Tiểu luận " Cảm biến "

Chia sẻ: chinhlx12

Ngày nay, trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển v.v… Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến....

Bạn đang xem 10 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Tiểu luận " Cảm biến "

Tiểu luận " Cảm biến "




1
MỤC LỤC


Lời nói đầu ................................................................................................................. 2
I. Cảm biến đo rung .................................................................................................... 3
1. Giới thiệu chung về cảm biến rung.................................................................... 3
2. Các loại cảm biến rung ..................................................................................... 5
3. Ứng dụng của các cảm biến rung ...................................................................... 6
II. Chấn động kế cảm ứng ........................................................................................ 10
1. Sơ đồ cấu tạo của chấn động kế kiểu cảm ứng .............................................. 10
2. Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 11
3. Mốt số ứng dụng của trấn động kế cảm ứng .................................................. 12
III. Cảm biến áp điện đo gia tốc ............................................................................... 12
1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động ........................................................ 15
2. Đặc trưng của cảm biến ................................................................................. 15
3. Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc ........................................................ 17
IV. Cảm biến áp trở đo gia tốc ................................................................................. 18
1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động ...................................................................... 20
2. Cảm biến áp trở kim loại ................................................................................ 21
3. Cảm biến áp trở bán dẫn ................................................................................ 23
4. Một số đặc điểm của cảm biến áp trở ............................................................ 26
5. Cảm biến áp trở đo gia tốc ............................................................................. 27
6. Một số loại cảm biến áp trở đo gia tốc ........................................................... 28
V. Đặc điểm của các cảm biến đo rung và gia tốc .................................................. 29
* Một số hình ảnh các loại cảm biến gia tốc khác tìm được .................................... 30
**Một số ứng dụng của cảm biến đo gia tốc ............................................................ 31
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 37




2
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được
đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng
không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển v.v…
Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin,
đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức
năng trên là các thiết bị cảm biến.
Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường,
kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác
động của các phần tử khác. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần
đo m không có tính chất điện và cho một đặc trưng mang bản chất điện (như điện
tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có: s = F(m). Cảm biến thường dùng
ở khâu đo lường và kiểm tra.
Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản
xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự
thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại
lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng
điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha,...
Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như:
cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, momen quay,
nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ v.v...
Các thiết bị cảm biến đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong đời
sống hiện đại của chúng ta. Trong tiểu luận này, chúng tôi chỉ xét đến hai loại cảm
biến khá phổ biến trong các hệ thống đo lường và điều khiển ngày nay, đó là cảm
biến gia tốc và rung. Do kiến thức còn hạn chế và thời gian tìm hiểu chưa được
nhiều nên bài tiểu luận này còn nhiều thiếu xót. Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được
nhiều ý kiến từ thầy hướng dẫn và các bạn đọc để bài viết được hoàn thiện hơn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

3
I. CẢM BIẾN ĐO RUNG
1. Giới thiệu chung về cảm biến rung
Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì rung động gây
nên tiếng ồn có hại cho sức khỏe, giảm tuổi thọ và năng suất của các thiết bị, làm
mài mòn và gây mỏi cho các chi tiết cơ khí. Vì vậy trong các quy định người ta giới
hạn biên độ rung động cho các thiết bị cụ thể theo tiêu chuẩn quốc gia. Giám sát độ
rung theo thời gian cho phép các kỹ sư nhà máy dự đoán các vấn đề trước khi xảy ra
thiệt hại nghiêm trọng. Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia
tốc tại các điểm nào đó trên thiết bị.
Cấu tạo chung: Cảm biến rung bao gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể
áp điện…) nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp.
Chuyển động rung của khối lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến
và được chuyển thành tín hiệu ở đầu ra.




Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung
1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn
Gọi ho là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối lượng
rung. Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp, tung độ của a và b bằng nhau.
Dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức:
z = h - ho


4
Khi đó phương trình cân bằng lực có dạng:

d 2h dz
M 2  F  Cz
dt dt
Cz - Phản lực của lò xo
dz
F - lực ma sát nhớt
dt

d 2h
M 2 - Lực đo gia tốc của khối M gây nên.
dt
Hay :

d 2h0 d2z dz
 M 2  M 2  F  Cz
dt dt dt
Từ công thức trên ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp
độ dịch chuyển ho, vận tốc dho/dt ( hoặc gia tốc d2ho/dt2 ) phụ thuộc vào đại lượng
được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 ( z, dz/dt hoặc d2z/dt2 ) và dải tần số làm
việc. Dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải phương trình chiếm
ưu thế ( Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2 ).
Ở đây ta chỉ xét cảm biến thứ cấp là cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượng
rung M so với vỏ hộp.
Quan hệ giữa tần số cộng hưởng của hệ thống cơ và giải tần cần đo thường tỷ
lệ nghịch với nhau. Tần số của cảm biến khi đo độ rung cần thấp hơn một số lần giới
hạn dưới của dải tần cần đo. Khi đo gia tốc tần số của cảm biến cần lớn hơn một số
lần giới hạn trên của dải tần cần đo.
Dải tần đo độ rung nằm trong khoảng 20 ÷ 3000 Hz vì vậy hệ thống cơ cần có
tần số nằm trong khoảng 2 ÷ 7 Hz. Khi đo gia tốc, tần số nằm trong khoảng 10 ÷ 15
Hz.
Tùy theo dải tần, cảm biển rung được cấu tạo khác nhau cho phù hợp.




5
Hình 2: Cấu trúc chung của cảm biến
đo rung (a), đo lắc (b)


2.Các loại cảm biến rung
Cảm biến rung trên thị trường hiện nay có ít nhất 3 loại:
a. Cảm biến đo biên độ rung: Loại này thường được chế tạo để đo độ rung của các
trục máy. Nó dựa trên hiệu quả của dòng điện xoáy và phản ứng ngược lại của dòng
điện này. Các cảm biến này khá gọn nhẹ, nhưng đòi hỏi mạch xử lý tín hiệu phức
tạp. Chỉ ứng dụng tốt đối với đo độ rung của các thiết bị lớn, được gia công chính
xác, và cần có hệ điều kiển thông minh, đắt tiền với những phần mềm khủng.
b. Cảm biến đo tốc độ rung: Loại này dùng đo tốc độ rung của hầu hết các thiết
bị thông dụng. Thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ, độ chính xác phụ thuộc
rất nhiều vào nam châm vĩnh cửu và chất dầu cản dịu bên trong. Loại này tương đối
bền bỉ nhất. Chỉ cần mạch khuếch đại AC đơn giản là có thể đo chính xác. Muốn đo
biên độ rung, thì cần mạch khuếch đại tích phân cơ bản.
c. Cảm biến đo gia tốc rung: Đa số là loại cảm biến kiểu áp điện, ứng dụng hiệu
ứng áp điện (Piezo electric). Cảm biến này luôn cần phải có nguồn cung cấp. Trị số



6
điện áp ra tỷ lệ với gia tốc rung. Muốn đo vận tốc rung phải dùng mạch khuếch đại
tích phân. Muốn đo biên độ rung phải dùng
mạch tích phân hai lớp.
Tuy nhiên, hầu hết các mạch đo rung đều hoạt động ở điện áp xoay chiều, tần số
tối thiểu cỡ 15 Hz, và tối đa lên đến chục kHz. Nếu những máy có phân tích họa tần
thì độ rộng băng càng cần lớn hơn nữa. Những mạch khuếch đại sẽ rất phức tạp.

3. Ứng dụng của cảm biến rung
Cảm biến rung có rất nhiều ứng dụng trong lao động và đời sống hàng ngày.
Nó giúp người điều khiển có thể kiểm tra được tình trạng hoạt động của các thiết bị
đang hoạt động. Đối với một số thiết bị kỹ thuật số hiện đại thì việc đo cảm biến
rung để tìm cách hạn chế ảnh hưởng của sự rung là một việc rất quan trọng. Ta có
thể lấy một số ví dụ về cảm biến rung sau:
Cảm biến rung có thể lắp dưới nước để bảo vệ bơm: Bơm thường có các thành
phần mà nó phải mang như ổ trục. Việc giám sát rung ổ trục cung cấp cho kỹ sư bảo
trì thông tin để chẩn đoán khi cần sửa chữa hoặc thay thế linh kiện. Điều này làm
cho nhà máy hoạt động hiệu quả hơn, giảm chi phí vận hành cũng như chống thời
gian chết máy móc.
Dưới đây là một số cảm biến của hãng Hansford Sensors có thể hoạt động khi
chúng được nhúng hoàn toàn dưới nước, khiến chúng trở nên lí tưởng đối với việc
giám sát bơm.




7
Hình 3: Cảm biến của hãng Hansford Sensors


Cảm biến này cũng được sử dụng trong điều kiện từ xa tại giếng bơm, lỗ khoan,
khử muốn và các nhà máy quá trình công nghiệp.


- Cảm biến rung dùng trong mạch chống trộm:




8
Hình 4: Cảm biến chống trộm


Khi bị rung thì đoạn kim loại nảy lên làm hở mạch. Kim loại càng cứng thì độ
nhạy càng cao.

EX64xB7x là cảm biến ra 4-20 mA nguồn vòng lặp với NPT 1-inch, hộp dẫn
khuỷu tay 90 độ, đáp ứng những yêu cầu chứng nhận ATEX và CSA sử dụng trong
môi trường khắc nghiệt.




Hình 5: Cảm biến EX64xB7x


Cảm biến hoạt động từ nguồn vòng lặp 24V tiêu chuẩn, giúp chúng trực tiếp
tương thích với các hệ thống PLCs, SCADA, DCS, và Plant Information (PI) hiện


9
nay, phục vụ giám sát độ rung liên tục các mức rung trên máy trong những môi
trường ứng dụng khắc nghiệt.
Cảm biến này có đầu ra gia tốc và vận tốc với biên độ thay đổi rộng. Đầu ra
của độ rung cao nhất hoặc RMS có thể được lựa chọn, cũng như nhiệt độ lựa chọn
và đầu ra rung nhỏ. Đầu ra rung nhỏ cung cấp tín hiệu bộ đệm có thể được sử dụng
với thiết bị thu thập dữ liệu rung để thực hiện phân tích chẩn đoán chi tiết khi trục
trặc được phát hiện.
Đo vị trí thực của các gối trục của máy: Đây là cách bố trí các cảm biến rung
kiểu đo khoảng cách (vị trí) để có thể đo vị trí thực ở khu vực 4 gối trục của hệ Tua
bin, máy phát.




Hình 6: Vị trí các cảm biến rung trong tua bin, máy phát




10
II. CHẤN ĐỘNG KẾ CẢM ỨNG
1. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến đo chấn động kiểu cảm ứng




1-giá đỡ bằng kim loai
2-Thanh dao động
3-Mạch từ
4-Lò xo cảm ứng
5-Cuộn dây cảm ứng
6-Cuộn bù nhiệt độ


Hình 7: Sơ đồ chấn động kế cảm ứng
2. Nguyên lý hoạt động
Bình thường dưới tác dụng của trọng lượng khối quán tính và lực dây của lò
xo ở trạng thái cân bằng,cuộn dây của lò xo ở trạng thái cân bằng.Cuộn dây cảm ứng
đặt giữa khe hở không khí của nam châm đứng yên.
Khi có chấn động (độ dung), giữa nam châm và cuộn dây di chuyển tương đối
với nhau làm cho từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi tạo ra sức điện động
cảm ứng.
Sức điện động này tỷ lệ với biên độ rung và được đưa ra mạch đo và chỉ thị.
Sức điện động cảm ứng có thể bị nhiễu do từ trường bên ngoài, để khử nhiễu người
ta quấn thêm cuộn dây bù có số vòng bằng cuộn dây cảm ứng nhưng được đấu
ngược chiều. Sức điện động do nhiễu sinh ra trong 2 cuộn dây sẽ khử lẫn nhau.
Kết hợp với các mạch đo, cảm biến có thể đo được biên độ rung, tốc độ và gia tốc.
3. Một số ứng dụng của chấn động kế cảm ứng
Chấn động kế có một số ứng dụng như: Theo dõi các tần số thấp, các chấn
động địa lý, phân tích chuyển động, kiểm tra, đo lường các ứng dụng v.v…



11
Dưới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của chấn động kế cảm ứng được sử
dụng trong các ngành y tế, hàng không và quân sự, giao thông vận tải v.v…




Hinh 8: Một số chấn động kế cảm ứng thông dụng




12
Hình bên là chấn động kế cảm ứng của hãng
Meas với nhãn hiệu Model EGHS – M được thiết kế
cho các ứng dụng nhúng, gia tốc có sẵn trong ±30.000
÷ ± 60.000g được đóng gói trong một phong bì LCC
thu nhỏ. Hình 9: Chấn động kế
của hãng Meas
Mô hình EGHS – M kết hợp một cảm biến
MEMS không bị kẹt với một tần số > 200kHz cộng hưởng. Đó là lý tưởng cho việc
đo đạc xung sốc trong thời gian ngắn.
Ứng dụng của EGHS – M là tác động và kiểm tra shock, các ứng dụng nhúng, các cú
sốc biên độ cao.




III. CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN ĐO GIA TỐC
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
- Khi một lực vật lý được tác động thêm gia tốc, các địa chấn tải sẽ tác động
lên các phần tử áp điện một lực tuân theo định luật II Newton ( F = m.a). Các lực
này có thể đo được bằng cách đo sự thay đổi trong lực tĩnh điện hoặc điện áp được
tạo ra bởi các vật liệu áp điện. Từ đó, ta có thể đo được gia tốc đã được thêm vào.
Vật liệu áp điện được sử dụng cho mục đích gia tốc có thể rơi vào hai loại. Đầu tiên
và được sử dụng rộng rãi hơn là vật liệu đơn tinh thể ( thường là thạch anh ). Loại
còn lại là vật liệu gốm áp điện tổng hợp. So với vật liệu đơn tinh thể thì vật liệu gốm
áp điện tổng hợp có độ nhạy cảm tốt hơn nhưng tuổi thọ của độ nhạy cảm lại ít hơn
so với các vật liệu đơn tinh thể.
- Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng rung M và một
phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín.




13
Hầu hết các gia tốc áp điện được làm bằng
thạch anh tinh thể, gốm áp điện, hoặc đối với hoạt
động nhiệt độ cao, là tuamalin hoặc niobate
lithium. Chúng phải tuân theo định luật II Newton,
F =m.a, trong đó lực lượng tác động lên các yếu tố
đo được tỷ lệ thuận với khả năng tăng tốc của sản
xuất.
- Tác dụng: Đo độ rung có tần số cao
Hình 10: Cảm biến áp điện đo gia tốc
(10 ÷ 20 kHz) 1) Vỏ bọc 2) Ren lắp 3) Phần tử áp điện
4)Khối quán tính 5)Dây dẫn 6)Cáp bọc kim
- Hoạt động: Khi đo, khối rung tác động lên phần
tử áp điện và chúng tạo nên các điện tích tỷ lệ với phản lực, tức là với sự chuyển
động của khối rung. Tín hiệu được đưa ra ngoài và đo bằng dụng cụ đo.
Sơ đồ khối của dụng cụ vạn năng dùng cảm biến áp điện đo biên độ rung và
gia tốc:




Hình 11: Sơ đồ khối gia tốc kế áp điện


Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm. Tuỳ
thuộc vào bản chất lực tác dụng ( nén, kéo hoặc cắt ) trong bộ cảm biến phải có bộ
phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia
tốc theo hai chiều.
Lực tác dụng lên áp điện có thể phân thành hai loại: nén hoặc uốn.




14
Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của các gia tốc kế áp điện kiểu nén.




Hình 12: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén
1) Khối lượng rung 2) Phiến áp điện 3) Đai ốc 4) Đế 5) Vỏ hộp


Cảm biến này có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực
của đế.
Sơ đồ cấu tạo của gia tốc kế kiểu uốn cong trình bày trên hình 13.
Phần tử áp điện của cảm biến gồm hai phiến áp điện mỏng dán với nhau, một
đầu gắn cố định lên vỏ hộp cảm biến, một đầu gắn với khối lượng rung. Cảm biến
loại này cho độ nhạy rất cao nhưng tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế.




Hình 13: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong
1)Khối lượng rung 2)Phiến áp điện 3)Vỏ hộp
2 - Đặc trưng của cảm biến:
Độ nhạy được biểu diễn bằng biểu thức:
Q
S  S1S2
a
Trong đó: a – Gia tốc của cảm biến
15
Q – Điện tích được tạo khi cảm biến rung với gia tốc a
S1 – Độ nhạy cơ của hệ thống khối lượng rung
S2 – Độ nhạy điện của cảm biến
Giá trị của S1, S2 được xác định như sau:
z 1
S1  
a 2 2 
 (1  2 )  ( 2 ) 2
0 0

Q 1
S2   dC
z 
1 ( 0 )2

Trong đó : d – Hằng số điện môi
c – Độ cứng của phần tử nhạy cảm
1
 – Tần số tắt dưới của hệ thống cảm biến - mạch đo

Để nhận được điện áp xoay chiều tỷ lệ với gia tốc rung nhưng không phụ
thuộc vào tần số rung, cảm biến được nối song song với tụ C. Trở kháng Xc = 1/ωc
với giải tần làm việc cần có điện trở rất nhỏ ở đầu vào của khuếch đại để hạn chế
giới hạn của giải tần làm việc.
Điện áp ra sau khuếch đại được tách thành hai kênh song song. Một kênh gồm
khuếch đại, chỉnh lưu và chỉ thị gia tốc. Kênh còn lại tín hiệu được đưa qua hai bộ
tích phân và chỉnh lưu để chỉ biên độ rung.
Dải tần làm việc của cảm biến và thiết bị từ 20Hz ÷ 10kHz. Sai số quy đổi
±5%. Với mạch đo trên thiết bị có bốn giới hạn đo gia tốc 20, 100, 400 và 2000m/s2.
Bốn giới hạn đo biên độ rung: 0,05; 0,25; 1 và 5mm.


3. Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc
Chúng ta đã từng nghe nói đến những chiếc laptop sẽ tự tắt ổ cứng (đưa đầu
đọc đến vị trí an toàn) khi phát hiện rung động mạnh, hay gần gũi hơn là những

16
chiếc iPhone mà bạn có thể chơi trò đua xe dễ dàng bằng cách nghiêng thân
máy…Đó là những ví dụ dễ thấy nhất về tầm quan trọng cũng như ứng dụng của các
thiết bị cảm biến đo gia tốc đến ngành công nghiệp điện tử.




Hình 15: Mô hình endevco 751




Hình 16: Endevco mô hình
65HT ISOTRON




17
IV. CẢM BIẾN ÁP TRỞ ĐO GIA TỐC
1. Nguyên lý hoạt động
Khi vật dẫn chịu biến dạng cơ học mà điện trở của nó thay đổi, hiện tượng đó
được gọi là hiệu ứng áp trở (Piezo resistive effect). Cảm biến có nguyên lý hoạt
động dựa trên hiệu ứng đó gọi là cảm biến áp trở.
Như ta đã biết, điện trở của một vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức

R=

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điệu trở của cảm biến bị thay đổi một
lượng R. Ta có:

= + -

Nếu gọi :
= - lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

= - lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

= - lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

= – lượng biến thiên tương đối theo tiết diện.

Ta có thể viết lại dưới dạng
= + -

Trong cơ học ta đã biết
= -2

( là hệ số poission) và

=c

c- hệ số Bridman
v- thể tích



18
= - lượng biến thiên tương đối theo thể tích

Mặt khác
= (1+2 )

Do đó
= c(1+2 ) =m

với m là hệ số
Từ các biểu thức trên ta được:
= (1+2 +m)=K

K- hệ số và gọi là độ nhạy của cảm biến áp trở
Với vật liệu lỏng (thủy ngân, chất điện phân) nếu gọi V=l.S không thay đổi
trong quá trình biến dạng, với =0,5 và bỏ qua hệ số m (do m có thay đổi giá trị rất

nhỏ) ta có K=2.
-Với kim loại: =0,24÷4 ta có hệ số K=0,5÷4.

-Với chất bán dẫn: quan hệ giữa trở suất  và ứng lực  được biểu diễn bằng
biểu thức = = E =m

-hệ số
E- môđun đàn hồi
Do hệ số m rất lớn ở các điện trở bán dẫn nên hệ số k=1+ +m cớ từ 100200

trong điều kiện bình thường.
Cảm biến áp trở được chia ra thành hai dạng cơ bản là áp trở kim loại và bán dẫn.
2. Cảm biến áp trở kim loại
Hình 17 là cấu tạo của cảm biến áp trở kim loại, chúng được phân thành dây
mảnh, lá mỏng và màng mỏng.
a, Cảm biến áp trở dây mảnh (hình a), gồm có dây điện trở uốn hình răng lược, dây
có đường kính từ 0,020,03 mm. Hai đầu dây hàn với 2 lá đồng Berin hoặc đông
phôt pho để nối với mạch đo. Hai phía dán 2 tấm giấy mỏng cỡ 0,1mm hoặc nhựa

19
polymide (0,03mm) để cố định hình dáng dây, chiều dài dây L=nl0 (l0-độ dài một
đoạn dây, n-số đoạn); n=1020. Bình thường l0=815mm và có thể tới 100mm hoặc
có thể nhỏ hơn (l0=2,5mm). Chiều rộng a0=310mm.
Điện trở dây R=10150 và có thể tới 8001000.
b, Cảm biến áp trở lá mỏng (hình b) là một lá rất mỏng có độ dày 4 12mm là từ
hợp kim Constantan, chế tạo theo phương pháp ăn mòn quang học. Ưu điểm của loại
lá mỏng là có kích thước nhỏ, hình dáng linh hoạt có độ nhạy (k) lớn ít chịu biến
dạng ngang do chế tạo và điện trở lớn.
c, Cảm biến áp trở màng mỏng (hình c) được chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim
loại có độ nhạy cao bám vào một khung có hình dáng định trước. Ưu điểm của loại
màng mỏng là có thể tạo với hình dáng phức tạp, kích thước nhỏ, điện trở ban đầu
lớn, độ nhạy cao.




Hình 17: Cấu tạo của cảm biến áp trở
a) Loại dây mảnhb) Loại lá mỏng c,d) Loại màng mỏng
20
d, Yêu cầu vật liệu chế tạo điện trở
 Độ nhạy: Thông thường độ nhạy k nằm trong khoảng 1,82,35±0,1
với hợp kim platin-vonfram k=4,1.
 Hệ số nhiệt độ cần nhỏ vì điện trở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt
độ. RT=R0[1+t(T-T0)]
Trong đó:
R0 là điện trở ở nhiệt độ chuẩn T0 do đó t nhỏ sẽ làmcho cảm biến ít bị
thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
 Điện trở suất: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn phải đủ lớn để
giảm kích thước và độ dài dây.
 Vật liệu chọn cần chịu được ứng lực đủ lớn để tránh đứt khi chế tạo
và sử dụng. Ứng lực tối đa không gây nên biến dạng cố định có trị
số lớn hơn 0,2% (Độ lớn của giới hạn đàn hồi đo lực bằng
kglực/mm2)
3. Cảm biến áp trở bán dẫn
Cảm biến áp trở bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn như Silic, Germani,
Asenuav.vv…
a, Cấu tạo
Các cảm biến áp trở bán dẫn chia thành 2 loại: loại cắt và loại khuếch tán.
- Loại cắt :




Hình 18: Cảm biến bán dẫn chế tạo từ mẩu cắt của đơn tinh thể silic
21
Mẩu cắt song song với đường chéo tinh thể lập phương đối với silic loại P và
song song với cạnh lập phương nếu là silic loại N. Các mẫu cắt này được dán lên
một giá đỡ bằng nhựa. Kích thước của mẩu cắt như sau:
+ Chiều dài L: từ 0,1mm đến 5mm
+ Chiều dày: ~10-2mm.
Vì chỉ là một mẩu cắt có kích thước nhỏ như vậy nên đầu đo có độ nhạy
ngang gần như bằng không.
- Loại khuếch tán:
Trong cảm biến bán dẫn loại khếch tán, điện trở của cảm biến được tạo nên
bằng cách khuếch tán tạp chất vào một phần của đế đơn tinh thể silic đã pha tạp.
Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất
thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (như P, Sb).




Hình19: Cấu trúc của cảm biến áp trở loại khuếch tán


Còn nếu khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (như Ga, In) vào để silic loại N
thì sẽ nhận được điện trở loại P. Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên
một điot, nó phải luôn luôn ở trạng thái phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để
cho điện trở của cảm biến cách biệt với đế silic. Toàn bộ cấu trúc được bảo vệ bằng
một lớp SiO2 có mở hai cửa sổ để phủ kim loại làm tiếp xúc dẫn điện ra ngoài cho
điện trở.



22
b, Nguyên lý hoạt động
Bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng nhau, độ dẫn
điện không thay đổi. Khi bị biến dạng, các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bị
thay đổi do đó độ dẫn điện thay đổi và điện trở bị thay đổi theo.
Ví dụ: Tinh thể silic loại N có cấu trúc lập phương theo 3 trục X, Y, Z. Vì đối
xứng nên số điện tử tự do ở mỗi vùng trong trục bằng nhau.




Hình 20: Cấu trúc của áp trở bán dẫn
Độ dẫn điện theo 1 trục nào đó được biểu diễn bằng biểu thức:
 = qn(s + 2v)
q- điện tích
n- mật độ điện tử trong mỗi vùng tương ứng
s- độ linh động của điện tử dọc trục
v- độ linh động của điện tử  với 2 trục khác.
v
Đề thi vào lớp 10 môn Toán |  Đáp án đề thi tốt nghiệp |  Đề thi Đại học |  Đề thi thử đại học môn Hóa |  Mẫu đơn xin việc |  Bài tiểu luận mẫu |  Ôn thi cao học 2014 |  Nghiên cứu khoa học |  Lập kế hoạch kinh doanh |  Bảng cân đối kế toán |  Đề thi chứng chỉ Tin học |  Tư tưởng Hồ Chí Minh |  Đề thi chứng chỉ Tiếng anh
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản