Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện
Bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.
Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo
bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật
liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên
hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung
lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp
cũng được sử dụng đáng kể.
Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 16.1.
Bảng 16.1

Vật liệu

Nhiệt
Điện
Ứng lựccực
độlàm
Độthẩmthấu
ModunYoung(109N.m-2)
trởsuất(Ω.m)
đại(107N.m-2) việcTmax
(oC)

Thạch
anh

ε11 =4,5

1012

Y11=80

10

550

Muối
ε11 =350
seignette

>1010

Y11=19.3Y22=30

1,4

45

L.H.

ε11 =5.6

>1010

46

1,5

75

PZT5A

ε11 =1.700

1011

Y33=53

7-8

365

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực
các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng.
Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Trên hình 16.1 biểu
diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện.
1/6


Cảm biến áp điện

Hình 16.1: Các dạng biến dạng cơ bản
a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang
c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt
Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp

hoặc song song.

Hình 16.2 : Cách ghép các phần tử áp điện
a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song
Trường hợp ghép song song hai bản áp điện (hình 16.2a), điện dung của cảm biến tăng
gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp (hình 16.2b) điện áp hở
mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa. Những
nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu
diễn trên hình 16.2c.

Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm
Các cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm có cấu tạo như hình 16.3, chúng gồm các phiến
cắt hình vòng đệm ghép với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục.

2/6


Cảm biến áp điện

Hình 16.3: Cấu tạo của cảm biến vòng đệm thạch anh
1) Các vòng đệm 2) Các tấm đế 3) Đầu nối dây
Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ từ vài kN
(với đường kính ~ 1 cm) đến 103kN ( với đường kính ~ 10 cm).
Người ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đặt
trước (dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự sụt giảm
của lực nén. Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%.

Cảm biến thạch anh nhiều thành phần
Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo các hướng khác nhau,
khi đó chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực.

Hình 16.4: Cảm biến thạch anh nhiều thành phần
a) Ký hiệu các trục b) Các phiến cắt đặc biệt
c) Cảm biến ba thành phần vuông góc
Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26, do đó một vòng đệm cắt theo
phương của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d11), các lực ký sinh tác động theo cạnh
bên đều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu ứng của chúng
liên quan đến d12, d14 sẽ không có mặt. Tương tự như vậy, một vòng đệm cắt theo
phương Y chỉ nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) và bằng cách lắp ghép hợp lý có
thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25 (cắt theo mặt).

3/6


Cảm biến áp điện

Hai mặt cắt đặc biệt này biểu diễn trên hình 16.4b, chúng được sử dụng để chế tạo các
cảm biến thạch anh nhiều thành phần.
Trên hình 16.4c biểu diễn một cảm biến ba thành phần vuông góc gồm ba cặp vòng tròn
ghép với nhau, một cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt còn lại nhạy với lực cắt Fy và Fz
vuông góc với Fx.

Sơ đồ mạch đo
Sơ đồ tương đương của cảm biến

Hình 16.5: Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện
a) Trong dải thông rộng b) Trong dải thông có ích c) Nối với mạch ngoài
Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với một nguồn dòng mắc song song với
trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình 16.5a). Nhánh ρ, λ, γ đặc trưng cho
cộng hưởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của cảm biến. Điện trở

trong Rg là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, khi ở tần số thấp nó trở thành trở
kháng trong của cảm biến. Tụ điện Cg là điện dung của nguồn phát điện tích, khi ở tần
số trung bình và cao nó trở thành trở kháng của cảm biến.
Trên thực tế ở dải thông thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn ở
hình 16.5b.
Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tương đương điện
trở R1 và tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tương đương có dạng
hình 16.5c.
Sơ đồ khuếch đại điện áp
Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tương đương với một điện trở Re mắc song
song với một tụ Ce, khi đó mạch tương đương có dạng hình 16.6.

4/6


Cảm biến áp điện

Hình 16.6: Sơ đồ tương đương của cảm biến
mắc nối tiếp với bộ khuếch đại điện thế
Điện áp ở lối vào của khuếch đại xác định bởi công thức:

Sơ đồ khuếch đại điện tích
Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây nên ở lối
ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào. Bộ khuếch đại điện tích gồm một bộ biến đổi
điện tích - điện áp đầu vào, một tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung gian và một số
tầng khuếch đại ở đầu ra để cung cấp tín hiệu ra (hình 16.7a).
Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày trên hình
16.7b.

5/6

Cảm biến áp điện

Hình 16.7: Sơ đồ khuếch đại điện tích
a) Sơ đồ khối
b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp

6/6