さいため、ギャップの厚さがわずかに変化しただけでも、回路のインダクタンスに顕著な変化が生じます。

測定された圧力の影響により、センサーのダイアフラムが曲がり、コイルの複雑な抵抗が変化します。トランスデューサはこの変化を電気信号に変換します。コンバータの測定部分はブリッジ回路に従って作られており、センサーのコイルはアームの1つに含まれています。 ADCを使用して、測定部からの信号を測定圧力に比例した電気信号に変換します。

最後に取り上げる圧力センサーは光電子センサーです。圧力の検出が非常に簡単で、分解能が高く、感度が高く、熱的に安定しています。これらのセンサーは、光の干渉に基づいて動作し、ファブリペロー干渉計を使用して小さな変位を測定するため、特に有望です。このようなセンサーの主要部分は、開口部を備えた光変換結晶、LED、および 3 つのフォトダイオードからなる検出器です。

2つのフォトダイオードに厚み差の小さいファビペロー光学フィルターを貼り付けています。これらのフィルタは、前面が酸化シリコンの層で覆われた反射シリコン ミラーであり、その表面にはアルミニウムの薄層が蒸着されています。

光学トランスデューサは容量性圧力センサーに似ており、単結晶シリコン基板のエッチングによって形成されたダイヤフラムは金属の薄層で覆われています。ガラス板の裏面にも金属コーティングが施されています。ガラス板とシリコン基板の間には幅 w の隙間があり、2 つのスペーサーを使用して得られます。

2 つの金属層により、可変エア ギャップ w を持つファビア ペロー干渉計が形成されます。この干渉計には、膜上に配置され、圧力が変化すると位置が変わる可動ミラーと、それに平行なガラス プレート上の固定半透明ミラーが含まれます。

これに基づいて、FISO Technologies は、針穴を容易に通過できる、直径わずか 0.55 mm の微細な高感度圧力トランスデューサーを製造しています。カテーテルの助けを借りて、ミニセンサーが調査対象領域に挿入され、その内部の圧力が測定されます。

光ファイバーはインテリジェントセンサーに接続されており、マイクロプロセッサーの制御下でファイバーに導入された単色光源がオンになり、後方反射光束の強度が測定され、光ファイバー上の外部圧力が測定されます。センサーは校正データから計算され、ディスプレイに表示されます。たとえば、医学では、このようなセンサーは頭蓋内圧を監視したり、他の方法では到達できない肺動脈の血圧を測定したりするために使用されます。