Cảm biến công ngiệp-chuong 5

Chương 5
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. Đầu đo trong chế độ động
5. 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/mm2.
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
• Sơ đồ 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, (isoelastic có K =
3,5 và platin-vonfram K = 4,1). 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 αK =
+0,01%/oC, isoelastic khá lớn).
•
Ảnh hưởng của biến dạng ngang→sai số (không đáng kể có
thể bỏ qua).
( ) ( )
[ ]
00
1 TTKTK

K
−α+=
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)
SiO2
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 <120oC (αR>0),
giảm khi T>120oC (αR<0),
)pn(q
1
pn
µ+µ
=ρ

Nồng độ tạp chất/cm3
ρ (Ω.cm)
1014
1015 1016 1017
1018 1019
10-3
10-2
10-1
1
ρ (Ω.cm)
-100
0
100
200
300 400 500
2
3
ToC
4
5
6
7
101
8
1020
1016
1014
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
(Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc.
-100
0
100
200
300
400
500
ToC
40
80
120
160
180
200
240
600
102
0
3.101
9
5.101
8

1017/cm3
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+=
4. Đầu đo trong chế độ động
4.1. Yêu cầu về tần số sử dụng tối đa (fmax):
Điều kiện:
Với: l - chiều dài nhánh điện trở;
v - vận tốc truyền sóng đàn hồi:
l.10
V
f
max
=
λ
1,0l
≤
⇒
( )( )
νν
ν
211
1

.
d
Y
V
−+
−
=
4. Đầu đo trong chế độ động
4.2. Yêu cầu về giới hạn mỏi: cảm biến
phải có giới hạn mỏi (số chu kỳ biến dạng N
với biên độ cho trước gây nên biến thiên
điện trở bằng 10-4 ứng với chu kỳ biến dạng
giả định) đủ lớn theo yêu cầu làm việc.
5. Cảm biến dây rung
5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
A
B
l
A
B0
N0
l+∆l0
∆l0
A
B1
N1
l+∆l1
∆l1
∆l
F0

F0
F1
F1
5. Cảm biến dây rung
•
Tần 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.
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
∆
5. Cảm biến dây rung
5.2. Đặc điểm:
•
Cấu tạo đơn giản.
•
Đo được biến dạng của kết cấu lớn.
⇒ Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây
dựng.