Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương V: Cảm biến đo biến dạng

V. CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNGBiến dạng và phương pháp đoCảm biến điện trở kim loạiCảm biến áp trở silicCảm biến dây rung1. Biến dạng và phương pháp đo1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạng:Biến dạng tương đối (): tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (l) do biến dạng gây ra và kích thước ban đầu (l):Giới hạn đàn hồi: ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng kG/mm2.1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạngMôđun Young (Y): hệ số xác định biến dạng theo phương của ứng lực:Hệ số poison (): hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng.1.2. Phương pháp đo biến dạngCảm biến điện trở: 	Dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng. Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng  dùng phổ biến.b) Cảm biến dạng dây rung:	Dựa vào sự thay đổi tần số rung của sợi kim loại khi sức căng cơ học thay đổi (khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi)  dùng trong các kết cấu ngành xây dựng.2. Cảm biến điện trở kim loại2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:Dây điện trở tiết diện tròn d20m hoặc chữ nhật. Số nhánh n = 10 20 nhánh.Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm).a) Dạng lưới dâyb) Dạng lưới màngĐế cách điệnDây điện trởĐế cách điệnMàng điện trở2. Cảm biến điện trở kim loạiVật liệu chế tạo điện trở:Hợp kimThành phầnHệ số đầu đo KConstantan45%Ni, 55%Cu2,1Isoelastic52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo)3,5Karma74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe2,1Nicrome V80%Ni, 20%Cr2,5Bạch kim - vonfram92%Pt, 8%W4,12. Cảm biến điện trở kim loạiCố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:1235467Bề mặt khảo sátCảm biến Lớp bảo vệ Mối hàn5. Dây dẫn6. Cáp điện 7. Keo dán2. Cảm biến điện trở kim loạiĐiện trở của cảm biến:;Với (C: hằng số Bridman)Với Hệ số đầu đo2. Cảm biến điện trở kim loại2.2. Đặc điểm:Vật liệu chế tạo điện trở cần có  đủ lớn.Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2  3. Trong giới hạn đàn hồi  K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi l/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu)  K  2. Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC  300oC: (K0 ứng với T = 25oC, constantan K = +0,01%/oC, isoelastic khá lớn).Ảnh hưởng của biến dạng ngang sai số (không đáng kể có thể bỏ qua). 2. Cảm biến điện trở kim loại2. Cảm biến điện trở kim loại2. Cảm biến điện trở kim loại3. Cảm biến áp trở silic3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:PPNNNNNNĐiện trởĐế cách điệna) Đơnb) Nối tiếpc) Song songd) Song songa) Loại dùng mẫu cắt3. Cảm biến áp trở silicĐiện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N, kích thước: dài ~ 0,1 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm.Đế cách điện: nhựa.Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnh cắt.3. Cảm biến áp trở silicb) Loại khuếch tán:Điện trở: silic pha tạp loại P (hoặc N).Đế: silic pha tạp loại N (hoặc P).Lớp tiếp giáp P – N phân cực ngược.Đế (Si-N)Điện trở (Si-P)SiO2Dây nối3. Cảm biến áp trở silicĐiện trở của cảm biến:;Với (: hệ số áp điện trở)Với Hệ số đầu đo3. Cảm biến áp trở silic3.2. Đặc điểm:a) Điện trở (R):Phụ thuộc độ pha tạp:Phụ thuộc nhiệt độ: tăng khi T 0), giảm khi T>120oC (R1020/cm3) K ít phụ thuộc. -1000100200300400500ToC408012016018020024060010203.10195.10181017/cm3KSự phụ thuộc của K vào độ pha tạp và nhiệt độ Phụ thuộc độ biến dạng: Khi  nhỏ  có thể coi K = const.3. Cảm biến áp trở silicb) Hệ số đầu đo (K):Lớn: K = 100  200.Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng  K giảm.Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng  K giảm, độ pha tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc. Ưu điểmHệ số đo lớn  đo chính xácKích thước nhỏ gọnĐáp ứng nhanhCó độ bền mỏi tốtNhược điểmDễ gẫy  không đo được biến dạng lớnHệ số đo không là hằng sốPhi tuyếnẢnh hưởng bởi nhiệt độ3. Cảm biến áp trở silic4. Cảm biến dây rung4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:ABlAB0N0l+l0l0AB1N1l+l1l1lF0F0F1F14. Cảm biến dây rungTần số dao động: Khi có biến dạng: độ dãn do biến dạng Đo N1 và N0 l0: biến dạng ban đầu.l – chiều dài dây; F: lực tác dụng (căng dây); S- tiết diện dây; Y- môđun Young ; d – khối lượng riêng của vật liệu dây.4. Cảm biến dây rung4.2. Đặc điểm:Cấu tạo đơn giản.Đo được biến dạng của kết cấu lớn. Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.