chương 5 cảm biến đo biến dạng

V. CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG
1. Biến dạng và phương pháp đo
2. Cảm biến điện trở kim loại
3. Cảm biến áp trở silic
4. Cảm biến dây rung
1. Biến dạng và phương pháp đo
1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạng:

Biến dạng tương đối (ε): 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/mm
2
.
l
l
∆
=ε
1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạng

Môđun Young (Y): hệ số xác định biến dạng theo phương
của ứng lực:

Hệ số poison (ν): hệ số xác định biến dạng theo phương
vuông góc với lực tác dụng.
σ==ε
Y
1
S
F

Y
1
||
||
νε−=ε
⊥
1.2. Phương pháp đo biến dạng
a) Cảm 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 loại
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Dây điện trở tiết diện tròn d≈20µm hoặc chữ nhật.
Số nhánh n = 10 ÷20 nhánh.
Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm).
a) Dạng lưới dây
b) Dạng lưới màng
Đế cách điện
Dây điện trở
Đế cách điện
Màng điện trở
2. Cảm biến điện trở kim loại
Vật liệu chế tạo điện trở:

Hợp kim Thành phần Hệ số đầu đo K
Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1
Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5
Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1
Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5
Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1
2. Cảm biến điện trở kim loại
Cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:
1
2
3
5
4
6
7
1. Bề mặt khảo sát
2. Cảm biến
3. Lớp bảo vệ
4. Mối hàn
5. Dây dẫn
6. Cáp điện
7. Keo dán
2. Cảm biến điện trở kim loại
Điện trở của cảm biến:
S
l
R
.
ρ
=

ρ
ρ∆
+
∆
−
∆
=
∆
S
S
l
l
R
R
⇒
l
l
S
S
∆
ν−=
∆
2
;
Với
l
l
C
V
V

C
∆
ν−=
∆
=
ρ
ρ∆
)21(
(C: hằng số Bridman)
( ) ( ){ }
l
l
K
l
l
C
R
R
∆
=
∆
ν−+ν+=
∆
.2121
⇒
Với
( ) ( )
22121
≈ν−+ν+=
CK

→ Hệ số đầu đo
2. Cảm biến điện trở kim loại
2.2. Đặc điểm:

Vật liệu chế tạo điện trở cần có ρ 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 - 100
o
C ÷ 300
o
C:


(K
0
ứng với T = 25
o
C,
constantan α
K
= +0,01%/
o
C, isoelastic khá lớn).
Ảnh hưởng của biến dạng ngang→ sai số (không đáng kể có
thể bỏ qua).
( ) ( )
[ ]

00
1 TTKTK
K
−α+=
2. Cảm biến điện trở kim loại
2. Cảm biến điện trở kim loại
2. Cảm biến điện trở kim loại
3. Cảm biến áp trở silic
3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
P
P
N
N
NN
N
N
Điện trở
Đế cách điện
a) Đơn
b) Nối tiếp
c) Song song
d) Song song
a) Loại dùng mẫu cắt
3. Cảm biến áp trở silic
Điện 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 silic
b) 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)
SiO
2
Dây
nối
3. Cảm biến áp trở silic
Điện trở của cảm biến:
S
l
R
.
ρ
=
ρ
ρ∆
+
∆
−
∆
=
∆
S

S
l
l
R
R
⇒
l
l
S
S
∆
ν−=
∆
2
;
Với
(π: hệ số áp điện trở)
( ){ }
l
l
K
l
l
Y
R
R
∆
=
∆
π+ν+=

∆
.21
⇒
Với
20010021
÷=π+ν+=
YK
→ Hệ số đầu đo
l
l
Y
∆
π=πσ=
ρ
ρ∆
3. Cảm biến áp trở silic
3.2. Đặc điểm:
a) Điện trở (R):
Phụ thuộc độ pha tạp:
Phụ thuộc nhiệt độ:
tăng khi T <120
o
C (α
R
>0),
giảm khi T>120
o
C (α
R
<0),

)pn(q
1
pn
µ+µ
=ρ
Nồng độ tạp chất/cm
3
ρ (Ω.cm)
10
14
10
15
10
16
10
17
10
18
10
19
10
-3
10
-2
10
-1
1
ρ (Ω.cm)
-100
0

100
200 300 400 500
2
3
T
o
C
4
5
6
7
10
18
10
20
10
16
10
14
3. Cảm biến áp trở silic
b) 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
(N
d
>10
20

/cm
3
) K ít phụ thuộc.
-100
0
100
200 300 400 500
T
o
C
40
80
120
160
180
200
240
600
10
20
3.10
19
5.10
18
10
17
/cm
3
K
Sự phụ thuộc của K

vào độ pha tạp và nhiệt độ
•
Phụ thuộc độ biến dạng:
Khi ε nhỏ → có thể coi K = const.
2
221
KKKK ε+ε+=
3. Cảm biến áp trở silic
b) 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 (N
d
>10
20
/cm
3
) K ít phụ thuộc.
Ưu điểm
Hệ số đo lớn  đo chính xác
Kích thước nhỏ gọn
Đáp ứng nhanh
Có độ bền mỏi tốt
Nhược điểm
Dễ gẫy  không đo được biến dạng lớn
Hệ số đo không là hằng số
Phi tuyến
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ
3. Cảm biến áp trở silic

4. Cảm biến dây rung
4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
A
B
l
A
B
0
N
0
l+∆l
0
∆l
0
A
B
1
N
1
l+∆l
1
∆l
1
∆l
F
0
F
0
F
1

F
1
4. Cảm biến dây rung
Tần số dao động:

⇒
Khi có biến dạng: độ dãn do biến dạng

⇒
Đo N
1
và N
0
⇒
∆l
0
: 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.
l
l
.
d
Y
l2

1
Sd
F
l2
1
N
0
0
∆
==
2
0
2
0
N.KN
Y
ld4
l
l
==
∆
2
1
1
N.K
l
l
=
∆
01

lll
∆∆∆
−=
( )
2
0
2
1
NNK
l
l
−=
∆
l
l
∆
4. Cảm biến dây rung
4.2. Đặc điểm:
Cấu tạo đơn giản.
Đo được biến dạng của kết cấu lớn.
⇒ Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.