Пьезоэлектрические датчики давления работают по принципу пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект возникает, когда некоторые диэлектрические материалы деформируются под действием силы в определенном направлении, что приводит к внутренней поляризации и появлению противоположных зарядов на их двух противоположных поверхностях. Когда сила снимается, материал возвращается в незаряженное состояние; это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При изменении направления силы меняется и полярность зарядов.
И наоборот, когда электрическое поле прикладывается вдоль направления поляризации диэлектрического материала, он деформируется; при снятии электрического поля деформация исчезает; это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрические датчики давления бывают разных типов и моделей. Их можно разделить на диафрагменные и поршневые в зависимости от формы упругого чувствительного элемента и механизма подшипника силы-. Датчики мембранного типа в основном состоят из корпуса, диафрагмы и пьезоэлектрического элемента. Пьезоэлектрический элемент опирается на корпус, а диафрагма передает измеренное давление на пьезоэлектрический элемент, который затем выдает электрический сигнал, пропорциональный измеренному давлению. Этот тип датчика отличается небольшими размерами, хорошими динамическими характеристиками и высокой-термостойкостью. Современные измерительные технологии предъявляют все более высокие требования к характеристикам датчиков.
Например, при использовании датчиков давления для измерения и построения индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания во время измерения не допускается водяное охлаждение, а датчик должен выдерживать высокие температуры и иметь небольшие размеры. Для создания таких датчиков давления лучше всего подходят пьезоэлектрические материалы. Кварц — превосходный пьезоэлектрический материал, в нем был обнаружен пьезоэлектрический эффект. Относительно эффективным методом является выбор метода резки кристаллов кварца, подходящего для условий высоких-температур; например, кристаллы кварца огранки XYδ (+20 градус -+30 градус) выдерживают температуру до 350 градусов. Монокристаллы LiNbO3 имеют точку Кюри, достигающую 1210 градусов, что делает их идеальным пьезоэлектрическим материалом для изготовления датчиков высоких-температур.
Тип диффузного кремния: Давление измеряемой среды воздействует непосредственно на диафрагму датчика (из нержавеющей стали или керамики), вызывая микро-смещение диафрагмы, пропорциональное давлению среды. Это вызывает изменение значения сопротивления датчика, которое обнаруживается электронной схемой и преобразуется в стандартный измерительный сигнал, соответствующий этому давлению.
Тип сапфира. Используя принцип тензодатчика, в качестве полупроводникового чувствительного элемента используется кремниевый-сапфир, обладающий непревзойденными метрологическими характеристиками.
Сапфир состоит из одного-кристаллического изолирующего элемента, не обладающего гистерезисом, усталостью или ползучестью. Сапфир прочнее и тверже кремния и устойчив к деформации. Сапфир обладает превосходными эластичными и изоляционными свойствами (до 1000 градусов). Поэтому полупроводниковые чувствительные элементы, изготовленные на основе кремний-сапфира, нечувствительны к изменениям температуры и сохраняют отличные рабочие характеристики даже при высоких температурах. Сапфир обладает сильной радиационной стойкостью. Кроме того, полупроводниковые чувствительные элементы из кремния-сапфира не имеют дрейфа p-n, что существенно упрощает производственный процесс, улучшает повторяемость и обеспечивает высокий выход продукции.
Датчики и преобразователи давления, изготовленные из кремниевых-сапфировых полупроводниковых чувствительных элементов, могут нормально работать в самых суровых условиях, демонстрируя высокую надежность, высокую точность, минимальную температурную погрешность и высокую экономическую-эффективность.
Датчики и преобразователи желудочного давления состоят из двойной-мембраны: измерительной диафрагмы из титанового сплава и приемной диафрагмы из титанового сплава. Сапфировая пластина, на которой напечатана гетерогенная эпитаксиальная мостовая схема тензодатчика, припаяна к измерительной диафрагме из титанового сплава. Измеряемое давление передается на приемную диафрагму (приемная и измерительная диафрагмы надежно соединены стяжкой). Под давлением приемная диафрагма из титанового сплава деформируется. Эта деформация фиксируется кремниево--сапфировым чувствительным элементом, вызывая изменение выходного сигнала моста, величина которого пропорциональна измеряемому давлению.
Схема датчика обеспечивает подачу питания к цепи тензодатчика и преобразует любой сигнал дисбаланса от тензодатчика в равномерный выходной электрический сигнал (0-5, 4–20 мА или 0–5 В). В датчиках и преобразователях абсолютного давления сапфировая пластина, соединенная со стеклянным припоем на основе керамики, действует как упругий элемент, преобразуя измеренное давление в деформацию тензодатчика, тем самым обеспечивая измерение давления.