Cảm biến công ngiệp-chuong 5

Một số khái niệm cơ bản về biến dạng: Biến dạng tương đối ε: 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

Chương 5 CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG

1 Biến dạng và phương pháp đo

2 Cảm biến điện trở kim loại

3 Cảm biến áp trở silic

4 Đầu đo trong chế độ động

5 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 (ε): 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/mm2

l

l

∆

= ε

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 (ν): hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng

σ

=

=

ε

Y

1 S

F Y

1

||

||

νε

−

=

ε⊥

1.2 Phương pháp đo biến dạng

a) 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: dựa 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 µ 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

Bạch kim -

vonfram

2 Cảm biến điện trở kim loại

• Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:

7

1.Bề mặt khảo sát 2.Cảm biến

3.Lớp bảo vệ 4.Mối hàn

5 Dây dẫn

6 Cáp điện

7 Keo dán

2 Cảm biến điện trở kim loại

• Điện trở của cảm biến:

S

l

R =ρ.

ρ

ρ

∆ +

∆

−

∆

=

∆

S

S l

l R

R

⇒

l

l S

S = − ν ∆

; Với

l

l C

V

V

C ∆ = − ν ∆

= ρ

ρ

∆ (1 2 ) (C: hằng số Bridman)

l

l K l

l C

R

R = + ν + − ν ∆ = ∆

∆

2

1 2

1

⇒

Với K = (1 + 2 ν) (+ C 1 − 2 ν) ≈ 2 → Hệ số đầu đo

2 Cảm biến điện trở kim loại

2.2 Đặc điểm:

Vật liệu chế tạo điện trở cần có ρ đủ lớn.

Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 ÷ 3, (isoelastic có K = 3,5 và platin-vonfram K = 4,1) 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 - 100oC ÷ 300oC:

(K0 ứng với T = 25oC, constantan α K = +0,01%/oC, isoelastic khá lớn).

• Ảnh hưởng của biến dạng ngang → sai số (không đáng kể có thể bỏ qua)

( )T K0[1 (T T0) ]

K = + αK −

3 Cảm biến áp trở silic

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

P P N

N NN N N

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)

SiO2

Dây nối

3 Cảm biến áp trở silic

• Điện trở của cảm biến:

S

l

R =ρ.

ρ

ρ

∆ +

∆

−

∆

=

∆

S

S l

l R

R

⇒

l

l S

S = − ν ∆

; Với

(π: hệ số áp điện trở)

( )

l

l K l

l Y

R

R = + ν + π ∆ = ∆

∆

2

1

⇒

Với K = 1 + 2 ν + πY = 100 ÷ 200 → Hệ số đầu đo

l

l

Y ∆ π

= πσ

= ρ

ρ

∆

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 <120oC ( α R>0),

giảm khi T>120oC ( α R<0),

) p n

( q

1

p

n + µ µ

=

ρ

Nồng độ tạp chất/cm3

ρ ( Ω cm)

1014 1015 1016 1017 1018 1019 10-3

10-2 10-1 1

ρ ( Ω cm)

2 3

ToC

45

67

101 81020 1016 1014

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

(Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc

-100 0 100 200 300 400 500

ToC

40 80

120160

180200 240

600

102 0

3.101 9

5.101 8 1017/cm3 K

Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp và nhiệt độ

• Phụ thuộc độ biến dạng:

Khi ε nhỏ → có thể coi K = const

2 2 2

1 K K K

K = + ε + ε

4 Đầu đo trong chế độ động

4.1 Yêu cầu về tần số sử dụng tối đa (fmax):

Điều kiện:

Với: l - chiều dài nhánh điện trở;

v - vận tốc truyền sóng đàn hồi:

l 10

V

f max = λ

1 , 0

( ν )( ν )

ν

2 1 1

1

d

Y V

− +

−

=

4 Đầu đo trong chế độ động

4.2 Yêu cầu về giới hạn mỏi: cảm biến

phải có giới hạn mỏi (số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên

điện trở bằng 10-4 ứng với chu kỳ biến dạng giả định) đủ lớn theo yêu cầu làm việc.

5 Cảm biến dây rung

5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

A

B l

A

B0 N0

l+ ∆ l0

∆ l0

l+ ∆ l1

∆ l1

∆ l

F0 F0

5 Cảm biến dây rung

• Tần số dao động:

Khi có biến dạng: độ dãn do biến

∆ l0: 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.

l

l

d

Y l

2

1 Sd

F l

2

1

2 0

2

Y

ld

4 l

l

=

=

∆

2 1

1 K N l

l

=

∆

0

1 l l

0

2

N

K l

l

−

=

∆

l l

∆

5 Cảm biến dây rung

5.2 Đặc điểm:

• Cấu tạo đơn giản.

• Đo được biến dạng của kết cấu lớn.

⇒ Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.