Nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ ĐỨC KIÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG
SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

VŨ ĐỨC KIÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG
SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN

Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.BÙI THANH TÙNG

HÀ NỘI – 2019


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học công nghệ, các loại cảm biến đƣợc
ứng dụng rộng rãi vào đời sống hằng ngày của chúng ta.Khoa học kỹ thuật hiện
đại tạo ra những loại cảm biến giúp cho chất lƣợng cuộc sống chúng ta cao hơn,
dễ dàng hơn. Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men
xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến
biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic,
cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện
trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần
nghìn. Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng
dụngtrong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các
điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc
phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn
do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế.
Luận vănnày trình bày về nghiên cứu phát triểnmột cảm biến có khả năng
đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã
đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện
đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho
thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm
biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay
và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban
đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp
với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu.

1

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu vàphát triển cảm biến
biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện” với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Bùi
Thanh Tùng. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn
thành luận văn này, nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Bùi Thanh
Tùng. Đƣợc thầy hƣớng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả.
Tôi cũng xin gƣ̉i lời cảm ơn đế n các thầ y , cô giáo và ba ̣n bè trong lớp K 23
Kỹ thuật điện tử, Khoa Điê ̣n Tƣ̉ – Viễn Thông, Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ,̣ Đa ̣i
Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi.
Cuố i cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi , cơ quan tôi đang công
tác, nhƣ̃ng ngƣời đã ta ̣o điề u kiê ̣n cho tôi ho ̣c tâ ̣p và nghiên cƣ́u . Gia điǹ h là đô ̣ng
lƣ̣c cho tôi vƣơ ̣t qua nhƣ̃ng thƣ̉ thách , luôn luôn ủng hô ̣ và đô ̣ng viên t ôi hoàn
thành luận văn này.

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luâ ̣n văn này là s ản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm
hiểu của cá nhân dƣới sự hƣớng dẫn và chỉ bảo của các thầy hƣớng dẫn , thầ y cô
trong bô ̣ môn, trong khoa và các bạn bè . Tôi không sao chép các tài liệu hay các
công trình nghiên cứu của ngƣời khác để làm luận văn này.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

Vũ Đức Kiên

3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. 9
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................... 10
TỔNG QUAN Về CảM BIếN BIếN DạNG ..................................................... 10
PHƢƠNG PHÁP ĐO BIếN DạNG ............................................................... 11
PHÂN LOạI CảM BIếN BIếN DạNG ............................................................ 12
1.3.1. Đầu đo điện trở kim loại .............................................................. 12
1.3.2 Cảm biến áp trở Silic .................................................................... 15
1.3.3 Đầu đo trong chế độ động ............................................................ 19
1.3.4 Ứng suất kế dây rung .................................................................... 20
1.4. ỨNG DụNG CảM BIếN BIếN DạNG ........................................................... 21
1.5. NộI DUNG VÀ PHạM VI NGHIÊN CứU ...................................................... 10
1.1.
1.2.
1.3.

CHƢƠNG II. CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN
ĐIỆN .................................................................................................................... 24
2.1 CHấT LỏNG DẫN ĐIệN (IONIC LIQUID)......................................................... 24
2.2 CảM BIếN BIếN DạNG Sử DụNG CHấT LỏNG .................................................. 26
2.2.1 Chế tạo cảm biến .......................................................................... 27
2.2.2 Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến .......... 28
2.2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều ..................................... 32
2.2.4Đặc tính của cảm biến ................................................................... 34

CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ
ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY ........................................................................ 40
3.1 Mạch đo ........................................................................................... 40
4


3.2 Thu thập xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến ........................................ 44
3.3 Kết quả ............................................................................................. 45
KẾT LUẬN................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 49

5


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

𝜀
F

Ý nghĩa
Biến dạng

kG mm2

Lực tác dụng

mm2

Tiết diện

𝜍

%

Ứng suất

Y

kG/mm2

S

Hằng số Bridman

𝐶
𝑉

𝑚3

𝑑

Kg/m3

𝜆

m

GF

Mô đun đàn hồi (Young mô đun)

Thể tích dây
Khối lƣợng riêng
Chiều dày bƣớc sóng
Hệ số Gauge factor

6


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1

Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại

12

Hình1.2

Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát

13

Hình1.3

Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt

16

Hình1.4

Đầu đo loại khuếch tán

16

Hình1.5

Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ 18
dƣơng và giảm dần khi nhiệt độ tăng lên

Hình1.6

Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp

18

Hình1.7

Cảm biến biến dạng

22

Hình1.8

Dán cảm biến lên đo mô men xoắn

22

Hình1.9

Hệ tua bin máy phát

23

Hình1.10

Cảm biến đo mô men xoắn

23

Hình2.1

Một số ứng dụng của chất lỏng ionic liquid

25

Hình2.2

Biến dạng của vật thể khi có lực tác dụng

26

Hình2.3

Mô hình cảm biến biến dạng

28

Hình2.4

Cảm biến biến dạng

28

Hình2.5

Cảm biến ở trạng thái ban đầu

30

Hình2.6

Cảm biến sau khi bịkéo dãn ra thêm ∆l

30

Hình2.7

Sơ đồ khối mạch điện

30

Hình2.8

Khối ghim dòng

31

Hình2.9

Bộ lọc thông dải

31

Hình2.10

Mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh

32

Hình2.11

Kết quả khảo sát nguồn dòng.

32

Hình2.12

Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sau khi đƣợc khuếch đại và lọc

33

7


Hình2.13

Tín hiệu tại lối ra mạch điện, trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển

Hình2.14

Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc kéo dãn 35
theo chiều dài.

Hình2.15

Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu cảm biến) và 36
biến dạng của điện trở do kéo dãn

Hình2.16

Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc ép 37
ngang trục

Hình 2.17

Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu lối ra mạch thu 38
thập dữ liệu cảm biến) và biến dạng của điện trở do bị ép ngang
trục.

Hình 3.1

Sơ đồ khối bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ
nhiều cảm biến.

Hình 3.2

Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu 41

từ nhiều cảm biến

Hình 3.3

Mạch điện chế tạo thực tế

42

Hình 3.4

Mạch Arduino Uno R3

42

Hình 3.5

Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng trên Unity

43

Hình 3.6

Kết quả khảo sát hoạt động mạch thu thập dữ liệu từ nhiều cảm 44
biến

Hình 3.7

Hình ảnh mô phỏng cử chỉ các ngón tay trên phần mềm Unity.

8

34

39

46


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni

9

12


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1.

Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của
trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng:
cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu
đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có
độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn. Cảm biến
biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế,
đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn
và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm
biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn do đó cần thiết

để sử dụng cho các bài toán thực tế.
Luận văn này trình bày về nghiên cứu phát triển một cảm biến có khả năng
đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã
đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện
đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho
thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm
biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay
và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban
đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp
với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu.
1.2.

Tổ ng quan vềcảm biến biến dạng

Biến dạng sẽ xảy ra trong môi trƣờng chịu áp lực và dƣới tác dụng của lực
cơ học. Với một kết cấu chịu lực thì độ an toàn và khả năng làm việc bị phụ
thuộc rất lớn vào biến dạng của các cấu trúc. Ngoài ra ứng lực có mối liên hệ với
biến dạng, do vậy chúng ta có thể xác định đƣợc ứng lực khi đo biến dạng của nó
tạo ra. Do vậy đo đạc biến dạng là vấn đề rất đƣợc chú ý trong kỹ thuật.[1]
Biến dạng 𝜀 đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa độ biến thiên kích thƣớc (∆𝑙) và
kích thƣớc ban đầu (l):
∆𝑙

𝜀= 𝑙

(1.1)
10


Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất

theo.Biến dạng mà vẫn còn ngay cả sau khi ứng lực bị triệt tiêu hết thì đƣợc gọi
là biến dạng dƣ.
Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa khônggây nên biến dạng dẻo vƣợt
quá 2 %, tính bằng kG/mm2 . Thí dụ thép có giới hạn đàn hồi ~ 20-80 kG/
mm2[2].
-

Mô đun Young(Y): Biến dạng của ứng lực đƣợc xác định bởi biểu

thức:

ℇ𝐼𝐼 =

1𝐹
𝑌𝑆

1

= 𝜍
𝑌

(1.2)

F- lực tác dụng, kG
S- tiết diện chịu lực, mm2 .
𝜍 -ứng lực,𝜍 = 𝐹/𝑆
Đơn vị đo mo đun Young là kG/mm2 . Vật liệu thép có Y ~ 18.000 – 29.000
kG/mm2 .
-

Biến dạng theo phƣơng vuông góc với lực tác dụng đƣợc xác định bởi

hệ số poison ν:
𝜀 1 =−𝑣𝜀 1

(1.3)

Trong vùng biến dạng đàn hồiν ≈ 0,3.
1.3.

Phƣơng pháp đo biến dạng

Khi một vật chịu tác dụng của một lực sẽ gây ra biến dạng trong kết cấu
của vật đó. Từbiến dạng của vật ta có thể tính toán đƣợc lực tác dụng lên vật.
Cảm biến biến dạng thƣờng đƣợc dùng để đo các biến dạng, có thể gọi cảm biến
biến dạng là các đầu đo biến dạng.
Để đo biến dạng thì các loại cảm biến thông dụng hay đƣợc sử dụng hiện
nay bao gồm:

11


- Đầu đo điện trở: Với vật liệu mà có tính chất điện trở thay đổi theo sự thay đổi
của độ biến dạng, với kích thƣớc thay đổi từ vài mm đến vài cm, ngƣời ta sẽ chế
tạo ra cảm biến đầu đo điện trở, phƣơng pháp thực hiện là gắn đầu đo điện trở lên
cấu trúc biến dạng.Đầu đo điện trở hiện nay là loại đầu đo đƣợc dùng nhiều nhất.
- Đầu đo dạng dây rung: Cấu tạo đầu đo dây dung từ hai điểm cố định của cấu trúc
cần đo biến dạng ta dùng một sợi dây kim loại nối căng giữa hai điểm đó. Mỗi
loại dây rung có một tần số và tỷ lệ với sức căng cơ học của dây, khi khoảng cách
hai điểm nối thay đổi thì kéo theo tần số cũng thay đổi. Ở ngành công nghiệp đầu

đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc sử dụng, trong ngành xây dựng các loại đầu
đoứng suất kế dây rung, đầu đo điện trở bán dẫn- áp điện trở, và các đầu đo trong
chế độ động thƣờng đƣợc sử dụng.
1.4.

Phân loại cảm biến biến dạng

1.4.1.Đầu đo điện trở kim loại
 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Các loại đầu đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng lƣới. Cấu tạo
đầu đo dạng lƣới dây, đầu đo đƣợc chế tạo từ dây điện trở có tiết diện tròn (đƣờng
kính d ≈ 20 𝜇m) hoặc tiết diện chữ nhậta x b (hình 1.1a). Đầu đo dạng lƣới màng
chế tạo bằng phƣơngpháp mạch in (hình 1.1b). Số nhánhn của cảm biến thƣờng từ
10-20 nhánh. [3]

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại[1]
a) Đầu đo dùng dây quấnb) Đầu đo dùng lƣới màng
Khi chế tạo đầu đo thì đế cách điện mỏng bằng giấy với độ dày khoảng 0,1mm
hoặc đế cách điện bằng chất dẻo độ dày khoảng 0,03mm (epoxy hoặc polyimide)
12


sẽ đƣợc dùng để cố định cảm biến lên trên. Họ hợp kim Ni thƣờng đƣợc dùng
làm vật liệu điện trởđƣợc mô tả trong bảng(bảng 1.1)
Bảng 1.1: Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni[1]
Loại hợp kim

Thành phần (%)

Hệ số độ nhạy K

Constantan

55% Cu, 45% Ni

2.1

Isoclastic

36%Ni,52%Fe,8%Cr,4%(Mn+Mo)

3.5

Karma

20% Cr, 74% Ni,3%Cu,3%Fe

2.1

Nicrome V

20% Cr,80%Ni

2.5

Bạch kim -vonfram

8%W, 92%Pt

4.1

Với một cấu trúc cần đo biến dạng thi cảm biến sẽ đƣợc gắn lên bề mặt của
cấu trúc đó(hình 1.2), kết quả là cảm biến và cấu trúc cần đo sẽ cùng bị một biến
dạng giống nhau.

Hình 1.2Đầu đo cố định lên trên bề mặt cần đo biến dạng [3]
1. Bề mặt khảo sát2) Cảm biến3) Lớp bảo vệ4) Mối hàn
5) Dây dẫn6) Cáp điện7) Keo dán
Điện trở của cảm biến đƣợc xác định bởi công thức sau:
R=

𝜌𝑙

(1.4)

𝑆

Với: R là điện trở của dung dịch trong ống silicone(ohm), 𝑙 là chiều dài ống, S là
thiết diện lòng trong ống, 𝜌 điện trở suất của dung dịch
Phƣơng trình sai phân:

13


∆𝑅
𝑅

=

∆𝑙

−

𝑙

∆𝑆
𝑆

+

∆𝜌

(1.5)

𝜌

Tiết diện có biến dạng ngang trục bởi vì do tác động của biến dạng dọc trục ảnh
hƣởng, chúng có liên hệ với nhau theo biểu thức sau:
∆𝑎
𝑎

=

∆𝑏

∆𝑑

=

𝑏

𝑑

= −𝑣

∆𝑙

(1.6)

𝑙

Tiết diện ngang của dây S = ab hoăc S = 𝜋𝑑 2 /4, ta có:
∆𝑆
𝑆

= −2𝑣

∆𝑙

(1.7)

𝑙

Ở đầu đo kim loại, ta có:
∆𝜌
𝜌

=𝐶

∆𝑉

(1.8)

𝑉

C – hằng số Bridman
V – thể tích dây
Vì V = S.l, ta có:
∆𝑉
𝑉

= (1 − 2𝑣)

∆𝑙

(1.9)

𝑙

Và:
∆𝜌
𝜌

= 𝐶(1 − 2𝑣)

∆𝑙

(1.10)

𝑙

Vậy ta có:
∆𝑅
𝑅

=

1 + 2𝑣 + 𝐶 1 − 2𝑣

∆𝑙
𝑙

=𝐾

∆𝑙
𝑙

(1.11)

Với K: là hệ số độ nhạy cảm biến
Công thức tính toán hệ số độ nhạy cảm biến:
K = 1 + 2ν + C(1 - 2ν)

(1.12)

Ta có với đầu đo kim loại do ν≈ 0,3 và C≈ 1 nên K≈ 2.
 Đầu đo điện trở kim loại bao gồm những đặc trƣng sau:
- Điện trở suất: là đặc tính quan trọng trong việc chế tạo đầu đo, nếu dây quá
dài thì kích cỡ của cảm biến sẽ tăng lên do vậy điện trở suất của vật liệu phải
14

tƣơng đối lớn để kích cỡ của cảm biến cảm không bị ảnh hƣởng. Độ nhạy của
cảm biến tỷ lệ thuân với dòng đo, tiết diện tăng thì dòng đo sẽ tăng và ngƣợc
lại, do vậy tiết điện dây cũng phải đủ lớn để độ nhạy cảm biến đƣợc tốt.
- Hệ số độ nhạy cảm biến: K = 2 -3, đối với isoelastic có K= 3,5 và platin –
vonframK = 4,1.
- Tác động của lực lên độ tuyến tính: điện trở của đầu đo tuyến tính với độ biến
dạng do vậy hệ số độ nhạy đầu đo là không đổi ở trong giới hạn đàn hồi. Mặt
∆𝑙

khác nếu vƣợt qua giới hạn đàn hồi, khi > 0,5% − 20%phụ thuộc vào vật
𝑙

liệu, hệ số độ nhạy K ≈ 2.
- Tác động của nhiệt độ: đối với isoelastic bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ, ngoài ra
thì hệ số độ nhạy đầu đo không chịu tác động nhiều của nhiệt độ. Với nhiệt độ
từ -100° C đến 300° Cthì nhiệt độ tác động lên hệ số độ nhạy K theo công
thức sau:
K(T) =𝐾0 {1 +∝𝐾 (T-𝑇0 )}

(1.13)

trong đó:𝐾0 – hệ số độ nhạy ở nhiệt độ chuẩn 𝑇0 (với𝑇0 = 25° 𝐶)
∝𝐾 – hệ số, tùy vào loại vật liệu. Với Nichrome V thì ∝𝐾 = −0,04 %/° C,
constantan∝𝐾 = + 0,01 %/° C
-Độ nhạy ngang: ta có tổng điện trở cảm biến bằng R =𝑅𝐿 + 𝑅𝑡 , với 𝑙𝑡 chiều dài
nhánh ngang của cảm biến có và điện trở trở 𝑅𝑡 ,𝑅𝐿 điện trở nhánh dọc cảm biến.
Ta có,𝑅𝑡 và R có mối quan hệ tỷ lệ với nhau, đoạn ngang sẽ bị biến dạng trong
quá trình biến dạng. Kết quảtác động của biến dạng ngang là không quá lớn do

𝑅𝑡 ≪ 𝑅𝐿 .
1.4.2 Cảm biến áp trở Silic
 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Vật liệu chế tạo đầu đo bán dẫn là đơn tinh thểsilic pha tạp. Phƣơng pháp
chế tạo ảnh hƣởng rất lớn đến cấu tạo của đầu đo.
Đầu đo loại cắt: đƣợc làm từ những mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha
tạp và có sơ đồ cấu tạo nhƣ hình 1.3. Đối với bán dẫn Si loại P các mẫu cắt đơn
tinh thể đƣợc lấy song song với đƣờng chéo của tinh thể lập phƣơng, đối với bán
15


dẫn Si loại N sẽ lấy song song với cạnh lập phƣơng. Độ dài trung bình của từng
mẫu cắt là từ 0,1 mm tới một vài milimet và có bề dày khoảng 10−2 mm. Để có
cách điện tốt các mẫu cắt đƣợc gắn lên các đế cách điện làm bằng vật liệu nhựa
cách điện.

Hình 1.3Cảm biến áp trở chế tạo từ các mẫu cắt[1]
Đầu đo khuếch tán: điện trở của đầu đo đƣợc tạo ra từ một đế đơn tinh thể
Si pha tạp đƣợc khuếch tán tạp chất[1].Cấu tạo của đầu đo khuếch tánthể hiện ở
hình vẽ 1.4.

Hình 1.4Cảm biến áp trở bán dẫn [1]
Ở bảng tuần hoàn hóa học, từ một loại tạp chất ở nhóm V sẽ đƣợc khuếch
tán vào đế Si loại P thì ta sẽ nhận đƣợc điện trở loại N, loại tạp ở nhóm V đó có
thểlà Antimon(Sb) hoặc Phốt pho (P). Chúng ta cần đế Si và điện trở của cảm
biến phải đƣợc ngăn cách với nhau nên ở vùng giữa chuyển tiếp đế và khoảng
khuếch tán sẽ sinh ra hiệu ứng của một đi ốt phân cực ngƣợc (đi ốt mà có vùng P
luôn âm hơn vùng N là đi ốt phân cực ngƣợc).
Biểu thức tính toán sự thay đổi điện trở đầu đo của bán dẫn giống biểu thức
đầu đo kim loại:

∆𝑅
𝑅

=

∆𝑙
𝑙

−

∆𝑆
𝑆

+

∆𝜌
𝜌

(1.14)

Sự thay đổi điện trở suất khi có ứng lực tác dụng ở đầu đo bán dẫn đƣợc xác định
theo công thức:
16


∆𝜌
𝜌

= 𝜋𝜍 = 𝜋𝑌

∆𝑙

(1.15)

𝑙

Trong đó 𝜋 là hệ số áp điện trở đầu đo, 𝜍 là ứng lực tác dụng đầu đo.
Vậy:
∆𝑅
𝑅

= { 1 + 2𝑣 + 𝜋𝑌}

∆𝑙
𝑙

(1.16)

Và hệ số độ nhạy cảm biến:
K = 1 + 2v + 𝜋𝑌
Thông thƣờng K = 100 – 200.
 Đầu đo cảm biến áp trở silic bao gồm những đặc trƣng sau:
Độ pha tạp rất quan trọng ảnh hƣởng đến đặc trƣngcủa đầu đo bán dẫn.
- Điện trở:
Điện trở suất của vật sẽ giảm nếu mật độ hạt dẫn ở trong vật tăng điều này
đúng khi độ pha tạp tăng lên. Đây là tác động chính của độ pha tạp. Công thức
của điện trở suất có dạng:
𝜌=

1

𝑞(𝜇 𝑛 𝑛 +𝜇 𝑝 𝑝)

Q – giá trị tuyệt đối củalỗ trốnghoặc diện tích điện trở .
n, p –lỗ trống tự do và mật độ điện tử.
𝜇𝑛 , 𝜇𝑝 - độ linh động của lỗ trống và điện tử

17

(1.17)


Hình 1.5Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến điện trở suất vào nồng độ pha tạp[1]
Tác động của nhiệt độ: Nếu độ pha tạp tăng thì hệ số nhiệt điện trở có giá trị
dƣơngvà sẽ giảm dầnở nhiệt độ nhỏ hơn 120°C.Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện
trở có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp.
- Hệ số độ nhạy K:

Hình 1.6 Ảnh hƣởng độ pha tạp với hệ số độ nhạy K[2]

18


Tác động của độ pha tạp: Hệ số độ nhạy bị ảnh hƣởng bởi độ pha tạp, khi
độ pha tạp giảm đi, hệ số độ nhạy cảm biến tăng lên và ngƣợc lại(hình 1.6)
Tác động của độ biến dạng: Hệ sốđộ nhạy ảnh hƣởng bởi độ biến dạng
bằng biểu thức sau:
K =𝐾1 + 𝐾2 𝜀 + 𝐾2 𝜀 2

(1.18)

Ta có hệ số độ nhạy K sẽ là một giá trị không đổi khi độ biến dạng đạt giá
trị cực đại.
Tác động của nhiệt độ: Hệ số độ nhạy tăng khi nhiệt độ giảm và ngƣợc lại,
ta có hệ số độ nhạy sẽ ít bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ nếu độ pha tạp lớn ( khoảng
𝑁𝑑 = 1020 𝑐𝑚−3 )
1.4.3Đầu đo trong chế độ động
Vật liệu để sản xuất ra đầu đo không ảnh hƣởng đến tần số của đầu đo
nhƣngtần số làm việc của đầu đo lại bị ảnh hƣởng bởi kích thƣớc đầu đo và cách
thức gắn đầu đo. Ở tần số dao động lớn khoảng >10−6 Hz với vật liệu silic thì sẽ
không làm giảm bớt các dao động.
Ở dao động cơ học nếu chiều dài của các nhánh (l) nhỏ hơn nhiều so với bƣớc
sóng 𝜆 thì những biến dạng đầu đo sẽ đƣợc đồng bộ với phạm vi của đầu
đo.Chiều dài của các nhánh(l) với độ dài của bƣớc sóng phải thỏa mãn biểu thức:
1 ≪ 0,1 𝜆

(1.19)

Độ dài bƣớc sóng 𝜆 của dao động cơ học đƣợc tính toán qua công thức sau:
𝜆=

v

(1.20)

𝑓

Trong đó: v là vận tốc truyền sóng
f là tần số dao động.
v=

𝑌

.

1−𝑣

𝑑 (1+𝑣)(1−2𝑣)

Y –là mô đun Young

𝑣 – hệ số poisson
19

(1.21)


d – khối lƣợng riêng vật liệu chế tạo dây
Độ dài nhánh của đầu đo bằng l thì dao sẽ đạt tần số cực đại 𝑓𝑚𝑎𝑥 đƣợc tính toán
qua biểu thức:
𝑓𝑚𝑎𝑥 =

𝑣
10.1

(1.22)

 Giới hạn mỏi
Giới hạn mỏi là nguyên nhân ảnh hƣởng đến biến dạng xảy ra lặp đi lặp lại sẽ
làm điện trở đầu đo lên cao, độ biến dạng càng lớn nếu hiệu ứng mỏi càng lớn.
Từ chu kỳ biến dạng N với biên độ biết trƣớc tạo ra sự thay đổi điện trở

khoảng 10−4 ở chu kỳ biến dạng giả định ta sẽ xác dịnh đƣợc giá trị của giới hạn
mỏi. Ở biên độ biến dạng khoảng± 2.10−3 giá trị của giới hạn mỏi biến thiên
trong khoảng 10−4 (constantan) đến 108 (isoelastic) chu kỳ.
1.4.4 Ứng suất kế dây rung
Khi muốn giám sát và đánh giá các hạng mục xây dựng nhƣ tòa nhà, cầu
cống đƣờng hầm, đập… ngƣời ta dùng ứng suất kế dây rung.
Cấu tạo ứng suất kế dây rung: với một cấu trúc cần đánh giá biến dạng ta
dùng một dây thép căng giữa hai giá đƣợc cố định vào cấu trúc. Để xác định
đƣợc độ lớn của biến dạng ta tiến hành đo đạc tần số dao động của dây, tần số
dao động của dây đƣợc xác định khi có biến dạng sự căng cơ học của dây kéo
theo sự biến đổi của tần số dao độngN của dây.
Tần số dao động của dây đƣợc tính toán theo biểu thức:
𝑁=

𝑙

𝐹

2𝑙

𝑆𝑑

(1.23)

l – khoảng cách ở giữa hai điểm căng dây.
F – lực tác dụng.
S – tiết diện dây.
d – khối lƣợng riêng vật liệu chế tạo dây.
Khi tác dụng lực F, độ dài dây sẽ thay đổi một khoảng∆𝑙 và đƣợc tính toán theo
công thức:

20


∆𝑙
𝑙

=

1𝐹

(1.24)

𝑌𝑆

Công thức xác định tần số dao động của dây:
𝑁=

𝑙

𝑌 ∆𝑙

2.𝑙

𝑑𝑙

(1.25)

Vậy ta có:
∆𝑙

=

𝑙

4𝑙 2 𝑑
𝑌

𝑁 2 = 𝐾𝑁 2

(1.26)

Giả thiết∆𝑙0 là độ kéo dài ban đầu và 𝑁0 là tần số tƣơng ứng khi biến dạng chƣa
xảy ra:
∆𝑙 0
𝑙

= 𝐾𝑁02

(1.27)

Khi biến dạng xảy ra, độ kéo dài tổng cộng của dây là ∆𝑙1 và tần số là 𝑁1 , ta có:
∆𝑙 1
𝑙

= 𝐾𝑁12

(1.28)

Vì độ kéo dài do biến dạng ∆𝑙 = ∆𝑙1 -∆𝑙0 , suy ra:

∆𝑙
𝑙

= 𝐾(𝑁12 − 𝑁02 )

(1.29)

Đo 𝑁0 và 𝑁1 ta có thể tính đƣợc biến dạng của cấu trúc cần đánh giá.
1.5.

Ứng dụng cảm biến biến dạng

Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ dùng để
đo mô men xoắn của trục, ở các chi tiết cơ khí cảm biến biến dạng đo các biến
dạng bề mặt, ứng dụng dùng để đo lực, dùng để chế tạo cảm biến đo ứng suất,
cảm biến trọng lƣợng…
Ứng dụng cảm biến biến dạng đo lực: Để thực hiện thí nghiệm ta gắn cảm
biến vào vật chịu tác dụng lực cho biến dạng của cảm biến với biến dạng của vật
chịu tác dụng lực là giống nhau, khi vật chịu tác dụng lực thì cảm biến cũng vậy
và từ sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra đƣợc lực tác dụng.

21


Giáđỡ
Vậtchịutácdụnglực
Lựctácđộng F

Cảmbiến
Hình 1.7Cảm biến biến dạng

Khi vật bị tác dụng bởi một lực F thì vật sẽ biến dạng theo phƣơng ứng lực
một lƣợng ε:
ℇ=

∆𝑙
𝑙

1

1𝐹

= 𝑌𝜍 = 𝑌𝑆

(1.30)

Trong đó ε: là biến dạng vật thể

𝜍: là ứnglực
Y: là module Young(vật khác nhau thì module Young khác nhau)
S: tiết diện của vật
F: là lực tác dụng
Ứng dụng đo mô men xoắn dùng cảm biến biến dạng: Quy trình thí
nghiệm, ta gắn hai cảm biến lên trục quaytheo hƣớng của ứng suất(nghiêng 45 độ
so với trục) và hai cảm biến biến dạng có trục vuông góc với nhau đƣợc bố trí sao
cho một cảm biến nén và một cảm biến sẽ giãn.

Hình1.8Dán cảm biến lên đo mô men xoắn
Khi chịu tác dụng của lực, sẽ xuất hiện biến dạng trên bề mặt trục quay:
22

ℇ=

∆𝑙
𝑙

=

4
3𝑌

𝑦=

4 16𝑇
3𝑌 𝜋𝐷 2

(1.31)

Với:Y là module Young, T là mômen tác động lên trục, D là bán kính bề mặt
trục.
Hình ảnh ví dụ hệ đo mô men trục của tuabin máy phát

Hình 1.9 Hệ tua bin máy phát[3]Hình 1.10 Cảm biến đo mô men xoắn[2]

23