Spis treści:
Czujniki ciśnienia można dziś spotkać dosłownie na każdym kroku – dowiedz się więcej o ich rodzajach, zasadzie działania oraz praktycznych zastosowaniach.
Półprzewodnikowe czujniki ciśnienia są obecnie najszerzej wykorzystywanymi elementami, przeznaczonymi do pomiaru ciśnienia w różnych konfiguracjach oraz zakresach. Te, nierzadko innowacyjne i silnie zminiaturyzowane, podzespoły pełnią niezwykle ważne funkcje w wielu sektorach przemysłu – motoryzacji, medycynie, elektronice konsumenckiej, lotnictwie, a nawet technologiach kosmicznych.
Podstawy działania czujników ciśnienia
Klasyczne, elektroniczne czujniki ciśnienia działają zwykle w oparciu o tzw. efekt piezorezystywny, w którym opór elektryczny płytki, wykonanej ze specjalnego materiału, zmienia się pod wpływem naprężenia mechanicznego. W przypadku czujników ciśnienia, naprężenie to jest generowane przez zmiany ciśnienia medium, które czujnik ma mierzyć (gazu lub cieczy) – cienka membrana wywiera nacisk na delikatną strukturę elektryczną, a wielkość odkształceń zależy bezpośrednio od przyłożonego do membrany ciśnienia. Z membraną współpracuje zazwyczaj kilka piezorezystorów, połączonych zwykle w mostek Wheatstone’a, co umożliwia monitorowanie sygnału poprzez prosty pomiar napięcia z użyciem precyzyjnego wzmacniacza i przetwornika analogowo-cyfrowego.
Omawiając współczesne czujniki ciśnienia nie sposób pominąć technologii MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), umożliwiającej integrację mechanicznych elementów, takich jak mikroskopijne membrany, dźwignie czy sprężyny, z elementami elektronicznymi na jednym chipie półprzewodnikowym. Dzięki temu możliwe jest wyprodukowanie bardzo małych, lekkich, a zarazem niezwykle precyzyjnych i niezawodnych czujników ciśnienia (ale także wielu innych rodzajów sensorów, np. mikrofonów, akcelerometrów, żyroskopów, czy nawet… czujników temperatury).
Technologia MEMS znalazła zastosowanie nie tylko w przemyśle, ale także w elektronice konsumenckiej – można je znaleźć w każdym smartfonie, smartwatchu, czy dronie FPV, czyli wszędzie tam, gdzie miniaturyzacja poszczególnych komponentów elektronicznych jest kluczowa dla redukcji rozmiarów i masy całego urządzenia.
Rodzaje i zastosowania czujników ciśnienia
Czujniki ciśnienia można podzielić na trzy główne grupy, różniące się zarówno konstrukcją, jak i wynikającym z niej sposobem dokonywania pomiaru oraz – co za tym idzie – zakresem zastosowań.
- Czujniki absolutne mierzą ciśnienie względem (w przybliżeniu) idealnej próżni, co sprawia, że są niezastąpione w takich aplikacjach, jak przemysł kosmiczny, gdzie konieczne jest dokonywanie pomiaru ciśnienia w ekstremalnie niskim zakresie. W praktyce komponenty te są często stosowane do pomiaru ciśnienia w układach HVAC czy systemach nadzorujących przebieg procesów produkcyjnych, gdzie ważne jest utrzymanie stałego ciśnienia niezależnie od zmiennych warunków atmosferycznych. Nieco podobnie działają sensory barometryczne (czujniki ciśnienia atmosferycznego), które także odnoszą wartość aktualnego ciśnienia powietrza do ustalonego na etapie produkcji, wewnętrznego wzorca. Te zaś wykorzystuje się w wielu urządzeniach meteorologicznych, przeznaczonych do monitorowania ciśnienia atmosferycznego (w celu dokładniejszego monitorowania i prognozowania pogody), a także w sprzęcie przenośnym czy dronach (do pomiaru wysokości nad powierzchnią ziemi).
- Czujniki względne mierzą ciśnienie w zamkniętej przestrzeni (np. komorze próżniowej czy zbiorniku powietrza) względem ciśnienia atmosferycznego. Zwykle elementy tego typu są wyposażone w specjalny port pneumatyczny w postaci króćca o niewielkiej średnicy (zazwyczaj 1.8…3.0 mm), do którego należy podłączyć wężyk silikonowy bądź inną elastyczną rurkę o odpowiednich rozmiarach. W motoryzacji używane są do monitorowania ciśnienia w oponach, w układach hamulcowych, czy ciśnienia oleju silnikowego. W medycynie natomiast stosuje się je w urządzeniach do monitorowania ciśnienia krwi (m.in. we wszystkich ciśnieniomierzach naramiennych i nadgarstkowych, wyposażonych w nadmuchiwany mankiet) czy też aparaturze do monitorowania ciśnienia wewnątrzczaszkowego na oddziałach intensywnej terapii.
- Czujniki różnicowe mierzą różnicę ciśnienia między dwoma punktami. Od strony technologicznej nie różnią się zasadniczo od czujników względnych poza jednym szczegółem – są wyposażone nie w jeden, ale dwa porty pneumatyczne, prowadzące do przedziałów znajdujących się po obu stronach membrany. Komponenty z tej grupy znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i technologii – okazują się niezbędne w systemach wentylacji i klimatyzacji do monitorowania przepływu powietrza, a także w przemyśle petrochemicznym do monitorowania przepływu płynów. W medycynie, używa się ich w urządzeniach do dializy, gdzie precyzyjny pomiar różnicy ciśnienia jest niezbędny do prawidłowego i bezpiecznego działania urządzenia.
Czujniki ciśnienia do zastosowań meteorologicznych i pomiaru wysokości
Czujniki barometryczne są specyficzną grupą czujników absolutnych, które zaprojektowane zostały z myślą o mierzeniu ciśnienia atmosferycznego. Z uwagi na szeroki zakres zastosowań, przyjrzyjmy się bliżej dwóm popularnym czujnikom barometrycznym – BMP280 i BME388.
BMP280
BMP280 firmy Bosch to cyfrowy czujnik ciśnienia barometrycznego, który oferuje wyjątkową dokładność pomiarową w małym, energooszczędnym układzie. Został on zaprojektowany do pomiaru ciśnienia atmosferycznego w zakresie od 300 do 1100 hPa, z dokładnością pomiarową do 0.12 hPa. BMP280 charakteryzuje się wysoką rozdzielczością (0.16Pa/LSB) i jest zdolny do próbkowania z częstotliwością do 157 Hz. Czujnik jest zasilany napięciem w zakresie od 1.71 V do 3.6 V, co sprawia, że doskonale nadaje się do wielu różnych aplikacji, w tym tych kompaktowych urządzeń zasilanych bateryjnie. BMP280 korzysta z interfejsów szeregowych I2C oraz SPI.
BME680
BME680 to kolejny czujnik firmy Bosch, który jest nie tylko sensorem ciśnienia barometrycznego, ale jest w stanie mierzyć także wilgotność względną i temperaturę powietrza. BME608 ma zakres pomiarowy ciśnienia od 300 do 1100 hPa, z szumem do 0.12 Pa (RMS), zaś dla wilgotności i temperatury przedziały pomiarowe wynoszą odpowiednio 0%…100% RH (z dokładnością ±3% RH) oraz -40 … 85 °C (z dokładnością ±0.5 °C). BME680 jest zasilany napięciem od 1.71 V do 3.6 V oraz – tak samo, jak BMP280 – oferuje łączność poprzez I2C i SPI. Jego częstotliwość próbkowania wynosi do 182 Hz, a wymiary miniaturowej obudowy LGA to 3.0 x 3.0 x 0.93 mm.
