Cảm biến công nghiệp : Cảm biến đo áp suất chất liệu part 4 pdf

- 138 -
Từ phơng trình (8.23) và (8.24), tìm đợc điện áp ra của bộ biến đổi:




=
max
max1
ra
MfI2
V
(8.25)
c) Bộ biến đổi kiểu điện dung
Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung trình bày trên hình 8.12









Hình 8.12a trình bày cấu tạo một bộ biến đổi kiểu điện dung gồm bản cực
động là màng kim loại (1), và bản cực tĩnh (2) gắn với đế bằng cách điện thạch anh
(4).
Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng có dạng:

0

s
C
+
= (8.26)
Trong đó:

- hằng số điện môi của cách điện giữa hai bản cực.

0
- khoảng cách giữa các điện cực khi áp suất bằng 0.

- độ dịch chuyển của màng.
Hình 8.12b là một bộ biến đổi điện dung kiểu vi sai gồm hai bản cực tĩnh (2)
và (3) gắn với chất điện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm giữa hai bản cực để
tạo thành hai tụ điện C
12
và C
13
. Khoảng trống giữa các bản cực và màng điền đầy
bởi dầu silicon (5).
Các áp suất p
1
và p
2
của hai môi trờng đo tác động lên màng, làm màng dịch
chuyển giữa hai bản cực tĩnh và tạo ra tín hiệu i
m
(cung cấp bởi nguồn nuôi) tỉ lệ với
áp suất giữa hai môi trờng:

)pp(K
CC
CC
Ki
21
21
21
1m
=
+

= (8.27)
Hình 8.12 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung
1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách diện 4) Dầu silicon
p
1
2
4
a
)

b
)
p
1
p
2
1
2
3

4
5

- 139 -
Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo lờng, thờng dùng mạch
cầu xoay chiều hoặc mạch vòng cộng hởng LC.
Bộ cảm biến kiểu điện dung đo đợc áp suất đến 120 MPa, sai số (0,2 - 5)%.
3.2.4. Bộ biến đổi kiểu áp trở

Cấu tạo của phần tử biến đổi áp trở biểu diễn trên hình 8.13a. Cảm biến áp trở
gồm đế silic loại N (1) trên đó có khuếch tán tạp chất tạo thành lớp bán dẫn loại P
(2) , mặt trên đợc bọc cách điện và có hai tiếp xúc kim loại để nối dây dẫn (3).










Trên hình 8.13b là trờng hợp màng định hớng (100) có gắn 4 cảm biến áp
trở, trong đó có hai cảm biến đặt ở tâm theo hớng (110) và hai cảm biến đặt ở biên
tạo thành với hớng (100) một góc 60
o
. Với cách đặt nh vậy, biến thiên điện trở
của hai cặp cảm biến khi có ứng suất nội sẽ bằng nhau nhng trái dấu:

RRRRR

4231

=


=


==
Để đo biến thiên điện trở ngời ta dùng mạch cầu, khi đó ở hai đầu đờng chéo cầu
đợc nuôi bằng dòng một chiều sẽ là:

()
RIRRRR
4
I
V
4321m
=+=
Sự thay đổi tơng đối của trở kháng theo ứng lực tính xác định theo biểu thức:

=

0
R
R

Trong đó là hệ số áp trở của tinh thể (~ 4.10
-10
m

2
/N), khi đó biểu thức điện áp có
dạng:

=
0m
IRV (8.28)
Hình 8.13. Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp trở
a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí đặt trên màng
1) Đế silic-N 2) Bán dẫn P 3) Dây dẫn
1
2
3
R
1
R
2
R
3
R
4
J
T
60
o
a)
b)

- 140 -
Bộ chuyển đổi kiểu áp trở làm việc trong dải nhiệt độ từ - 40

o
C đến 125
o
C phụ
thuộc vào độ pha tạp. Ngời ta cũng có thể bù trừ ảnh hởng của nhiệt độ bằng cách
đa thêm vào bộ chuyển đổi một bộ phận hiệu chỉnh đợc điều khiển qua đầu đo
nhiệt độ J
T
.
d) Bộ chuyển đổi kiểu áp điện
Bộ chuyển đổi kiểu áp điện, dùng phần tử biến đổi là phần tử áp điện, cho
phép biến đổi trực tiếp ứng lực dới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín
hiệu điện.








áp suất (p) gây nên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai
mặt của bản áp điện mộtđiện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng:

kFQ =
Với F = p.S, do đó:

k
p
SQ =

Trong đó:
k - hằng số áp điện, trong trờng hợp thạch anh k = 2,22.10
-12
C/N.
S - diện tích hữu ích của màng.
Để tăng điện tích Q ngời ta ghép song song một số bản cực với nhau.
Đối với phần tử áp điện dạng ống, điện tích trên các bản cực xác định theo
công thức:

22
dD
dh4
kFQ

=
(8.29)
Trong đó:
D, d - đờng kính ngoài và đờng kính trong của phần tử áp điện.
h - chiều cao phần phủ kim loại.
Hình 8.14 Cảm biến kiểu áp trở
a) Phần tử áp điện dạng tấm b) Phần tử áp điện dạng ống
p
a
)

Trục
q
uan
g
Trục điện

d
D
b
)

- 141 -
Giới hạn trên của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi áp điện từ 2,5 - 100 MPa,
cấp chính xác 1,5;2. Bộ biến đổi áp điện có hồi đáp tần số rất tốt nên thờng dùng
để đo áp suất thay đổi nhanh, tuy nhiên chúng có nhợc điểm là nhạy cảm với sự
thay đổi nhiệt độ.