Cảm biến biến dạng

LOGO
Cảm biến biến dạng
Hà Nội-2011
1.Biến dạng và phương pháp đo
1.1.Định nghĩa một số đại lượng cơ học
-Định nghĩa biến dạng : ε=∆l/l l-kích thước ban đầu
∆l-độ biến thiên kích thước.
-Giới hạn đàn hồi:Là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt qua 2% tính bằng kG/mm
2
.Ví dụ giới hạn
đàn hồi của thép ~20-80kG/mm
2
.
-Môđun Young(Y):
ε
ll
=1/Y.F/S=1/Y.σ (kG/mm
2
)
F-lực tác dụng,kG
S-tiết diện chịu lực,mm
2

σ-ứng lực,σ=F/S
ε
ll(thép)
=18.000-29.000kG/mm
2
-Hệ số poison ν : ε
⊥
=-νε

ll
(biến dạng theo phương ⊥ với lực)
Trong vùng biến dạng đàn hồi :ν≈0,3


1.2.Phương pháp đo biến dạng
Hiện nay sử dụng phổ biến 2 loại đầu đo biến dạng:
-Đầu đo diện trở:loại đầu đo dùng phổ biến nhất.Chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ
biến dạng,kích thước nhỏ:vài mm-vài cm.Khi đo được dán trực tiếp lên cáu trúc biến dạng
-Đầu đo dạng dây rung dùng trong ngành xây dựng.Đầu đo làm bằng 1 sợi dây kim loại căng giữa 2 điển
cần đo biến dạng.
2.Đầu đo điện trở kim loại.
2.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
-Dạng dây dẫn:
Dây điện trở kim loại gắn trên đế:
Đường kính dây:d≈20µm
Bề dày giá đỡ :0,1mm(giấy)
0,3mm(nhựa)

-Dạng màng lưới:
Màng kim loại chế tạo trên đế
Tạo hình dạng quang trở bằng phương pháp quang khắc
Kích thước :mm-cm
-Vật liệu:thường thuộc họ hợp kim Ni
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-volfram 92%Pt,8%W 4,1

Khi đo cảm biến được dán lên bề mặc cần đo biến dạng
Biến dạng của vật nghiên cứu →cảm biến bị biến dạng
→thay đổi R của cảm biến
Cấu trúc cảm biến:
Lưới bằng dây dẫn:điện trở suất ρ,tiết diện S
chiều dài nl (n-số đoạn)
Điện trở của cảm biến:R=ρl/S .biến dạng →∆R
Biến dạng dọc của dây → thay đổi kích thước
chiều ngang 1,b,hoặc d
Quan hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc:
ρ
ρ∆
+
∆
−
∆
=
∆
S
S
R
R



∆
ν−=
∆
=
∆

=
∆
d
d
b
b
a
a
Tiết diện dây S=a.b hoặc S=Πd
2
/4 →
Sự khác nhau giữa các loại cảm biến
phụ thuộc chủ yếu vào ∆ρ/ρ
Mặt khác,đối với đầu đo kim loại: (biểu thức Bridman)
C-hằng số Bridman

Vì V=Snl→ →

→

K-hệ số đầu đo K=1+2ν +C(1-2ν)
Vì ν≈0,3→ 2 đầu đo kim loại có K≈2
2.2.Các đặc trưng chủ yếu.
-Điện trở suất:phải đủ lớn để dây không quá dài→tăng kích thước cảm biến,không quá bé→giảm dòng đo→giảm độ
nhạy
-Hệ số đầu đo:
+Phụ thuộc vật liệu K=2-4,1
+Phụ thuộc ứng lực :


∆
ν−=
∆
2
S
S
V
V
C
∆
=
ρ
ρ∆

∆
ν−=
∆
)21(
V
V

∆
ν−=
∆
)21(C
V
V
{ }




 ∆
=
∆
ν−+ν+=
∆
.K)(C)(
R
R
2121
.Trong giới hạn đàn hồi:R phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng →K không đổi
.Ngoài vùng giời hạn đàn hồi →K phụ thuộc ứng lực
(ε> 0,5% ÷ 20% tùy thuộc vào loại v.liệu): ν = 0,5 K ≈ 2.
TD: isoelastic : K = 3,5 khi ε < 0,65% K = 2 khi ε > 0,65%
-K phụ thuộc nhiệt độ
100
0
C<T<300
0
C :K(T)=K
0
{1+α
K
(T-T
0
)}
K
0
–hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T

0
(thông thường T
0
=25
0
C)
α
K
–phụ thuộc vật liệu. nichrome: α
K
= -0,04%/
o
C
constantan: α
K
= +0,01%/
o
C
-Độ nhạy ngang:
Điện trở cảm biến: R=R
L
+R
t
→

Với : và

Các đoạn ngang (có đọ dài tổng cộng t và điện trở R
t
)

R
R
R
R
R
R
t
L
∆
+
∆
=
∆

∆
=
∆
.K
R
R
L
L
t
t
t
t

.K
R
R

∆
=
∆
Trên thực tế phải giảm kích thước phần ngang sao cho R
t
<<R
L


3.Cảm biến áp trở silic
3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
-Đầu đo loại cắt :
+đơn tinh thể silic pha tạp
+chiều dài L:từ 0,1mm đến vài mm
+kích thước nhỏ,độ nhạy ngang ~0






-Đầu đo khuếch tán:
+khuếch tán tạp vào 1 tấm đế
đơn tinh thể silic pha tạp.
+Đế loại P khuếch tán tạp nhóm
V(P,Sb) →điện trở loại N

+Đế loại N khuếch tán tạp nhóm
III(Ga,In) →điện trở loại P

Khi có lực tác dụng gây nên biến dạng,độ dẫn thay đổi →∆R/R
Bán dẫn :
K=1+2ν+πY Thông thường :K=100-200

ρ
ρ∆
+
∆
ν+=
∆


)21(
R
R

∆
π=π=
ρ
ρ∆
Y
s
F
( ){ }




 ∆
=
∆
π+ν+=
∆
→ KY21
R
R
3.2.Các đặc trưng chủ yếu:
Độ pha tạp quyết định các đặc trưng của cảm biến:
Khi độ pha tạp ↑,K↓,độ nhạy nhiệt ↓,độ tuyến tính ↑.
-Điện trở :
+phụ thuộc nồng độ pha tạp:nồng độ pha tạp tăng→mật độ dẫn điện tăng→ρ giảm xuống
+biểu thức chung:
)pn(q
pn
µ+µ
=ρ
1
q-điện tích điện tử hoặc lỗ trống(1,6.10
-19
C)
n,p-mật độ điện tử và lỗ trống tự do
µ
n
,µ
p
-độ linh động của điện tử và lỗ trống.
+phụ thuộc vào nhiệt độ:
T<120

0
C :ρ↑ theo nhiệt độ,hệ số nhiệt điện trở dương,giảm dần khi độ pha tạp tăng lên.
T>120
0
C : ρ↓ khi nhiệt độ tăng,hệ số nhiệ của điện trở âm,không phụ thuộc vào độ pha tạp.
+phụ thuộc biến dạng:
R của đầu đo bán dẫn phụ thuộc không tuyến tính vào biến dạng ε:
K
i
–phụ thuộc vào pha tạp
K
2
=10
3
-10
4

đầu đo loại P tuyến tính hơn khi chịu lực kéo
dầu đo loại N tuyến tính hơn khi chịu lực nén
3
3
2
21
ε+ε+ε=
∆
KKK
R
R
-Hệ số đầu đo K:
+phụ thuộc độ pha tạp : độ pha tạp ↑,K↓

Ví dụ:đầu đo bán dẫn Kulite:
Model H: N
d
=2.10
16
cm
-3
K=175
Model K: N
d
=10
20
cm
-3
K=45
+phụ thuộc nhiệt độ: K↓ khi nhiệt độ ↑ khi pha tạp mạnh K ít phụ thuộc vào T khi N
d
=10
20
cm
-3
K
không phụ thuộc vào T
4.Đầu đo trong chế độ động
4.1.Tần số sử dụng tối đa
-Không phụ thuộc vào vật liệu
-Phụ thuộc vào phương pháp gắn đầu đo và kích thước của nó.
-Để cho biến dạng đo được gần như đồng bộ trong phạm vi của đầu đo:
l ≤0,1λ
Trong đó : λ=v/f v-vận tốc truyền sóng và f-tần số dao động

1
.
(1 )(1 2 )
Y
v
d
ν
ν ν
−
=
+ −
d-trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo dây
f
max
=v/(10l)
4.2.Giới hạn mỏi
Biến dạng nhiều lần →tăng điện trở đầu đo do hiệu ứng mỏi,hiệu ứng càng lớn khi biên độ biến dạng càng lớn
Chu kì biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên điện trở bằng 10
-4
ứng với chu kì giả định.
5.Ứng suất kế dây rung
-Theo dõi kiểm tra các công trình xây dựng như đập,đường hầm…
-Cấu tạo: 1 dây thép căng giữa 2 giá gắn vào cấu trúc cần nghiên cứu biến dạng
-Tần số dao động của sợi dây:

→tần số dao động của dây:
→

Giả sử ∆l

0
:độ kéo dài ban đầu
và N
0
:tần số tương ứng khi chưa có biến dạng

Vì ∆l=∆l
1
-∆l
0
,suy ra :
N
1
,N
0
có thể tính được biến dạng của cấu trúc

1
2
F
N
l Sd
=
1
.
2
Y l
N
l d l
∆

=
2
2 2
4l l d
N KN
l Y
∆
= =
2
0
0
l
KN
l
∆
=
2 2
1 0
( )
l
K N N
l
∆
= −
M t sè lo¹i c¶m biÕn biÕn d¹ng:ộ
SUPERFLEX
Cảm biến áp điện thăm dò để đo biến dạng và các lực bên trong các bộ phận máy.
Một SUPERFLEX đặc biệt-Công cụ có sẵn cho vị trí và để thắt chặt các cảm biến một cách chính
xác.
H·ng s¶n xuÊt:Bestech Australia

Nguån vµo:2,5-10V
SUPERFLEX-S
Cảm biến áp điện thăm dò để đo biến dạng và lực lượng bên trong các bộ phận má
của lực cần đo
Một nắp bảo vệ có sẵn để bảo vệ các đầu cảm biến và ®Çu dây cáp từ thiệt hại bên ngoài.