1.3 Кремниевые датчики давления

Как и датчики температуры, датчики давления относятся к наиболее широко употребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существующие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рассмотрим некоторые варианты их использования.

1.3.1 Общие сведения о датчиках давления

Для любительской практики представляют интерес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик изготовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют сезистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезоэлектрического эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

-высокая чувствительность,

-хорошая линейность,

-незначительные гистсрезисные явления,

-малое время срабатывания,

-компактная конструкция,

- экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Область применения датчиков давления определяется возможным диапазоном измеряемых давлений (см, табл. 1.2).

Таблица 1. 2 Области применения датчиков давления

Уровень давления	Применение
40 мбар	Измерение уровня жидкости в стиральных и посудомоечных машинах
100 мбар	Пылесосы, контроль фильтров, измерение расхода
200 мбар	Измерение кровяного давления
1 бар	Барометр, регулировка зажигания и впрыска в автомобильных двигателях
2 бар	Измерение разряжения на такте всасывания в автомобильных двигателях
10 бар	Измерение давления масла и сжатого воздуха в тормозной системе автомобиля; холодильники
50 бар	Пневматические системы, промышленные роботы
500 бар	Гидравлические системы, строительные машины

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, как показано на рис.1.16. При этом отдельные резисторы (R1... R4) соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрастает, а у R2 и R4 уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность измерительного моста. Выходное напряжение UА соответствует тогда уравнению



Рис. 1.16. Измерительный мост из четырех идентичных пьезорезисторов, составляющих в совокупности датчик давления

Рис. 1.17. Характеристика кремниевого датчика давления при различных температурах (25 и 125 ?С)

На рис.1.17 графически представлена зависимость Ua(p) для типичного кремниевого датчика давления. Здесь же продемонстрировано и влияние температуры на чувствительность.

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей (741, LM358 и т. п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.

Компенсация температурной погрешности в принципе следует различать температурный коэффициент смещения нуля и температурный коэффициент чувствительности и каждую отдельную по грешность компенсировать индивидуально.



Рис.1.18. Схемы компенсации для кремниевого датчика давления: а -- пассивная компенсация чувствительности моста; б -- установка нуля шкалы и пассивная компенсация температурного смещения нуля с помощью дополнительного резистора Ra; в -- активная компенсация чувствительности моста и смещения нуля шкалы; г -- дополнительная возможность активной компенсации температурного смещения нуля шкалы (к схеме a), OP1-- операционный усилитель.

Температурный коэффициент смещения нуля (примерно -2*10^-4 К^-1) представляет собой температурную погрешность сигнала в нулевой точке шкалы. Он примерно в 10 раз меньше температурного коэффициента чувствительности (около -2*10^-3 К^-1). Простейший способ температурной компенсации состоит из так называемой пассивной компенсации с помощью резисторов и датчиков температуры, как показано па рис. 1.18, а и б.

Правильным подбором шунтирующих резисторов (R/Ro), а также датчика температуры (например, типа KTY 10) можно оказывать влияние как на смещение нуля, так и на изменение чувствительности. Однако лучше осуществлять активную компенсацию с помощью операционных усилителей (см. рис. 1.18 в и г), которая почти полностью устраняет температурную погрешность.

Рис.1.19. Датчик давления типа KPY (фирмы Siemens AG):а - типичная зависимость выходного напряжения Up от абсолютного давления Рабс при рабочей температуре Та=25?С, рабочем напряжении UВ=const и напряжении в нулевой точке U0=0; б - механическое устройство; в - электронная схема.

На рис. 1.18. показана полная схема кремниевого датчика давления с активной компенсацией изменения чувствительности и смещения нуля. Два операционных усилителя ОР1 и ОР2 включены как неинвертирующие усилители, причем коэффициент усиления ОР1 управляется датчиком температуры KTY 10. Поскольку с повышением температуры чувствительность датчика давления падает, при соответствующем подборе параметров KTY 10 и R коэффициент усиления ОР1 может; быть увеличен настолько, что потеря чувствительности окажется скомпенсированной. С помощью усилителя ОР4 нулевую точку можно установить произвольно. Если схема в точке А заменена схемой по рис. 1.18 г, то смещение нуля регулируется независимо от компенсации чувствительности. При этом резистор R(?) включен как активный элемент в измерительном мосте, выходное напряжение которого согласовывается с усилителем ОР4.

1.3.2 Конструкции датчиков давления

На рис.1.19 показан датчик давления из серии КРY (фирмы Siemens) для недорогих устройств. Технические характеристики датчиков этой серии приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Некоторые характеристики датчиков давления типа КСХ

Тип датчика	Максимальное давление, Рmax	Рабочий диапазон давлений, Р, бар	Сопротивление моста, Rв, кОм	Максимальное Входное напряжение Uвх, В	Температурный диапазон применения, С
KPY 10*	4	0…2	7	16	-40…+125
KPY 14*	20	0…10	7	16	-40…+125
KPY 12 **	4	0…2	7	16	-40…+125
KPY 16**	20	0…10	7	16	-40…+125

* Абсолютные измерения ** Относительные измерения

Датчик давления КР 100А (фирмы Valvo) имеет уже внутреннюю температурную компенсацию (активную), которая уменьшает температурную погрешность чувствительности в 10 раз. Малые габариты (рис. 3.1.5) позволяют встраивать датчик в приборы и аппараты, где другие датчики давления не умещаются. Параметры датчиков этого типа частично представлены в табл.1.3 и графически на рис.3.1.6,



Рис 1.20. Механическое устройство(а) и электронная схема(б) датчика давления KPY100А (фирмы Valvo) c внутренней компенсацией температуры

Рис.1.20. Характеристики датчика давления КР 100А при различных условиях эксплуатации: а - область допустимых значений смещения нулевой точки(±Uoff), Ua =const, ?u=const; б - зависимость выходного напряжения Uв от рабочего напряжения Uр(измерено без температурной компенсации), Uoff =0, ?u=25?C; в- область допустимых значений чувствительности, Ua =const, Uoff =0, =const; сплошная линия - средние значения, пунктирная линия - границы поля разброса; г - зависимость выходного напряжения Uв от рабочей температуры ?u(измерено без температурной компенсации), Uр=const, Uoff =0.

Характеристики датчика КР 100 А фирмы Valvo. Таблица 1.4

Таблица 1.4.

Внимание! Температура припоя не должна превышать 260 °С в течение 10 с

На рис. 1.21 показана мембрана датчика давления, на верхней стороне которой отчетливо видны активные резистивные элементы.

1.3.3 Электронный барометр

Существуют некоторые интересные варианты применения датчиков давления, уже упомянутые в табл. 1.3. К их числу птносится измерение атмосферного давления или высоты.

Описанный ниже барометрический прибор пригоден для точного измерения давления атмосферного воздуха, которое на уровне моря равно 1013 мбар. С увеличением высоты (например, в горах) или при переменном состоянии погоды давление воздуха сильноо изменяется. На высоте 10 км, например, оно падает до 264 мбар, а на 20 км -- до 55 мбар. Изменение давления воздуха в зависимости от высоты (относительно уровня моря) описывается так называемым барометрическим уравнением высоты:

где РL -- давление воздуха на высоте h, Ро - давление воздуха на уровне моря (1013 мбар), H константа. Зависимость давления воздуха от высоты иллюстрируется данными табл. 1.5.

Таблица 1.5. Зависимость давления воздуха от высоты

При подъеме от 0 до 500 м давление воздуха снижается примерно на 58 мбар. В среднем получается 0,12 мбар/м. В зависимости от погодных условий давление воздуха колеблется в диапазоне от примерно 980 мбар (низкое) до приблизительно 1025 мбар (высокое), т. е. по перепаду давления это соответствует перепаду высоты около 500 м.

1.3.4 Принципиальная схема барометра

Принципиальная схема электронного барометра изображена на рис. 3.2.1. Датчик давления (например, KPY 10 фирмы Siemens) питается стабилизированным напряжением 15 В, Выходное напряжение составляет при этом 0...300 мВ для диапазона давлений 0...2 бар. Диапазон измерения давления атмосферного воздуха составляет 50 мбар (±25 мбар), следовательно, выходное напряжение должно быть усилено в 50 раз. Для этого можно применить дифференциальный усилитель (например, LM363)· При нормальном атмосферном давлении на вход усилителя подается напряжение ?U = 150 мВ, которое повышается операционным усилителем ОР1 до примерно 7,5 В.

Вторым операционным усилителем (например, LM358) с помощью настроечного потенциометра P1 напряжение сигнала доводится до 10 В. Сопротивления R2 и Р1 равны 1 МОм, а сопротивление R1 равно 100 кОм.

Датчик давления KPY1O

Рис. 1.22. Электронная схема барометра с датчиком давления KPY 10.

Напряжение питания 15 В, стабилизированное. ОР -- операционный усилитель.

Установка нуля осуществляется делителем напряжения R3 = R4 = 20 кОм и R₂=10 кОм.

Калибровка

Точная установка (калибровка) выходною сигнала Uа осуществляется на испытательном стенде, показанном на рис. 1.23.

С помощью U-образной манометрической трубки, заполненной водой, можно создать колебания давления ±25 мбар, необходимые для регулировки чувствительности датчика давления. Поскольку нормальное давление 1013 мбар соответствует водяному столбу 10,34 м, колебание давления ±25 мбар соответствует изменению водяного столба ±25,5 см. U-образный манометр состоит из двух стеклянных трубок длиной около 1 м, соединенных между собой резиновым шлангом и наполовину заполненных водой (при возможности -- дистиллированной). Если давление в обеих трубках будет на одинаковой высоте. В этом состоянии выход манометра соединяют с датчиком давления другим резиновым шлангом и отмечают выходное на входе и выходе одинаково, то и уровень воды в напряжение Ua. Нагнетая воздух во вход манометра, смещают уровень воды па 25,5 см. Это второе выходное напряжение Ua2 также отмечают.

U-образный манометр

Рис.1.23. Устройство для калибровки датчиков давления

Разность ДUa = Ua2-- Ua1 после калибровки должна составлять 250 мВ, Если величина ДUa слишком мала, то нужно увеличить усиление с помощью настроечного потенциометра Р₁ Указанная процедура повторяется до тех пор, пока не получится ДUa =250 мВ. Затем устанавливают нулевую точку. Для этого у местной метеорологической службы запрашивают давление воздуха в данный момент. С помощью настроечного потенциометра Р2 устанавливается, например, выходной сигнал Ua = 10,05 В, соответствующий измеренному в данный момент давлению 1005 мбар.

После такой процедуры калибровки на выходе схемы получается значение давления воздуха в данный момент. В этом случае изменению выходного напряжения на 10 мВ соответствует изменение давления воздуха на 1 мбар.

Если ожидаются довольно большие изменения температуры (например, ДT больше или равно20°С), то с помощью соответствующей схемы следует еще дополнительно компенсировать смещение нуля р изменение чувствительности.

1.3.5. Высотомер

Электронный высотомер действует аналогично барометру. Схема (рис. 1.24) выполнена таким образом, что усиленная примерно до 1,5 В разность напряжений после ОР1 может быть установи лена па пуль с помощью суммирующей схемы ОР2 и делителя напряжения R1/P1. На втором каскаде усилителя ОР2 напряжение сигнала можно повысить примерно в 10 раз. Поскольку чувствительность моста датчика давления (KTY 10) составляет 150 мВ/бар, максимальная выходная чувствительность получается равной 15 В/бар. Если это выходное напряжение подать на цифровой вольтметр (трехзначный, 199 мВ), то теоретическая разрешающая способность получится равной 0,07 мбар/мВ. Здесь установка нуля осуществляется потенциометром Р1, а регулировка чувствительности потенциометром Р2,

Датчик давления KTY1O

Рис. 1.24. Электронная схема высотомера с датчиком давлений КСХ 10. Напряжение питания 15 В, стабилизированное; ОР - операционный усилитель.

Калибровка

Калибровка электронного высотомера также осуществляется с помощью аппаратуры, показанной па рис. 1.23.Сначала с помощью настроечного потенциометра Р1 выходное напряжение Uа устанавливается на нуль. Затем путем откачивания воздуха через выход U-образной трубки в датчике давления создается разрежение 25 мбар. Это показание прибора соответствует разности высот около 200 м, С помощью потенциометра Р2 выходное напряжение устанавливают примерно на 200 мВ (цифровой вольтметр 199). Выходное напряжение Ua цифрового прибора откалибровано теперь в метрах относительно нулевой высоты.

Для практической проверки можно определить изменение показаний при подъеме на заранее известную высоту (например, на высотное здание или на радио башню).

1.3.6 Типы датчиков давления

В наиболее широком ассортименте компания Моторола выпускает датчики давления. Полупроводниковая технология позволила создать упругий элемент датчика давления в виде кремниевой диафрагмы, непосредственно на которую методом ионной имплантации внедряют тензорезистивную структуру. Сцепление тензорезистора и кремниевой мембраны на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору.

Изготавливаемый таким способом монолитный кремниевый измеритель давления, запатентованный фирмой Моторола, получил название X-ducer из-за крестообразного расположения четырех выводов. Одна пара выводов элемента давления служит для подачи питающего напряжения, а на второй паре датчик развивает разность потенциалов, линейно зависящую от приложенного напряжения и механического давления



Рис.1.25 Чувствительный элемент X-ducer

Кристалл датчика, объединяясь с подложкой, может образовывать абсолютный или дифференциальный чувствительный элемент (рис.1.26).

Рис.1.26. Дифференциальный (а) и абсолютный (б) чувствительные элементы

Внутри абсолютного элемента при помощи подложки образуется вакуумный промежуток, относительно которого и выполняются измерения. У дифференциального чувствительного элемента пространство открыто для поступления внешней среды с обеих сторон диафрагмы, но всегда оговаривается, что большее давление должно подаваться со стороны P1, а меньшее - со стороны P2.

Основным классификационным признаком для деления датчиков фирмы Моторола на группы является степень интеграции. Различают следующие типы датчиков:

· некомпенсированные датчики (Uncompensated);

· термокомпенсированные и калиброванные датчики (Compensated);

· интегрированные датчики (Integrated);

· медицинские датчики (Medical).

Простейшие некомпенсированные датчики содержат на кристалле собственно один элемент X-ducer.

Более сложные термокомпенсированные и калиброванные датчики включают также термисторы для коррекции температурной погрешности нуля и чувствительности датчика, а также дополнительные подгоночные резисторы, сопротивления которых в процессе производства подстраиваются лазером для минимизации разброса нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу.

Наконец, в схему датчиков, которые называются интегрированными или датчиками со стандартным выходным сигналом, введен дополнительный усилитель, который приводит выходное напряжение датчика к стандартному входному диапазону интегральных АЦП.

Медицинские датчики по степени интеграции можно было бы отнести к термокомпенсированным датчикам, но они выделены в отдельную группу, поскольку их тип корпуса, рабочий и температурный диапазоны соответствуют специальным медицинским приложениям.

По виду измеряемого давления различают абсолютные (для измерения абсолютного давления), дифференциальные (для измерения разности давлений), относительные (для измерения избыточного над атмосферным давления) и вакуумные датчики (для измерения степени разрежения).

Датчики давления разделяют также по типам корпусов, в которые упаковываются чувствительные элементы. На рис. 1.27 показана внутренняя конструкция круглого базового корпуса. Видно, что чувствительный элемент приклеен к внутренней поверхности корпуса и защищен специальным гелем, который равномерно передает давление на мембрану и в тоже время изолирует выводы чувствительного элемента от внешней среды.

Рис.1.27 Конструкция базового корпуса

Кроме базового корпуса широко распространены и другие типы корпусов, предназначенные как для монтажа на поверхность, так и для пайки в отверстие (рис.1.28). Имеются корпуса с шагом выводов 2,54 мм (SOP и DIP) и с шагом 1,27мм (MPAK и SSOP). Корпуса медицинских датчиков выполнены из специальных нетоксичных, неаллергичных материалов, пригодных для дезинфекции и прошедших необходимые медицинские тесты. Кроме четырех или трех (у датчиков со стандартным выходным сигналом) рабочих выводов корпуса датчиков имеют дополнительные технологические выводы, которые используются во время лазерной подгонки внутренних резисторов.

Рис.1.28 Корпуса датчиков давления: (а) базовые корпуса, (б) SOP, (в) DIP,(г) MPAK, (д) SSOP, (е) Medical Chip Pak

Рассмотренные типы корпусов не имеют специальных приспособлений для крепления датчика и для подвода среды, в которой измеряется давление. Для этих целей необходим внешний дополнительный порт. Моторола предлагает исполнения датчиков в корпусе без порта или с портом. На рис. 1.29 изображены корпуса датчиков с портами и указаны их обозначения, использующиеся при маркировке.

Рис.1.29 Порты датчиков давления Моторола:

а) одиночный порт для базового корпуса (суффиксы AP, GP); б) дифференциальный порт для базового корпуса (суффикс DP); в) порт "печная труба" для базового корпуса (суффиксы AS, GS); г) аксиальный порт для базового корпуса (суффиксы ASX, GSX); д) порт для корпуса MPak (суффикс AS/GS), e) порт для корпуса SSOP (суффикс AC6); ж) аксиальный порт для корпуса DIP (суффикс GС7U) з) аксиальный порт для корпуса SOP (суффикс AC6/GC6) и) одиночный порт для корпуса SOP (суффиксы AP/GP); к) вакуумный порт для корпуса SOP (суффикс GVP); л) дифференциальный порт для корпуса SOP (суффикс DP)

Датчик с дифференциальным чувствительным элементом может быть дифференциальным, относительным или вакуумным в зависимости от типа используемого порта. Дифференциальный датчик (суффикс DP) имеет два ввода для подачи среды с обеих сторон мембраны. Относительный датчик (суффиксы GP, GS, GSX) имеет один ввод для подвода среды со стороны большего давления Р1 и отверстие в корпусе, через которое окружающий воздух свободно поступает с другой стороны мембраны. Вакуумный датчик (суффикс VP), наоборот, имеет ввод со стороны меньшего давления P2.

Сводная таблица 1.6 датчиков давления Моторола позволяет оценить их возможные диапазоны измерения. Видно, что пределы измерений абсолютных датчиков могут лежать в диапазоне от 100кПа до 700кПа. Дифференциальные датчики могут также иметь меньшие (до 4кПА) и большие (до 1000кПа) пределы измерения.

Таблица 1.6. Датчики давления компании Motorola

Тип датчика	Рабочий диапазон, кПа	Размах выходного напряжения, мВ	Чувствительность, мВ/кПа	Нелинейность	Температурная погрешность чувствительности, %/°С	Тип измеряемого давления
						A	D	G
Датчики без температурной компенсации (Uncompensated)
MPX10	0...10	35	3,5	±1	-0,19		x	x
MPX12	0...10	55	5,5	±1	-0,19		x	x
MPX53	0...50	60	1,2	-0,6...+0,4	-0,19		x	x
Датчики с температурной компенсацией и калибровкой (compensated)
MPX2010	0...10	25	2,5	±1	±0.012		x	x
MPX2050	0...50	40	0,8	±0.3	±0.012		x	x
MPX2053	0...50	40	0,8	-0.6...+0.4	±0.024		x	V
MPX2100	0...100	40	0,4	±1	±0.012	x
MPX2100	0...100	40	0,4	-0.6...+0.4	±0.012		x	V
MPX2102	0...100	40	0,4	±1	±0.024	x
MPX2102	0...100	40	0,4	-0.6...+0.4	±0.024		x	V
MPX2200	0...200	40	0,2	±1	±0.012	x
MPX2200	0...200	40	0,2	-0.6...+0.4	±0.012		x	V
MPX2202	0...200	40	0,2	±1	±0.024	x
MPX2202	0...200	40	0,2	-0.6...+0.4	±0.024		x	V
Интегрированные датчики (integrated)
Тип датчика	Рабочий диапазон, кПа	Размах выходного напряжения, В	Чувстви-тельность, мВ/кПа	Суммарная приведенная погрешность, %	Тип измеряемого давления
MPXV5004	0...3.92	3,9	1000	±2.5		x	V
MPXV4006	0...6	4,6	766	±5.0		x	V
MPX5010	0...10	4,5	450	±5.0		x	V
MPX5050	0...50	4,5	90	±2.5		x	x
MPX4080	0...80	4,32	54	±3.0		x
MPX4100	20...105	4,59	54	±1.8	x
MPX4101	15...102	4,59	54	±1.8	x
MPX4105	15...105	4,59	51	±1.8	x
MPX4115	15...115	4,59	45,9	±1.5	x
MPX4115	0...115	4,4	38,26	±1.5			V
MPX5100	15...115	4,5	45	±2.5	x
MPX5100	0...100	4,5	45	±2.5		x	x
MPX6115	15...115	4,5	45,9	±1.5	x
MPX4200	20...200	4,59	25,5	±1.5	x
MPX4250	20...250	4,692	20	±1.5	x
MPX4250	0...250	4,705	18,8	±1.4		x	x
MPXH6300	20...304	4,6	16,2	±1.5	x
MPX5500	0...500	4,5	9	±2.5		x	x
MPX5700	0...700	4,5	6,4	±2.5	x
MPX5700	15...700	4,5	6,4	±2.5		x	x
MPX5999	0...1000	4,5	45,9	±1.5		x

Примечание:

A - абсолютный датчик

D - дифференциальный датчик

G - относительный (x) или вакуумный (V) датчик

Датчики давления Моторола имеют линейную характеристику преобразования со смещением нуля. В технической документации приводятся диапазоны возможных значений напряжения смещения, соответствующего нулевому давлению, и размаха выходного напряжения, соответствующего изменению входного сигнала во всем диапазоне измерений. Для исключения ошибок, связанных с разбросом номинальных значений начального смещения и чувствительности, в измерительном устройстве должны быть предусмотрены средства калибровки датчиков.

Составляющими погрешности датчиков давления Моторола являются нелинейность, гистерезис при изменении температуры и гистерезис при изменении давления, температурный дрейф начального смещения и чувствительности. Наиболее точные датчики cерии MPX4xxx и MPX6xxx имеют суммарную приведенную погрешность 1,5%.

Инерционность у всех типов датчиков характеризуется временем отклика на скачок входного сигнала 1 мс и временем, необходимым датчику, чтобы войти в рабочий режим после включения питания - 20мс.

Большинство датчиков давления Моторола предназначены для работы в сухом воздухе. Однако, теперь Моторола также предлагает датчики серии MPXAZ, обладающие повышенной защитой от воздействия среды благодаря введению дополнительного барьера. Эти датчики были разработаны для использования в условиях повышенного загрязнения воздуха на борту автомобиля.

В настоящее время прослеживается тенденция дальнейшей миниатюризации датчиков давления. Так, датчики в появившихся недавно корпусах MiniPack и SSOP c шагом выводов 1,27мм, являются более экономичными и предлагаются по более низким ценам. Появляются новые типы портов для этих миниатюрных корпусов. Развитие также идет по пути увеличения точности датчиков. Так, датчики нового подсемейства MPX6xxx имеют по сравнению со своими предшественниками лучшую термокомпенсацию в области верхней границы температурного диапазона. В ближайшее время ожидается появление датчиков семейства MPXY, которые объединяют в себе функции измерения давления и температуры. Они ориентированы на применение в системах контроля давления в шинах.

Трудно перечислить все возможные приложения датчиков давления Motorola. Они используются в автомобильной и авиационой технике, например, для построения индикаторов уровня топлива, в альтиметрах, измерителях давления масла, измерителях давления воздуха в шинах; в медицине для построения тонометров и спирометров; на производстве на основе датчиков давления строятся, например, уровнемеры, барометры, устройства контроля качества воздушных фильтров; датчики давления применяются также в бытовых пылесосах, стиральных машинах и даже для построения электронных ударных инструментов.

1.4 Жидкокристаллические цифро-знаковые индикаторы

1.4.1 Принцип действия, параметры, применение

Жидкие кристаллы -- это вещества, проявляющие в определенном температурном интервале свойства как жидкости, так и кристаллов. Они способны в жидком состоянии сохранять упорядоченность молекул (подобно кристаллам). Для создания жидкокристаллических индикаторов используются так называемые нематические жидкие кристаллы, которые являются структурной разновидностью данного класса веществ. Материалом для них служат смеси органических соединений, молекулы которых формируются в упорядоченные решетки.

Тонкий слой жидкокристаллического вещества (десятки микрон) помещенный, например, между двумя стеклянными пластинами довольно хорошо пропускает свет. Однако толстые слон жидкости кристаллов (несколько миллиметров) практически непрозрачны. Это связано с заметными тепловыми беспорядочными колебаниями больших групп молекул, что приводит к изменениям показателя преломления и в конечном счете сильному рассеянию света в жидкокристаллической среде. Особенный интерес представляет изменение птических характеристик жидких кристаллов под действием внешнего электромагнитного поля. Именно это свойство используется для построения элементов индикации на основе тонких прозрачных слоев жидкокристаллических веществ

Рис. 1.30(7.1). Жидкокристаллический индикатор на эффекте динамического расстояния: 1 -- прокладка; 2-- жидкие кристаллы; 3 -- отражающее покрытие; 4 -- заднее стекло; 5-- общий электрод;6 --прозрачные электроды сегментов; 7 -- переднее стекло

Рис. 1.31 Жидкокристаллический индикатор, основанный на эффекте вращения плоскости поляризации слоем жидких кристаллов, исчезающем под действием электрического поля (твист - эффект): 1-стеклянная ячейка; 2 -отражающее покрытие; 3 - поляроидная пластина с вертикальной плоскостью поляризации; 4 - жидкие кристаллы; 5-прокладка;6 - прозрачные электроды; 7 - поляроидная пластина с горизонтальной плоскостью поляризации

Существуют два принципа (эффекта) работы жидкокристаллических индикаторов. Первый из них состоит в том, что при приложении электрического поля к тонкому слою жидкокристаллического вещества, заключенному между двумя стеклянными пластинками, происходит разрушение упорядоченной структуры жидких кристаллов, что вызывает диффузное рассеяние света в этой области (эффект динамического рассеяния), В результате прозрачный жидкокристаллический слой становится мутным и при внешнем освещении возникает контраст между возбужденным участком жидкости кристаллов и невозбужденным (фоном). При снятии внешнего электрического поля первоначальная структура жидких кристаллов восстанавливается и указанный контраст исчезает.

Как показано на рис. 1.30, принципиально жидкокристаллические индикаторы состоят из двух плоскопараллельных стеклянных пластин, между которыми находится слой жидких кристаллов толщиной 12-- 20 мкм. На одной из стеклянных пластин прозрачным токопроводящим покрытием нанесен рисунок цифры, который представляет собой конфигурацию в виде сегментов, с помощью которых можно воспроизвести цифры от 0 до 9. На другой пластине прозрачным токопроводящим покрытием нанесен электрод, являющийся общим для цифр. Обе пластины покрытыми поверхностями обращены друг к другу.

Существуют индикаторы, работающие в отраженном («на отраже - ние») и проходящем («на просвет») свете. В первом случае на заднее стекло индикатора наносится отражающий слой, во втором -- за индикатором должен быть использован дополнительный источник света.

При подаче управляющего напряжения жидкие кристаллы в зоне действия электрического поля теряют прозрачность, и если задняя отражающая поверхность белая, то наблюдатель видит темную цифру на светлом фоне. Если задний отражатель имеет черный цвет и внутренние поверхности корпуса индикатора также зачернены, то матово-светлое изображение цифры будет хорошо заметно на черном фоне.

При работе индикатора на просвет изображение цифры более темное, чем фон. Если при этом мощность установленного источника света составляет 0,5 Вт, то яркость жидкокристаллического индикатора становится сравнимой с яркостью газоразрядного или светодиодного индикатора, используемого в условиях обычной освещенности.

Выводы от сегментов выполнены в виде износостойких токопроводящих дорожек на стекле. Соединение выводов индикатора с элементами схемы управления осуществляется с помощью разъема.

Другим принципом, используемым для создания жидкокристаллических индикаторов, является эффект вращения плоскости поляризации поляризованного света слоем жидких кристаллов, исчезающий под действием электрического поля (твист-эффект). Индикаторы, работающие на этом принципе, получают, помещая капельку жидких кристаллов между двумя скрещенными поляроидными пластинами, которая растекается между ними в виде тонкой пленки. Сами скрещенные поляроиды имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации света и поэтому являются совершенно непрозрачными. Но если между этими пластинами имеется слой неметаллических жидких кристаллов, которые в результате технологической обработки приобрели свойство вращения плоскости поляризации проходящего света на 90°, то вся эта оптическая система получается прозрачной (рис. 1.31).

При приложении электрического поля все молекулы жидких кристаллов ориентируются вдоль поля и эффект вращения плоскости поляризации исчезает. В результате через систему, показанную на рис. 1.31, пропускание света прекращается. Если возбуждается не весь слой жидких кристаллов, а определенные участки в виде символа или цифры, то изображение данного символа (цифры) будет темным в проходящем свете по сравнению с невозбужденной областью (фоном). Этот принцип получения индикации является более прогрессивным, так как дает значительный выигрыш в мощности потребления и позволяет получать более высокий контраст. В большинстве серийно выпускаемых типов жидкокристаллических индикаторов использован данный принцип.

Возбуждение жидкокристаллического слоя в индикаторах осуществляется переменным напряжением синусоидальной формы или форму типа меандр, с эффективным значением (в зависимости от типа) от 2,7 до 30 В и частотой 30--1000 Гц. Постоянная составляющая напряжения не допускается из-за появления электролитического эффекта, что ведет к резкому сокращению срока службы индикатора. Основным параметром жидкокристаллического индикатора, отражающим качество его работы, является контраст знака по отношению к фону К, который определяется как отношение интенсивностей света, выходящего из жидкокристаллического индикатора, в исходном (невозбужденном) и возбужденном состояниях. Контраст измеряется с помощью специальной оптической системы на основе микроскопа с встроенным фотоэлектронным умножителем на выходе. Для устранения внешней засветки объектив микроскопа защищен зачерненным конусом, который направлен на измеряемый индикатор. Плоскость индикатора расположена перпендикулярно оптической оси микроскопа и освещается специальной лампой подсветки, поток которой через конденсатор направлен к измеряемому образцу под углом 45°. С помощью микроамперметра фиксируют два значения тока ФЭУ: при неработающем индикаторе и при приложенном к сегментам управляющем напряжении. Контраст, %, вычисляется по формуле

К=(Iф - I₃) 100/Iф,

где Iф -- ток фона -- фототок фотоэлектронного умножителя при неработающем индикаторе; I₃ -- ток знака -- фототок фотоэлектронного умножителя при приложенном к сегментам номинальном управляющем напряжении (изображение знака темнее фона). Значение К современных серийных индикаторов составляет 83--90 %. Реже контраст выражают в относительных единицах (отн. ед.): К= Iф/Iз.

Чем выше внешняя освещенность, тем ярче изображение на индикаторе. Контраст от освещенности практически не зависит.

Основными параметрами жидкокристаллических цифро-знаковых индикаторов являются:

контраст знака по отношению к фону K--отношение разности коэффициента яркости фона и знака индикатора к коэффициенту яркости фона, выраженное в процентах;

ток потребления Iпот -- среднее значение переменного тока, протекающего через индикатор (сегмент) при приложении к нему номинального напряжения управления рабочей частоты;

напряжение управления U_yпр -- номинальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора;

рабочая частота напряжения управления f_раб ;

минимальное напряжение управления Uyпpmin -- минимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при котором обеспечивается заданный контраст знака по отношению к фону;

максимально допустимое напряжение управления U_упpmax -- максимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при котором обеспечивается заданная надежность индикатора при длительной работе;

время реакции t_реак -- интервал времени при включении, в течение которого ток потребления увеличивается до 0,8 максимального значения;

время релаксации t_рел -- интервал времени при выключении, в течение которого ток потребления снижается до 0,2 максимального значения.

Важнейшей характеристикой цифро-знакового жидкокристаллического индикатора как прибора отображения информации является зависимость контраста знака от напряжения управления. С увеличением напряжения контраст круто растет до порогового значения, после чего увеличение контраста с увеличением U_ynp практически не происходит. Значение U_ynpmin выбирается на пологом участке кривой вблизи порогa. Отметим, что контраст знака индикатора является функцией эффективного значения U_yпp и практически не зависит от его формы.

Жидкокристаллический индикатор как элемент электрической цепи эквивалентен конденсатору. Вследствие этого вольт-амперная характеристика Iпот = f(U_yпр) при номинальной частоте управляющего напряжения близка к линейной, а частотная характеристика I_потр = ? (fpaб) имеет вид монотонно возрастающей кривой. Постоянная составляющая управляющего напряжения не должна превышать 1 % эффективного значения U_ynp.

Рис. 1.32. Временная диаграмма нарастания и спада тока потребления жидкокристаллического индикатора (6) при подаче управляющего переменного напряжения (а)

Важной особенностью жидкокристаллического индикатора является низкий ток потребления - единицы или сотни микроампер (в зависимости от принципа работы). В интервале рабочих температур ток потребления несколько увеличивается с ростом температуры. Жидкокристаллический индикатор имеет низкое быстродействие, связанное с инерционными процессами перестройки структур органических кристаллов. Быстродействие существенно зависит от температуры. В зоне температур, близких к нижнему пределу, быстродействие резко падает. Измерения временных параметров tреак и t_рел, приводимых в таблицах, производятся на уровне соответственно 0,8 и 0,2 установившегося значения, как показано на рис. 1.32. Проверку времени реакции и релаксации серийных приборов производят визуально по появлению и исчезновению (при прямом наблюдении) знаков при подаче на них прерывистого напряжения управления с длительностью воздействия 800 мс и длительностью паузы 800 мс. Жидкокристаллические индикаторы работают в весьма узком интервале температур. Подавляющее большинство жидкокристаллических индикаторов не работает при окружающей температуре ниже + 1°С, так как в этих условиях материал переходит в состояние полутвердого кристалла. При приближении к нижнему температурному пределу индикатор реагирует на приложение напряжения все медленнее и в конце концов полностью теряет работоспособность. Индикаторы восстанавливают свои характеристики после возвращения их из среды с низкой температурой в среду с температурой, соответствующей температуре рабочего диапазона. В связи с этим хранение индикаторов разрешается при температуре до --40 °С.

По числу разрядов в одном корпусе цифро-знаковые индикаторы делятся на 1-разрядные, 4-разрядные, 6-разрядные, 9-разрядные. Нумерация разрядов принята возрастающей слева направо.

Существуют также жидкокристаллические индикаторы, отображающие различные символы, специальные знаки и надписи.

Цифро-знаковые жидкокристаллические индикаторы изготавливаются в пластмассовых корпусах или из стекла с компаундным упрочнением по периметру с выводами под распайку или под разъем.

В процессе эксплуатации следует избегать попадания на контактную площадку влаги и пыли, вызывающих межэлектродные замыкания. Очищать поверхность индикатора рекомендуется чистым батистом, слегка смоченным этиловым спиртом.

Система обозначений жидкокристаллических индикаторов содержит несколько букв и цифр. Сочетание ИЖК означает: индикатор жидкокристаллический. Четвертый элемент обозначения: буква Ц означает -- цифровой, а С -- символьный. Пятый элемент -- цифра, указывающая номер разработки. Цифра после дефиса указывает число разрядов индикатора, а число через косую дробную черту соответствует высоте в миллиметрах цифры (символа) в разряде.

Приборы, разработанные до введения описанной системы, обозначены иначе. Например, наименование ЦИЖ-5 расшифровывается следующим образом: цифровой индикатор жидкокристаллический, номер разработки 5, а ИЖК-2 -- индикатор жидкокристаллический, номер разработки 2.

Использование жидкокристаллических индикаторов в радиоэлектронной аппаратуре стимулируется рядом факторов: низкими токами потребления и напряжениями управления, совместимостью работы с интегральными микросхемами, низкой стоимостью.

Возможными областями их применения являются: индикаторные устройства измерительной аппаратуры, электронные часы и микрокалькуляторы, информационные панели и указатели. Весьма сложным аспектом применения жидкокристаллических приборов являются средства управления (особенно это относится к многоразрядным индикаторам). На рис. 1.33 показана схема возбуждения сегментов сигналом переменного напряжения. Устройство состоит из двух логических схем И с двумя входами DD2, DD3, инвертора DD1 и ключа-формирователя на транзисторе VT. На коллектор транзистора подается напряжение, равное двойной амплитуде номинального переменного напряжения возбуждения данного жидкокристаллического индикатора.

С транзистора VT на сегмент индикатора снимается однополярное переменное напряжение прямоугольной формы амплитудой 40 В. Для уничтожения постоянной составляющей импульсного питающего напряжения (она недопустима из физических условий работы жидких кристаллов) к общему электроду прикладывается постоянное напряжение 20 В. На вход DD2 подается напряжение возбуждения с частотой f_B=30...50 Гц, а на вход DD3-- напряжение гашения с частотой fr = 10... 40 кГц. При низком логическом уровне управляющего сигнала открывается DD2 и транзистор работает в импульсном режиме с частотой, соответствующей частоте возбуждения жидкокристаллического сегмента. Управляющий сигнал с высоким логическим уровнем, поступающий с дешифратора на управляющий вход, открывает DD3. В результате устройство формирует напряжение повышенной частоты, на которую жидкокристаллический сегмент не реагирует. С учетом того, что устройство управления должно быть соизмеримо по потребляемой мощности с жидкокристаллическим индикатором, все логические схемы выполнены на основе КМОП-структур.

Рис. 1.33. Схема возбуждения сегментов жидкокристаллического индикатора переменным напряжением различной частоты

Кроме описанного используется также другой тип устройства возбуждения жидкокристаллических индикаторов. Его схема показана на рис. 1.35. На входы логических схем И DD2 и DD3 от внешнего генератора подаются импульсные напряжения с частотой f=15...25 Гц, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сегмент индикатора через ключ-формирователь (транзистор VT1) прикладывается напряжение прямоугольной формы, прямое либо сдвинутое по фазе. На общий электрод индикатора через другой ключ-формирователь (транзистор VT2) постоянно подается сигнал одной фазы.При совпадении фаз на электродах сегмента последний не возбуждается; при различии фаз происходит возбуждение сегмента. Отметим, что фазовый способ управления позволяет уменьшить напряжение питания индикатора в 2 раза.

При использовании многоразрядных индикаторов требуется большое число внешних соединений, необходимых для управления сегментов. Это заставляет прибегать к созданию мультиплексного управления. На рис. 1.35 показан принцип управления 4-разрядным цифровым индикатором с разделенными общими электродами для каждого разряда, который заключается в объединении идентичных сегментов по всем разрядам и последовательной адресации данных в соответствующие разряды. Процесс отображения 4-разрядного числа осуществляется по тактам. В каждом такте переменное управляющее напряжение прикладывается к шине управления сегментов и к линии общего электрода того разряда, который возбуждается в данном такте. Благодаря большому времени релаксации жидких кристаллов цифры разрядов в период между так том возбуждения продолжают читаться без приложения напряжения.



Рис. 1.34. Схема возбуждения сегментов жидкокристаллического индикатора по методу сдвига фаз управляющего напряжения

Рис. 1.35. Схема соединений сегментов при мультиплексном управлении многоразрядным цифровым жидкокристаллическим индикатором

1.5 Микросхемы управления цифро-буквенными индикаторами

1.5.1 Дешифраторы 4-разрядного двоичного

Дешифраторы 4-разрядного двоичного кода в сигналы 7-сегментного кода. Изготавливаются на основе кремниевых КМОП-структур, Выпускаются в пластмассовом корпусе.

Предназначены для управления 7-сегментными цифро-буквенными индикаторами с разъединенными анодами сегментов.

Графическое обозначение микросхем.

Условное графическое обозначение микросхем К176ИД2, К176ИД3

Назначение выводов: D0 - D3 - информационные входы; S --вход управления; К -- вход блокировки; М -- вход инверсии; А, В, С, D, Е, F, G -- выходы, подключаемые к сегментам индикатора; 16--Unит;8 -- общий.

Дешифрирование входных сигналов осуществляется при установлении на входе S высокого логического уровня, а на входах блокировки К и М низких логических уровней напряжения. При указанных условиях соответствие входных (на выводах D3, D2,D1, D0) и выходных (на выводах Л, В, С, D_t Е, F, G) сигналов можно выразить следующими записями

0000(вход) - 1111110(выход) (отображение на индикаторе 0), 0001 - 0110000 (1), 0010 - 1101101 (2), 0011 - 1111001 (3), 0100 - 0110011 (4),0101 - 1011011 (5), 0110 - 1011111 (6), 0111 - 1110000(7), 1000 - 1111111 (8), 1001 - 1111011 (9).

Входные коды 1010, 1011, 1100, 1101, 1111 вызывают на выходе состояние 0000000 (на индикаторе информация отсутствует).

В случае установки на входе К высокого логического уровня напряжения все выходы дешифратора запираются независимо от состояния входной информации.

Если во время работы дешифратора вход S переходит из состояния логической 1 в состояние логического 0, то на выходе фиксируется тот последний код, который был в момент смены логических состояний S, а на индикаторе сохраняется соответствующая цифра, несмотря на текущие изменения входной информации. Если на вход М подать высокий логический уровень, то на выходе сформируются инверсные сигналы относительно тех, которые были зафиксированы.

Электрические параметры при Toкр=25^оC

Входной ток в состоянии логического 0 при U_вх=0, не более 0,1 мкА

Входной ток в состоянии логической 1 при U_вх = 9,45 В, не более 0,1 мкА

Выходное напряжение в состоянии логического 0 при U_пит = 9,45 В, не более 0,3 В

Выходное напряжение в состоянии логической 1 при U_пит= 8,55 В, не менее 8,2В

Ток потребления, не более:

в статическом режиме 100 мкА

в динамическом режиме при U_пит=9 В, f=100 кГц ………200 мкАВремя задержки распространения сигнала при включении и выключении 850 нс

Предельные эксплуатационные данные

Напряжение питания ………………………………………… 3 - 15 В

Входное напряжение - 0,2 В

Выходной ток………………………………………………. - 2 + 3 мА

Потребляемая мощность...................................................... 50 мВт

Диапазон рабочей температуры окружающей среды - 45.....+70°С

1.6 ИЖКЦЗ-6/17, ИЖКЦ4-6/17

Шестиразрядные цифро-знаковые индикаторы с высотой цифры 16,6 мм. Работа основана на твист-эффекте жидких кристаллов. Индикаторы ИЖКЦЗ-6/17 работают на просвет, а ИЖКЦ4-6/17 - на отражение.

Корпус выполнен из стекла и пластмассы с выводами под разъем.

Масса не более 60 г.

Предназначены для отображения цифровой информации в радиоприемных устройствах.

Электрические и световые параметры при Т_окр = 25^оС

Контраст знака по отношению к фону при U_ynp=9 В, f_paб = 64 Гц, не менее:

ИЖКЦЗ-6/17, 90 %

ИЖКЦ4-6/17.. 87,5%

Ток потребления, не более 70 мкА

Напряжение управления эффективное 9 В

Рабочая частота управляющего напряжения,.. 64 Гц

Время реакции, не более 300 мс

Время релаксации, не более 300 мс

Предельные эксплуатационные данные

Минимальное напряжение управления эффективное 4 В

Максимальное напряжение управления эффективное 10 В

Диапазон рабочей частоты управляющего напряжения 30--300 Гц

Диапазон рабочей температуры окружающей среды --10... +55 °C

Глава 2. Проектирование

Расположение приемников полного и статического давления на самолете взято со схемы самолета Ил-96-300

Приемники полного давления

Рис 2.1. Расположение приемников полного и статического давления

Приемник полного давления будет иметь такой же вид, а чувствительные элементы будут располагаться в нем. Влагоотстойники будут располагаться непосредственно в корпусе приемника полного давления.

В приемник полного давления предлагаю установить датчики давления с температурной компенсацией, что дает выигрыш в количестве элементов на борту- не требуется устанавливать отдельные датчики температуры для системы анероидно-мембранных приборов, как например на ВС Ил-96-300.Датчики в данную конструкцию будем устанавливать в металлическом исполнении, так как их прочность более высокая по сравнению с пластиковыми. Обогрев остается таким же как и в ППД-1М.

Датчики давления предлагаю расположить по 3шт. в каждом, и соединим их параллельным соединением, что бы при отказе одного, напряжение подавалось в систему с оставшихся, так же этот вариант позволяет проводить контроль за каждым датчиком отдельно, измеряя их сопротивление.

Питание системы реализуем на постоянном токе Uconst, так это позволит в случае отказа основной системы питания, пользоваться аварийными источниками питания. Так как Мощность одного канала системы составляет всего 14.66 Вт, то система может проработать в среднем около 50 часов от одного аккумулятора 12САМ-28. Питание достаточно завести от автомата защиты цепи. Аккумулятор для наибольшей надежности следует установить отдельно для системы питания анероидно-мембранных приборов, исключить потребление энергии от него другими потребителями, подзарядку осуществлять от основной системы питания ВС. В следствие этих данных целесообразно установить аккумулятор меньших размеров, и с расчетным временем работы для каждого ВС в отдельности, так например для ВС Ил-96-300, который может провести провести максимум 12 часов полете, следует устанавливать гальванический элемент со средней работой в автономном режиме около 20 часов, а перед каждым полетом проводить контроль за состоянием питания данных приборов.

Плиты статического давления расположим по той же схеме что на борту Ил96-300, но так как наша система опирается на электрические датчики, то достаточно установить по 3 шт. на каждую плиту, а результирующий сигнал завести в нужные нам системы.

2.1 Расчет количества проводов в системе

Провода для системы требуются БПВЛ с сечением провода 0.35мм, данные требования удовлетворяют требованиям пожаробезопасности, количество проводов примем равным 16 м из расчета параметров самолета Ил96-300.

Провода для бортовой сети медные гибкие авиационные БПВЛ предназначены для фиксированного монтажа электрической сети, в том числе авиационной техники, и работы при напряжении до 250 В переменного тока частотой до 2000 Гц или 500 В постоянного тока и температуре от -60 до +70°С. ГОСТ(ТУ 16-505.911-76).

Изоляция из поливинилхлоридного пластиката в лакированной оплетке из нитей марки БПВЛ