Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet
Mikro- és nanotechnika (KMENT14TNC) Szenzorok és mikroáramkörök (KMESM11TNC) Laboratóriumi gyakorlatok Mérési útmutató
1. Nyomásérzékelők vizsgálata Elméleti összefoglaló A vizsgálatra szánt nyomásérzékelők szilícium lapkát tartalmaznak. A szenzor egy membránon elhelyezett 4 db hídba kapcsolt diffundáltatott ellenállást tartalmaz. A nyomás érzékelése a piezorezisztív elv alapján történik: a nyomás hatására deformálódik a membrán, és ezáltal megváltozik az ellenállások értéke. A szenzorban lévő ellenálláshíd ellenállásainak változása olyan, hogy a szomszédos hídágak változása ellentétes. A hidat áram- vagy feszültséggenerátorral táplálva a híd kimenetén a nyomással arányos feszültség jelenik meg. A mérési összeállítás egy abszolút és egy relatív szenzor vizsgálatát teszi lehetővé, amelyeknek külső és belső felépítéseit az 1. ábra mutatja. A nyomásérzékelővel egybe van építve egy hőszenzor is (termisztor). Háromféle nyomásértéket különböztethetünk meg: • abszolút nyomásérték: a légüres térhez viszonyított nyomásérték; • relatív (effektív) nyomásérték: a külső légnyomástól való eltérés; • differenciális nyomásérték: egy referencia nyomáshoz viszonyított nyomásérték.
1
1. ábra a) A nyomásérzékelők külső felépítése; b) a relatív és abszolút szenzorok belső felépítése; c) a differenciális szenzor belső felépítése
A mérések célját a vizsgálatra szánt nyomásérzékelők nyomás-feszültség karakterisztikájának felvétele (feszültség- és áramgenerátoros táplálás), hőmérséklet függésének vizsgálata, valamint a nyomásérzékelő hibáinak vizsgálata. A szenzorban kialakított ellenállások értékét a nyomáson kívül a hőmérséklet is befolyásolja.
2
A híd UKI kimeneti jele áramgenerátoros meghajtás esetén a következő módon függ a híd R(T) ellenállásától és a meghajtó áram erősségétől (I): UKI(T) = G(T) · R(T) · I Ahol G(T) az érzékenységi tényező (ú.n. gauge factor). Az érzékenységi tényező és az ellenállás érték ellenkező irányban függnek a hőmérséklettől, ezért a kimeneti feszültség csak kis mértékben függ a hőmérséklettől. Feszültséggenerátoros meghajtás esetén a kimeneti feszültség az Utáp tápfeszültségtől függ: UKI(T) = G(T) · Utáp Ez esetben azonban a kimeneti jel csupán G(T) révén lesz hőmérsékletfüggő, R(T) kompenzáló hatása elvész, és a híd kimeneti jele erősen hőmérsékletfüggő lesz. Tehát a hidat a lehetőségek szerint áramgenerátorról kell táplálni, érdekes feladat azonban a feszültséggenerátoros eset hőmérsékletfüggését is megvizsgálni.
Mérési elrendezés A mérési elrendezés a 2. ábra látható. A mérendő nyomást egy tartályos kompresszor szolgáltatja. A kompresszor 8 bar nyomásra tölti fel a tartályát, majd lekapcsol és kb. 6 bar alatt kezdi újra tötleni. A nyomást a tartály kimenetén található nyomáscsökkentő csökkenti le jelenlegi beállítás szerint 2,5...3bar körüli értékre. A kompresszort kizárólag a mérésvezető kezelheti. A mérésben található egy digitális kijelzővel rendelkező elektromos nyomásszabályozó is. A Norgren VP12 típusú nyomásszabályozót 4-20mA közötti áramértékekkel lehet vezérelni. A fényképen a mérőpanel felső részén középen van a szabályzó, bal felső részén a digitális kijelző (ez külön egység). A kettő között található egy áramgenerátor, ami a szabályzó vezérlőáramát előállítja. Ennek 30V DC tápfeszültséget kell szolgáltatni (bal oldali csatlakozók, piros a pozitív). A generátor már össze van kötve a szabályozóval. A generátor áramát a jobboldali zöld csatlakozókba kötött milliampermérővel mérhetjük. Amikor nem kívánjuk az áramot mérni, a kimeneteket kössük össze (rövidzár). Az áramgenerátor áramát a csatlakozók alatti potencióméterrel tudjuk állítani. Közben a digitális kijelzőn figyelhetjük a nyomás aktuális értékét. A kijelzőn látható nyomás értéknek van egy ofszetje (nullponti hibája). Ezt mérjük meg a mérés elején, amikor a kompresszor kimenete még zárva van, és a szabályzó árama minimumon van (az áramgenerátor valamivel 4mA alá tud menni, ez itt nem baj). Ezután minden mérésnél az ofszet nyomást le kell vonni a kijelzőn látható értékből (ofszet kompenzálás). A nyomásszabályozó hasonló elven működik, mint az analóg feszültségszabályozók: a kimenő nyomás alacsonyabb a bejövőnél, a különbséget egy szelepen keresztül engedi le (ezt hallani is lehet, nem kell megijedni). A kompresszoron található analóg kijelző és a digitális kijelző értékének különbségéből megbecsülhető a különbözeti nyomás minimális értéke (a különbség ugyanis mindig nagyobb, mint nulla).
3
Az abszolút és a relatív nyomásérzékelők egy alumínium tömbre vannak szerelve. A tetejükre rátehetünk egy másik alumínium tömböt (ez alapesetben a panel bal alsó részén található), amiben fűtőszál van. Az alumínium tömbben is elhelyeztünk egy termisztort. A fűtésvezérlést a bal fent található 15V tápellátás hajtja meg, és a bal alsó kapcsolóval lehet ki-be kapcsolni. A képen jobb alul látható egy elzáró csap. Ez arra szolgál, hogy amikor a nyomásszabályozó karakterisztikáját akarjuk felvenni, elzárjuk a csapot, hogy a túl nagy nyomást ne engedje a szenzorokra. A szenzorok mérésénél ne felejtsük el kinyitni. A mérésben a differenciális érzékelőt és a mikrokontrollert jelenleg nem használjuk.
2. ábra: A mérőpanel
4
Mérendő kapcsolások ismertetése Feszültséggenerátoros meghajtás
3. ábra: Feszültséggenerátoros meghajtás
A 3. ábran látható a mérési elrendezés. Az érzékelő kivezetési paneljén (a fényképen: nyomásérzékelő ki- és bemenetek) az 1. és 4. (a panelen "BE"-vel jelölt) kivezetésekre kell adni a feszültséget a mérőpanelon lévő 12V feszültséggenerátor kimenetről (ehhez a panel bal felső részén lévő tápfeszültség csatlakozókra adjunk 15V-ot). A 2. és 3. (a panelen "KI"-vel jelölt) kivezetések a híd kimenetei. A nyomásszenzorokba beépített termisztor kivezetései a mérőpanel közepe táján találhatóak (a fényképen: hőszenzor kimenete). Mielőtt a mérést elkezdenénk, mérjük ki a híd ellenállását, illetve határozzuk meg az egyes ellenállások értékét szobahőmérsékleten, valamint a hőszenzor ellenállását.
Áramgenerátoros meghajtás
4. ábra: Áramgenerátoros meghajtás
A mérési összeállítást a 4. ábra mutatja. A mérőpanelen jelölve van az áramgenerátor táp bemenete (30V DC) és kimenete, utóbbit egy sorbakötött árammérővel együtt kössük a szenzor bemenetekre. A generátor kimenete mellett található potméter segítségével állítható be a hídáram értéke. (Ne keverjük össze a másik áramgenerátorral, amelyik a nyomásszabályozót vezérli, és a függőleges panelrészen található!)
5
Feladatok 1. Nyomásszabályozó vizsgálata a.) Ofszet nyomás értékének meghatározása Ezt a mérést azelőtt végezzük el, mielőtt kinyitnánk a kompresszor kimenő csapját. Ha volt nyomás a csőben, várjuk meg, míg az elektronikus nyomásszabályzó leereszti. Ezután a digitális nyomáskijelzőn látható értéket olvassuk le. Ez lesz a kijelző (helyesebben a szabályzóba épített mérő) ofszethibája (nullponti hibája). Ezt a későbbi mérések során mindig le kell vonni a mért nyomásértékből (ofszetkompenzálás). b.) Nyomásszabályzó áram-nyomás karakterisztikájának felvétele Az elektronikus nyomásszabályozó adatlapján nem adják meg az áram-nyomás karakterisztikát, csak annyit, hogy 4-20 mA közötti árammal vezérelhetjük. A laboratóriumnak így része a karakterisztika kimérése is. Zárjuk el a mérőpanelen a szenzorok közelében található csapot, ezzel megakadályozzuk, hogy túl nagy nyomás jusson a szenzorokra. A kompresszoron található analóg nyomásszabályozón 2,5...3 bar nyomás szokott lenni beállítva, ezt az analóg kijelzőjén (amelyik függőlegesen áll) leolvashatjuk. Az elektronikus nyomásszabályozó áramát állítsa 2..18 mA között 1mA-es léptékkel és jegyezzük le az áramhoz tartozó nyomásértéket a digitális kijelzőről. (Természetesen ofszetkompenzálással.) A digitális kijelzőn látható nyomásérték adott vezérlőáram felett nem nő tovább. A két nyomásmérőn látható érték különbsége lesz az a minimális nyomáskülönbség, ami az elektronikus szabályozó működéséhez szükséges, jegyezzük fel ezt az értéket is. (Hasonlóan az analóg soros feszültségszabályozók drop-feszültségéhez). Ezt úgy is felfoghatjuk, hogy minimum ekkora nyomásértéket kell beadnunk, hogy legyen kimeneti nyomás. A nyomáskülönbséget az elektronikus szabályzó a saját beépített szelepén keresztül ereszti le.
2., A nyomásérzékelő nyomás-feszültség karakterisztikájának felvétele a., Ellenállások Továbbra is elzárt csapnál maradva, mérjük meg a szenzor hidak eredő ellenállását (kimenetek között), illetve próbáljuk meg meghatározni a hidat alkotó egyes ellenállások értékét. Mérjük meg az abszolút szenzor termisztorának ellenállását is (hőszenzor kimenet). A kétféle szenzor nagyon hasonlóan néz ki, a különbség kívülről egy apró lyuk jelenti, amit az egyik szenzor alján (jelenleg ez van felül) találhatunk. Vajon az abszolút vagy a relatív szenzorról van szó? b., Feszültséggenerátoros meghajtás Vegyük le az elektronikus nyomásszabályozó áramát minimálisra és várjuk meg amíg a kijelzőn látható nyomás is minimálisra csökken. A panelen található 12 V-os feszültségforrást kössük rá a szenzor bemenetére. Mielőtt kinyitnánk a csapot a panelen, mérjük meg a szenzorok kimeneti jelét, ez lesz a szenzor nullponti hibája.
6
Nyissuk ki a mérőpanelen lévő csapot, hogy a szenzorokra jusson a nyomás. Vegyük fel az abszolút és a relatív nyomásszenzor karakterisztikáját (nyomás-feszültség karakterisztika) 0 és 1 bar között 0,1 bar lépésközzel. Amikor elértük az 1 bart, visszafele is vegyük fel 0 barig tizedenként a karakterisztikát. Ha egy lépésköznél picivel túlmentünk a kívánt értéken, ne menjünk vissza, hanem folytassuk onnan (feljegyezve a pontos értékeket), különben elrontjuk a hiszterézis mérést! Ábrázoljuk a kimeneti jel nyomásfüggését. Az oda-vissza mérésből állapítsuk meg a szenzor hiszterézisét, vagyis az ugyanazon nyomásértéknél a két irányban mért feszültség értékek különbségét százalékosan. Vegyük az ugyanazon nyomásnál mért értékek átlagát, és ezt hasonlítsuk össze a szenzor adatlapján található értékekkel. Számoljuk ki a szenzor érzékenységét (mV/mbar) és ezt is vessük össze a katalógussal. Melyik szenzort találjuk érzékenyebbnek? c., Áramgenerátoros meghajtás A panelen a szenzor közelében lévő áramgenerátorral kössünk sorba egy árammérőt, majd kössük rá a szenzor bemenetére. Figyeljük és jegyezzük a termisztor értékét. A nyomásszenzort a saját árama is melegíti, ezért meg kell várnunk, amíg beáll a hőmérsékleti egyensúlya, vagyis amikor a termisztor értéke már nem változik. Ismételjük meg az előző mérést, 1mA és 2 mA hídáram mellett. Itt is mérjük le a szenzor nullponti hibáját nulla nyomás mellett.
3., Hőmérsékleti hiba meghatározása A hőmérsékleti hiba mérését az abszolút szenzoron végezzük el. Mérjük meg a nyomásérzékelőbe beépített termisztor ellenállását szobahőmérsékleten. Kapcsoljuk be a fűtést és figyeljük a termisztor ellenállásának változását. A vezérlés kb. 45 oC-ra melegíti fel a fűtőtestet, majd ezen a hőmérsékleten tartja. Ha beállt a 45 oC, a hőszenzor ellenállása nem változik tovább, illetve a tápegység áramának csökkenéséből is láthatjuk, mikor állt le a fűtés. Mérjük meg a termisztor értékét ezen a hőmérsékleten is, majd állapítsuk meg, hogy NTK vagy PTK típusú-e. Vegyük fel a szenzor nyomás-feszültség karakterisztikáját áramgenerátoros üzemmódban (az egyik olyan áramértéknél, amit a 2/c pontban is használtunk, legcélszerűbb, ha az annál a pontnál utolsónak beállított áramértéket hagyjuk meg.) A szobahőmérsékletet a laborban található hőmérővel tudjuk megmérni, vagy a Hőmérséklet érzékelők mérésben résztvevőktől tudjuk megkérdezni. Ábrázoljuk a nyomás-feszültség karakterisztikát szobahőmérsékleten és a magasabb hőmérsékleten is. Vizsgálja meg, hogyan változott a karakterisztika (pl. vízszintesen eltolódik, meredeksége változik, nemlinearitása változik stb.) Amennyiben rendelkeznek a szükséges ismeretekkel, számoljanak hibát.
7
Műszerek és kellékek Kompresszor analóg nyomásszabályzóval Mérőpanel szenzorokkal, elektronikus nyomásszabályzóval, feszültség- és áramgenerátorral 2 db egyenáramú tápegység (Hameg HM8040, FOK-GYEM TR9175 – a fűtéshez!) 2 db feszültségmérő (Hameg HM8012) Árammérő (Hameg HM8012)
Ellenőrző kérdések • • •
A mérendő nyomás alapján osztályozva milyen érzékelő fajtákat ismer? Miért jobb az áramgenerátoros meghajtás a nyomásszenzor mérésénél? Rajzolja fel a nyomásszenzor mérőhídját!
Mérési jegyzőkönyv A mérési jegyzőkönyvet két héten belül kell benyújtani, oktatótól és tantárgytól függően elektronikusan vagy kézzel írva. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: 1., A mérést végzők nevét, a mérés helyét, idejét, tárgyát; 2., Nyilatkozatot arról, hogy a mérést a nevezett személyek saját maguk végezték és az eredményeket maguk értékelték ki; 3., A műszerek jegyzékét; 4., Mérési feladatonként külön-külön a mért adatokat, az azokból kiértékelt adatokat, azok grafikonon történő ábrázolását. Az ugyanazon szenzoron különböző módon kapott válaszjeleket célszerű egy grafikonon ábrázolni. 5., Mérési feladatonként külön-külön az eredmények értékelését. 6., A két különböző szenzor tulajdonságainak összehasonlítását. KERÜLJÉK a jegyzőkönyvek másolását! Azonos vagy nagyon hasonló jegyzőkönyvek NEM FOGADHATÓK EL!
8
