CẢM BIẾN ÁP SUẤT mẫu slide thuyết trình cho kỹ thuật cảm biến

cảm biến áp suất, cảm biến đo lựcCảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện. Thiết bị thường được dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan đến áp suất.

Cảm biến áp

suất Nhóm 13

đo áp suất

Công tắc

áp suất

Cảm biến

áp suất màng sọc

co giãn kim loại

Các phương pháp đo

áp suất khác

Cảm biến

đo lực

N

● Áp suất là tỷ số giữa lực tác dụng vuông góc trên một đơn vị diện tích

● Áp suất là một đại lượng cơ bản để xác định trạng thái các thiết bị công nghệ và chế độ vận hành của chúng được xác định bằng nhiều cách khác nhau.

● Áp suất là tỷ số giữa lực tác dụng vuông góc trên một đơn vị diện tích

● Áp suất là một đại lượng cơ bản để xác định trạng thái các thiết bị công nghệ và chế độ vận hành của chúng được xác định bằng nhiều cách khác nhau.

Áp suất chân không : Là áp suất ở môi

trường không trọng lực, áp suất chân

không là 0 bar

Chân không quyển Khí Tương đối Tuyệt đối

• Từ định nghĩa: P = F/A Với P- áp suất , F- Lực (N); A- Diện tích tiếp xúc(m2).

• Theo hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa)

• Theo hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa)

đo áp suất

Dạng

áp suất cần đo

Cấp chính xác

Nguyên

lý hoạt động

Dựa theo dạng áp

suất cần đo

 Áp kế đo áp suất dư

 Áp kế tuyệt đối để đo áp suất tính

từ độ 0 tuyệt đối

 Khí áp kế để đo áp suất khí quyển

 Chân không kế để đo độ chân

không

Công tắc áp suất

N

● Công tắc áp suất dầu

● công tắc áp suất nước

● Công tắc áp suất dầu

● công tắc áp suất nước

Công tắc áp suất khí nén Công tắc áp suất thủy lực

Phân loại

Công tắc áp suất nước

bị nén lúc đó pitong sẽ không bị đẩy, công tắc hành trình không bị tác động Nếu áp suất khí lớn hơn sức căng của lò xo thì lò xo sẽ bị ép lại, pittong bị đẩy lùi

về phía sau làm cho công tắc hành trình tác động Để thay đổi giá trị áp suất khí cần tác động ta dùng vít chỉnh độ căng của lò xo

Sức căng của lò xo quyết định giá trị áp suất mà công tắc tác động Khi cấp khí vào đầu vào cấp khí, nếu áp suất khí nhỏ hơn sức căng của lò xo thì lò xo sẽ không

bị nén lúc đó pitong sẽ không bị đẩy, công tắc hành trình không bị tác động Nếu áp suất khí lớn hơn sức căng của lò xo thì lò xo sẽ bị ép lại, pittong bị đẩy lùi

về phía sau làm cho công tắc hành trình tác động Để thay đổi giá trị áp suất khí cần tác động ta dùng vít chỉnh độ căng của lò xo

Nguyên lý hoạt động

điểm Ưu điểm

Chịu được tải lớn

Giá thành

rẻ

Độ nhạy, bền cao

Nhiều bước lắp đặt

Công tắc áp suất Danfoss KP1

Thông số kỹ thuật công tắc áp suất Danfoss

• Range -0.2- 7.5bar Diff 0.7-4Bar

• Cone 1/4 in flare G3/8 Code no: 060-110191

• Part No: 060-110891

• Xuất xứ: DANFOSS / INDIA

• Trọng lượng: 0.541 Kg

• Nhiệt độ môi trường [°C]: -40 - 65 °C

• Dùng trong Amôniắc (NH3): không

• Đầu kết nối: G 1/2 A

• Loại kết nối: ren

• Dạng công tắc: SPDT (đơn cực 2 ngã)

• Độ kín: IP30

• Áp suất thử nghiệm tối đa: 22,0 bar

• Áp suất làm việt tối đa: 17,0 bar

• Áp suất làm việc: 2 14 bar

• Điều chỉnh độ lệch áp suất reset: 0,70 - 4,00 ba

Cảm biến áp suất màng sọc co giãn

kim loại

Cảm biến áp suất màng sọc co giãn

kim loại

Màng sọc kim loại co giãn

● Vật liệu để làm màng sọc co giãn có thể là kim loại (trong thực tế là hợp kim Cu-Ni) hay vật liệu bán dẫn - thường là silic

● Dưới tác dụng của áp suất màng sọc

co giãn bị biến dạng

● Sự thay đổi điện trở của nó gồm hai thành phần: Hình học và tính chất vật liệu

● Cảm biến áp suất với màng sọc kim loại phần lớn dựa vào sự thay đổi hình học dẫn đến sự thay đổi điện trở

● Vật liệu để làm màng sọc co giãn có thể là kim loại (trong thực tế là hợp kim Cu-Ni) hay vật liệu bán dẫn - thường là silic

● Dưới tác dụng của áp suất màng sọc

co giãn bị biến dạng

● Sự thay đổi điện trở của nó gồm hai thành phần: Hình học và tính chất vật liệu

● Cảm biến áp suất với màng sọc kim loại phần lớn dựa vào sự thay đổi hình học dẫn đến sự thay đổi điện trở

● Dựa trên sự thay đổi điện trở của một

số kim loại khi bị kéo dãn hoặc nén co lại Khi kim loại bị kéo dãn nó trở nên dài hơn và mỏng hơn do đó điện trở của nó tăng lên, còn khi kim koại bị nén co lại nó trở nên ngắn hơn và dầy hơn do đó điện trở của nó giảm

xuống

● Dựa trên sự thay đổi điện trở của một

số kim loại khi bị kéo dãn hoặc nén co lại Khi kim loại bị kéo dãn nó trở nên dài hơn và mỏng hơn do đó điện trở của nó tăng lên, còn khi kim koại bị nén co lại nó trở nên ngắn hơn và dầy hơn do đó điện trở của nó giảm

xuống

● Thường là những đường dây điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nề bằng chất dẻo

● Thực hiện bằng phương pháp in lụa hoặc quang khắc

● Vì sự thay đổi chiều dài thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành hình uốn khúc để có chiều dài khá lớn trên một diện tích bé,

từ đó ta có sự thay đổi điện trở đáng kể

● Thường là những đường dây điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nề bằng chất dẻo

● Thực hiện bằng phương pháp in lụa hoặc quang khắc

● Vì sự thay đổi chiều dài thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành hình uốn khúc để có chiều dài khá lớn trên một diện tích bé,

từ đó ta có sự thay đổi điện trở đáng kể

Màng sọc co dãn màng mỏng

Phương pháp bốc hơi chân không

Chất rắn cần bốc hơi được nung nóng chảy trong một bầu chân không.

Khi năng lượng nhiệt vượt quá năng lượng liên kết của các nguyên tử ta có sự bốc hơi của chất rắn Hơi này gồm từng nguyên tử riêng lẻ hay từng khối nguyên

tử không liên kết.

Để có được lớp nguyên tử mỏng

và mịn nguồn bốc hơi và mục tiêu cần cách nhau khoảng 60m.

Được chế tạo trên nền gốm với kỹ thuật

in lụa, loại màng dầy có độ nhạy không cao và chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu,

do đó trong thực tế loại màng dầy ít được sử dụng

Được chế tạo trên nền gốm với kỹ thuật

in lụa, loại màng dầy có độ nhạy không cao và chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu,

do đó trong thực tế loại màng dầy ít được sử dụng

Một số đặc trưng kỹ thuật :

- Áp suất làm việc: 1 ÷ 2.bar

- Trị số đo: 2 ÷ 10 mV/V

- Sai số tuyến tính: 0,3 ÷ 0,5%

- Ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi10k: 0,1÷ 0,3%

- Dải nhiệt độ làm việc: -50oC ÷ +150oC

- Quá tải: 130% áp suất làm việc

- Khả năng chống lại sự ăn mòn: Tốt

- Tần số riêng: 1 ÷ 20kHz

Cảm biến áp suất màng Pixsys – italy

Cảm biến áp suất màng DMP 331P BD Sensor – Germany

Cảm biến áp suất màng Georgin – France ( TR/TA )

Một số cảm biến áp suất màng

Khi kéo dãn hoặc nén tinh thể điện áp môi

theo phương pháp đặc biệt thì trên các

mặt giới hạn của tinh thể xuất hiện các

điện tích trái dấu Hiện tượng đó được gọi

là hiệu ứng áp điện thuận Và ngược lại,

nếu ta áp lên mặt 2 mặt thủy tinh thể một

hiệu điện thế làm cho bề mặt tinh thể bị

dãn hoặc nén thì đó là hiệu ứng điện áp

nghịch

Khi kéo dãn hoặc nén tinh thể điện áp môi

theo phương pháp đặc biệt thì trên các

mặt giới hạn của tinh thể xuất hiện các

điện tích trái dấu Hiện tượng đó được gọi

là hiệu ứng áp điện thuận Và ngược lại,

nếu ta áp lên mặt 2 mặt thủy tinh thể một

hiệu điện thế làm cho bề mặt tinh thể bị

dãn hoặc nén thì đó là hiệu ứng điện áp

nghịch Áp điện thuận Áp điện nghịch

● Tùy theo hướng tác dụng của lực đối với tinh thể thạch anh mà ta có cảm biến áp điện thạch anh theo hiệu ứng chiều dài và hiệu ứng ngang

● Tùy theo hướng tác dụng của lực đối với tinh thể thạch anh mà ta có cảm biến áp điện thạch anh theo hiệu ứng chiều dài và hiệu ứng ngang

 Với hiệu ứng chiều dài số lượng điện tích phát sinh không phụ thuộc vào kích thước Hình học của tinh thể mà chỉ phụ thuộc vào lực

 Để tăng số lượng điện tích, người ta đặt nhiều phiến màng tinh thể thạch anh nối tiếp nhau về lực và về mặt điện được nối song song với nhau

Hiệu ứng chiều dài

 Hiệu ứng ngang số lượng điện tích phụ thuộc vào kích thước hình học

 Cảm biến thạch anh ngày nay hầu hết dựa vào hiệu ứng ngang

● Cảm biến áp điện thạch anh (SiO2) làm việc dựa trên hiệu

ứng áp điện của vật liệu thạch anh

● 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 (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F)

● Ta có thể coi tinh thể thạch anh như một

tụ điện, như chúng ta đã biết sau khi nạp điện thì tụ điện phóng điện dần theo thời gian, thời gian phóng điện nhanh hay

chậm phụ thuộc vào điện trở phóng điện

● Ta có thể coi tinh thể thạch anh như một

tụ điện, như chúng ta đã biết sau khi nạp điện thì tụ điện phóng điện dần theo thời gian, thời gian phóng điện nhanh hay

chậm phụ thuộc vào điện trở phóng điện

● Đối với tinh thể thạch anh điện trở phóng điện là điện trở cách điện Như vậy khi sử dụng cảm biến áp suất tinh thể thạch anh phải lưu ý là sau khi lực tác động nếu

không thực hiện ngay phép đo thì càng để lâu sai số của phép đo càng lớn

● Đối với tinh thể thạch anh điện trở phóng điện là điện trở cách điện Như vậy khi sử dụng cảm biến áp suất tinh thể thạch anh phải lưu ý là sau khi lực tác động nếu

không thực hiện ngay phép đo thì càng để lâu sai số của phép đo càng lớn

Vì nếu ta cho cảm biến làm việc ở nhiệt độ cao thì tinh thể thạch anh

sẽ bị mất đi hiệu ứng áp điện

Trong thực tế người ta cho phép cảm biến áp suất tinh thể thạch anh làm việc tới nhiệt độ 240oC

Vì nếu ta cho cảm biến làm việc ở nhiệt độ cao thì tinh thể thạch anh

sẽ bị mất đi hiệu ứng áp điện

Dưới áp suất tĩnh tinh thể thạch anh không xảy ra hiệu ứng áp điện Do đó để đo được áp suất cần phải biến áp suất thành lực bằng một màng mỏng Các cảm biến đo áp suất tinh thể thạch anh thực tế dùng để đo áp suất tới 250 bar

Dưới áp suất tĩnh tinh thể thạch anh không xảy ra hiệu ứng áp điện Do đó để đo được áp suất cần phải biến áp suất thành lực bằng một màng mỏng Các cảm biến đo áp suất tinh thể thạch anh thực tế dùng để đo áp suất tới 250 bar

đo là hoàn thành quá trình lắp đặt Sau đó

ta quan sát tín hiệu được hiển thị trên mặt đồng hồ

Là phương pháp đo áp suất bằng cơ Ta chỉ cần gắn đồng hồ áp suất vào vị trí cần

đo là hoàn thành quá trình lắp đặt Sau đó

ta quan sát tín hiệu được hiển thị trên mặt đồng hồ

Phương pháp này cần trang bị một loại cảm biến

để đo áp suất Được đánh giá có phần phức tạp hơn nhiều so với cách đo dùng đồng hồ áp suất

Để có thể đo ta cần cấp nguồn điện cho thiết bị

Không chỉ vậy hạn chế của cách đo này là tín hiệu áp suất ở ngõ ra là tín hiệu 4-20mA

Tín hiệu này không thể đọc trực tiếp mà cần phải thông qua bộ hiển thị hay lập trình trên PLC

Ưu điểm

 Được sử dụng phổ biến để đo áp

suất Tín hiệu đo được có thể xử lý hoặc lập trình

thông qua việc đưa về PLC hoặc

bộ điều khiển

 Nếu gặp phải trường hợp quá tải thì có thể lập trình trên PLC hay rơ le kiếng để bật/tắt máy bơm/hút

Nhược điểm

 Cách lắp đặt có phần phức tạp

do phải cấp nguồn cho thiết

bị và phải xử lý tín hiệu ngõ

 Không có màn hình hiển thị

Cách đo này dựa theo nguyên lý của lực căng

bề mặt Cảm biến áp suất được thiết kế bên trong có 1 màng bằng

sứ Màng bằng sứ này

có nhiệm vụ làm thay đổi bề mặt màng cảm biến mỗi khi áp lực tác động lên bề mặt của màng Dựa vào độ biến dạng của màng mà ta

có thể đo được áp suất

Sau đó cho ra tín hiệu 4-20mA

Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên

tử bị đẩy lệch đi đối với nhau Điều này làm thay đổi các hằng

số mạng và cấu trúc các vùng năng lượng: vùng dẫn và vùng hóa trị

Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên

tử bị đẩy lệch đi đối với nhau Điều này làm thay đổi các hằng

số mạng và cấu trúc các vùng năng lượng: vùng dẫn và vùng hóa trị

Hiệu ứng điện trở áp điện trong

bẫn dẫn (The Piezoresistive

Effect)

Hiệu ứng điện trở áp điện trong

bẫn dẫn (The Piezoresistive

sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chỉ chiếm 2%) sự thay đổi điện trở) Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học trong tinh thể Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết phương trình như sau:

Trong một cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện,

sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chỉ chiếm 2%) sự thay đổi điện trở) Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học trong tinh thể Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết phương trình như sau:

O hợp điện trở áp điện hợp điện trở áp điện

Nguyên lý cấu tạo

• Tế bào đo áp suất của một cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là một loại chip Silic vuông khoảng 6 và có bề dày sau khi được ăn mòn khoảng vài μm.m

• Màng silic tác dụng như một mặt phẳng được căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào

• Ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấu ion (ionimplantaion) các điện trở được cấy vào Các điện trở này bị căng ra hay co vào một cách tương ứng Các điện trở này được nối với nhau thành một cầu điện trở

• Có một số cảm biến, mạch khuếch đại được tổ hợp bên trên cùng một chip hay trên một mạch hỗn hợp cầu điện trở

• Tế bào đo áp suất của một cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là một loại chip Silic vuông khoảng 6 và có bề dày sau khi được ăn mòn khoảng vài μm.m

• Màng silic tác dụng như một mặt phẳng được căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào

• Ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấu ion (ionimplantaion) các điện trở được cấy vào Các điện trở này bị căng ra hay co vào một cách tương ứng Các điện trở này được nối với nhau thành một cầu điện trở

• Có một số cảm biến, mạch khuếch đại được tổ hợp bên trên cùng một chip hay trên một mạch hỗn hợp cầu điện trở

 Sự trễ của áp suất và nhiệt độ đều bé

 Độ tin cậy cao sau khi được làm trơ

 Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi (fatigue free) của màng

Đo lực là đo những hiệu quả mà nó gây ra,

để đo lực người ta có thể dùng cảm biến màng sọc kim loại, cảm biến điện trở áp điện hoặc cảm biến áp điện thạch anh bằng cách tìm được áp suất tác dụng lên đơn vị diện tích, ta có thể tính ra lực tác dụng

- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong

phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến

tính, độ trễ, độ lặp

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà

load cell có thể đo được

- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra load

cell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra

không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ

thuật được đưa ra

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ:

IP65: chống được độ ẩm và bụi)

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của load cell (thông

thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 -

15 V)

 Ngõ ra cài đặt được : 4-20mA / 0-10VDC

 Nguồn cấp:10…30 V AC/DC hoặc 80…250 V AC/DC

 Cách ly chống nhiễu lên đến : 2500 VAC

 Thời gian bảo hành lên đến 18 tháng

 Xuất xứ : Orbit Merret – Cộng Hoà Séc

.C

Thank you!

Do you have any questions?