Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 5: Cảm biến đo biến dạng

V. CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 
Biến dạng và phương pháp đo 
Cảm biến điện trở kim loại 
Cảm biến áp trở silic 
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 ( ) : 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/mm 2 . 
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 ( ) : hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng . 
1.2. Phương pháp đo biến dạng 
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: 
	 D ựa 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 20m 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 
Cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng : 
1 
2 
3 
5 
4 
6 
7 
B ề m ặ t kh ả o sát 
C ả m bi ế n 
L ớ p b ả o v ệ 
M ố i hàn 
5. Dây d ẫ n 
6. Cáp đ i ệ n 
7. Keo dán 
2. Cảm biến điện trở kim loại 
Điện trở của cảm biến : 
; 
Với 
 (C: hằng số Bridman ) 
Với 
 Hệ số đầu đo 
2. Cảm biến điện trở kim loại 
2.2. Đặc điểm : 
Vật liệu chế tạo điện trở cần có đủ lớn . 
Hệ số đầu đo nhỏ : thông thường K = 2  3. 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 - 100 o C  300 o C: 
 (K 0 ứng với T = 25 o C, constantan K = +0,01%/ o C, isoelastic khá lớn ). 
Ảnh hưởng của biến dạng ngang sai số ( không đáng kể có thể bỏ qua). 
2. Cảm biến điện trở kim loại 
2. Cảm biến điện trở kim loại 
2. Cảm biến điện trở kim loại 
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) 
SiO 2 
Dây nối 
3. Cảm biến áp trở silic 
Điện trở của cảm biến : 
; 
Với 
 ( : hệ số áp điện trở ) 
Với 
 Hệ số đầu đo 
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 0), 
 giảm khi T>120 o C ( R <0), 
N ồ ng độ t ạ p ch ấ t/cm 3 
 ( . cm) 
10 14 
10 15 
10 16 
10 17 
10 18 
10 19 
10 -3 
10 -2 
10 -1 
1 
 ( . cm) 
-100 
0 
100 
200 
300 
400 
500 
2 
3 
T o C 
4 
5 
6 
7 
10 18 
10 20 
10 16 
10 14 
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 ( N d >10 20 /cm 3 ) K ít phụ thuộc . 
-100 
0 
100 
200 
300 
400 
500 
T o C 
40 
80 
120 
160 
180 
200 
240 
600 
10 20 
3.10 19 
5.10 18 
10 17 /cm 3 
K 
Sự phụ thuộc của K 
vào độ pha tạp và nhiệt độ 
 Phụ thuộc độ biến dạng : 
 Khi  nhỏ có thể coi K = const. 
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 ( N d >10 20 /cm 3 ) K ít phụ thuộc . 
Ưu điểm 
Hệ số đo lớn đo chính xác 
Kích thước nhỏ gọn 
Đáp ứng nhanh 
Có độ bền mỏi tốt 
Nhược điểm 
Dễ gẫy không đo được biến dạng lớn 
Hệ số đo không là hằng số 
Phi tuyến 
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ 
3. Cảm biến áp trở silic 
4. Cảm biến dây rung 
4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : 
A 
B 
l 
A 
B 0 
N 0 
l+ l 0 
 l 0 
A 
B 1 
N 1 
l+ l 1 
 l 1 
 l 
F 0 
F 0 
F 1 
F 1 
4. Cảm biến dây rung 
Tần số dao động : 
Khi có biến dạng : độ dãn do biến dạng 
Đo N 1 và N 0 
 l 0 : 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 . 
4. Cảm biến dây rung 
4.2. Đặc điểm : 
Cấu tạo đơn giản . 
Đo được biến dạng của kết cấu lớn . 
 Ứng dụng : chủ yếu trong ngành xây dựng .