Chương 5 Cảm biến đo biến dạng thuộc bài giảng Cảm biến công nghiệp, có cấu trúc nội dung cần tìm hiểu được chia làm 4 phần: Phần 1 Biến dạng và phương pháp đo, phần 2 Cảm biến điện trở kim loại, phần 3 Cảm biến áp trở silic, phần 4 Cảm biến dây rung.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương 5
- V. 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. 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):
∆l
ε=
l
Giới hạn đàn hồi: ứng lực tối đa không gây nên biến
dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng kG/mm2.
- 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:
1F 1
ε || = = σ
YS Y
Hệ số poison (ν): hệ số xác định biến dạng theo
phương vuông góc với lực tác dụng.
ε ⊥ = −νε ||
- 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:
Đế cách điện Đế cách điện
Dây điện trở Màng điện trở
a) Dạng lưới dây b) Dạng lưới màng
Dây điện trở tiết diện tròn d≈ 20µm hoặc chữ nhật.
Số nhánh n = 10 ÷ 20 nhánh.
Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm).
- 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 - 92%Pt, 8%W 4,1
vonfram
- 2. Cảm biến điện trở kim loại
Cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:
2 3 4 5 6
1
7
5. Dây dẫn
ề mặt khảo sát 6. Cáp điện
7. Keo dán
ảm biến
ớp bảo vệ
ối hàn
- 2. Cảm biến điện trở kim loại
Điện trở của cảm biến:
ρ .l ∆R ∆l ∆S ∆ρ
R = ⇒ = − +
S R l S ρ
∆S ∆l
Với = −2ν ;
S l
∆ρ ∆V ∆l
=C = C (1 − 2ν) (C: hằng số Bridman)
ρ V l
∆R ∆l ∆l
⇒ = { (1 + 2ν ) + C (1 − 2ν )} = K.
R l l
Với K = (1 + 2ν ) + C (1 − 2ν ) ≈ 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. 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:
K ( T ) = K 0 [1 + α K ( T − T0 ) ]
(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).
- 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:
a) Loại dùng mẫu cắt
Điện trở Đế cách điện
a) Đơn b) Nối tiếp
N
P
N
P
N
N
c) Song song d) Song song
NN
- 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:
Dây
SiO2 nối
Điện trở
(Si-P)
Đế
(Si-N)
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.
- 3. Cảm biến áp trở silic
Điện trở của cảm biến:
ρ .l ∆R ∆l ∆S ∆ρ
R = ⇒ = − +
S R l S ρ
∆S ∆l
Với = −2ν ;
S l
∆ρ ∆l (π: hệ số áp điện trở)
= πσ = πY
ρ l
∆R ∆l ∆l
⇒ = { (1 + 2ν ) + πY } = K.
R l l
Với K = 1 + 2ν + πY = 100 ÷ 200 → Hệ số đầu đo
- 3. Cảm biến áp trở silic
ρ (Ω.cm)
3.2. Đặc điểm:
a) Điện trở (R): 1
Phụ thuộc độ pha tạp: 10-1
1 10-2
ρ=
q(µ n n + µ p p) 10-3
1014 1015 1016 1017 1018 1019
Nồng độ tạp
chất/cm3
Phụ thuộc nhiệt độ: ρ (Ω.cm)
tăng khi T 0), 7
6 1014
giảm khi T>120oC (α R
- 3. Cảm biến áp trở silic
b) Hệ số đầu đo (K):
Lớn: K = 100 ÷ 200. K
Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha 240
200
tạp tăng → K giảm. 180 1017/cm3
5.101
Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ 160
8
120 3.1019
tăng → K giảm, độ pha tạp lớn 80 1020
40
(Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc. 10 200300 400 500 600
-100 0
0
TC o
Sự phụ thuộc của K
vào độ pha tạp và nhiệt độ
• Phụ thuộc độ biến dạng: K = K 1 + K 2ε + K 2ε 2
Khi ε 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 (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc.
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
