Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: pomiar i wyznaczenie parametrów metrologicznych czujnika i przetwornika ciśnienia

Transkrypt

1 MIKROSYSTEMY - laboratorium Ćwiczenie 3 Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: pomiar i wyznaczenie parametrów metrologicznych czujnika i przetwornika ciśnienia Zadania i cel ćwiczenia. W ćwiczeniu zostaną określone parametry piezorezystancyjnych czujników ciśnienia ITE PS10M (ITE Warszawa) oraz MPX5100DP (Motorola). Szczegółowe dane metrologiczne zawarte są w kartach katalogowych tych czujników. Czujnik ITE jest zbudowany jest z gołej krzemowo-szklanej struktury, natomiast czujnik MPX to zintegrowany przetwornik ciśnienia z przetwarzaniem sygnału pomiarowego, wewnętrzna kompensacją temperaturową oraz kalibracją. Opis stanowiska. Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego Stanowisko pomiarowe składa się z następujących elementów (Rys. 1): 1. Czujnik ciśnienia ITE 2. Czujnik ciśnienia MPX 3. Płytka drukowana do montażu czujników 4. Komora termiczna 5. Regulator ciśnienia wraz z manometrem 6. Referencyjny czujnik ciśnienia. 7. Zasilacz DC typ LPS Woltomierze. Czujnik ciśnienia ITE zasilany jest stałym prądem I zas = 1 ma (napięcie zasilania mostka wynosi U zas = 5 V. Rezystancja mostka Wheatstona widziana od strony zasilania wynosi z około 5 kω ± 10%. Czujnik ciśnienia MPX zasilany jest stałym napięciem U zas = 5 V. 1

2 Przebieg ćwiczenia. Przygotowanie stanowiska do pomiarów: 1. Włączyć zasilacz LPS-305, napięcie zasilana czujników 5 V (nie regulować nastaw!). 2. Odczekać 2 minuty do ustabilizowania się prądu zasilającego czujnik (źródło prądowe zasilające czujnik zamknięte jest wewnątrz obudowy). 3. Włączyć mierniki uniwersalne, ustawić na nim pomiar napięcia stałego VDC. Wyznaczenie charakterystyk (P): Zmierzyć charakterystyki sygnału wyjściowego w funkcji ciśnienia (Rys. 2). Wykreślić krzywe i wykonać obliczenia nieliniowości (Rys. 2), czułości i histerezy pneumatycznej czujnika (Rys. 3, 4), temperaturowego współczynnika napięcia niezrównoważenia i temperaturowego współczynnika napięcia wyjściowego. Ciśnienie zmieniać w zakresie od 0 do 100 kpa, ustawiając je, co 10 kpa podczas narostu i spadku ciśnienia (nastawa regulatorem ciśnienia, dokładne wskazania odczytywać z referencyjnego czujnika ciśnienia). Po każdorazowej zmianie nastawy ciśnienia odczekać około 30 sekund do ustabilizowania się wskazań referencyjnego czujnika ciśnienia Peltron i woltomierzy. Wartości sygnałów wyjściowych zanotować. A. Nieliniowość czujnika P [kpa] Rys. 2. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia 2

3 Przy wyznaczaniu nieliniowości czujnika korzystamy z następujących zależności: Span = (Full Scale Output) = U max U 0 jest to napięcie pełnego zakresu, czyli całkowity przyrost sygnału wyjściowego (maksymalny sygnał wyjściowy) pomniejszony o napięcie niezrównoważenia U 0, dla ciśnienia maksymalnego dla danego rodzaju czujnika, odniesiony do napięcia zasilającego i wyrażony w mv/v. P max jest to maksymalne ciśnienie jakie może być doprowadzone do czujnika, najczęściej P max = 100 kpa. U max jest to sygnał wyjściowy zmierzony przy ciśnieniu P max, a U 0 = OFFSET to sygnał wyjściowy bez obciążenia ciśnieniowego (Rys. 4). Uwaga: napięcie U 0 może przyjmować wartości dodatnie lub ujemne w zależności od rozrzutów rezystancji piezorezystorów w mostku i wynosi typowo: U 0 = 0 do 5 mv/v dla bardzo dobrych producentów, U 0 = 5 do 10 mv dla średnich producentów. Dla ujemnego U 0 : = U max + U 0 U 1/2teor = ½ + U 0 U 1/2pom jest to sygnał wyjściowy dla ½ P max zmierzony podczas przyrostu ciśnienia: P = 0 ½ P max (pomiar U 1/2pom ) P max P = 0. Cykl pomiarowy należy powtórzyć trzykrotnie. Nieliniowość obliczamy ze wzoru: N U 1/ 2teor U 1/ 2 pom 100% Najczęściej dla dobrych producentów nieliniowość czujników wynosi N < 0,2%. B. Czułość czujnika S czułość jest to przyrost sygnału wyjściowego pod wpływem przyrostu ciśnienia odniesiony do wartości napięcia zasilania; wyrażony w mv/v/100 kpa. Parametr ten obliczamy na podstawie charakterystyki = f (P) (Rys. 4) korzystając z następującego wzoru: S dla P max = 100 kpa [mv/v/100 kpa] U zas Najczęściej parametr ten wynosi S = 20 mv/v/100 kpa. 3

4 C. Histereza pneumatyczna połowy zakresu Rys. 3. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy Histerezę pneumatyczną obliczamy na podstawie wyników cyklu pomiarowego (Rys. 3): P=0 P max ½P max (pomiar U 1/2 ) 0 ½P max (pomiar U 1/2 ) P max P=0 korzystając ze wzoru: U U 1/ 2 1/ 2 H pneuma 100% lub H pneuma U U U U 1/ 2 1/ 2 1/ 2teor 1/ 2 teor Parametr ten najczęściej ma wartość < 0,05%. 100% 4

5 D. Histereza pneumatyczna U max Rys. 4. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy U max Histerezę U max obliczamy na podstawie wyników pięciu (10) cykli pomiarowych (Rys. 4): P=0 P max (pomiar U max1 ) 0 P max (pomiar U max2 ) P=0 korzystając ze wzoru: (10) H U max 100% 5(10) gdzie: 1 = U max1 - U max2 ; 2 = U max2 - U max3 ; Najczęściej parametr ten przyjmuje wartość < 0,01%. E. Histereza pneumatyczna U 0 Rys. 5. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji ciśnienia do wyznaczenia histerezy U 0 5

6 Histerezę U 0 obliczamy na podstawie wyników 5 (10) cykli pomiarowych (Rys. 5): P=0 (pomiar U 01 ) P max 0 (pomiar U 02 ) P max P=0 korzystając ze wzoru: (10 ) 5(10) H U 0 100% gdzie: 1 = U 01 - U 02 ; 2 = U 02 - U 03 ; Najczęściej parametr ten przyjmuje wartość < 0,05%. Pomiary wykonać dla temperatury otoczenia (~20 o C) oraz dla wskazanej przez prowadzącego temperatury z zakresu 40 o C 60 o C. Literatura: 1. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Strony internetowe producentów piezorezystancyjnych czujników ciśnienia np. Motorola, lub producentów modułów do pomiaru ciśnienia np. Peltron. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania: 1. Wyjaśnić różnice pomiędzy czujnikiem a przetwornikiem. 2. Efekt piezorezystancyjny. 3. Budowa krzemowo-szklanego, piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia. 4. Wyjaśnić parametry czujników ciśnienia: offset,, histereza, nieliniowość, czułość. 5. Wyjaśnić pojęcie klasa czujnika i podać istniejące klasy czujników ciśnienia. 6