Unterschiedliche Messbedingungen, Messbereiche und Materialien, die bei der Konstruktion eines Sensors verwendet werden, führen zu einer Vielzahl von Drucksensorausführungen. Oft kann man den Druck in eine Zwischenform umwandeln, z. B. in eine Verschiebung, indem man die Auslenkung einer Membran erfasst, die in einer Linie mit der Flüssigkeit liegt. Der Sensor wandelt diese Auslenkung dann in ein elektrisches Ausgangssignal wie Spannung oder Strom um. Ausgehend von der bekannten Fläche der Membran lässt sich dann der Druck berechnen. Drucksensoren werden mit einer Skala geliefert, die eine Methode zur Umrechnung in technische Einheiten bietet.
Die drei universellsten Arten von Drucksensoren sind die Brücke (DMS-basiert), variable Kapazität und piezoelektrisch.
Brücken-basiert
Von allen Drucksensoren sind Wheatstone-Brücken-Sensoren (Dehnungssensoren) am weitesten verbreitet, da sie Lösungen bieten, die unterschiedliche Anforderungen an Genauigkeit, Größe, Robustheit und Kosten erfüllen. Brückensensoren können Absolut-, Relativ- oder Differenzdruck sowohl in Hoch- als auch in Niederdruckanwendungen messen. Sie verwenden einen Dehnungsmessstreifen, um die Verformung einer dem Druck ausgesetzten Membran zu erfassen.
Abbildung 2. Querschnitt eines typischen brückenbasierten Drucksensors
Wenn eine Druckänderung eine Auslenkung der Membran bewirkt, wird eine entsprechende Widerstandsänderung am Dehnungsmessstreifen induziert, die Sie mit einem konditionierten DAQ-System messen können. Sie können Dehnungsmessstreifen aus Folie direkt auf eine Membran oder auf ein Element kleben, das mechanisch mit der Membran verbunden ist. Manchmal werden auch Dehnungsmessstreifen aus Silizium verwendet. Bei dieser Methode ätzt man Widerstände auf ein Substrat auf Siliziumbasis und verwendet eine Übertragungsflüssigkeit, um den Druck von der Membran auf das Substrat zu übertragen.
Kapazitive Drucksensoren
Ein Druckwandler mit variabler Kapazität misst die Kapazitätsänderung zwischen einer Metallmembran und einer festen Metallplatte. Die Kapazität zwischen zwei Metallplatten ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen diesen beiden Platten durch den ausgeübten Druck ändert.
Abbildung 3. Kapazitiver Druckwandler
Piezoelektrische Drucksensoren
Piezoelektrische Sensoren beruhen auf den elektrischen Eigenschaften von Quarzkristallen und nicht auf einem Widerstandsbrückenwandler. Diese Kristalle erzeugen eine elektrische Ladung, wenn sie gedehnt werden. Elektroden übertragen die Ladung von den Kristallen an einen im Sensor eingebauten Verstärker. Diese Sensoren benötigen keine externe Erregungsquelle, sind aber anfällig für Stöße und Vibrationen.
Abbildung 4. Piezoelektrischer Druckwandler
Konditionierte Drucksensoren
Sensoren mit integrierten Schaltkreisen, wie z. B. Verstärkern, werden als verstärkte Sensoren bezeichnet. Diese Arten von Sensoren können mit brückenbasierten, kapazitiven oder piezoelektrischen Wandlern aufgebaut sein. Im Falle eines verstärkten Brückensensors stellt das Gerät selbst die Abschlusswiderstände und die Verstärkung bereit, die erforderlich sind, um den Druck direkt mit einem DAQ-Gerät zu messen. Obwohl die Erregung immer noch bereitgestellt werden muss, ist die Genauigkeit der Erregung weniger wichtig.
