Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện công nghiệp Cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN- ĐIỆN TĐH GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày tháng năm ) Ninh Bình, năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trƣờng hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phƣơng pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng Cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sƣ ngành điện nhƣ ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trƣờng nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức đƣợc trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất nhƣ đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phƣơng tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện nhƣ Trang bị điện, PLC Mơn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Biên soạn Trần Thị Thu Hằng MỤC LỤC Thứ tự Nội dung BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Ánh sáng phép đo quang Các linh kiện quang Các loại cảm biến quang Thực hành ứng dụng BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 1.Đại cƣơng Nhiệt điện trở với Plantin Nickel Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTC PTC Thực hành ứng dụng Trang 7 10 11 11 14 22 26 32 32 34 40 44 46 49 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 1.Cảm biến tiệm cận Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 54 BÀI 4: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 1.Một số phƣơng pháp đo vịng quay Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Thực hành ứng dụng BÀI 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 1.Cảm biến đo lƣu lƣợng Cảm biến trọng lƣợng Cảm biến đo áp suất 88 54 78 84 88 105 109 113 113 135 149 MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã Mơ-đun: MĐ 20 I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: Mơn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử bản, Đo lƣờng điện Trang bị điện - Tính chất: Là mơn học chun mơn nghề II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: Về kiến thức: - Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến; - Phân tích đƣợc nguyên lý mạch điện cảm biến Về kỹ năng: - Biết lựa chọn loại cảm biến cho phù hợp yêu cầu cụ thể; - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể; - Sử dụng loại cảm biến để thiết kế mạch điện; - Vận dụng sáng tạo trình sản xuất Về thái độ: - Cẩn thận, sáng tạo đảm bảo an toàn cho ngƣời nhƣ linh kiện,thiết bị khác; - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ III Nội dung mô đun Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Tổng số Số T Tên chƣơng, mục T Bài mở đầu: Cảm biến ứng dụng Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng Thời gian (giờ) Lý Thực Kiểm thuyết Hành tra* Thí nghiệm Bài tập Thảo luận 1 1 Bài 1: Cảm biến quang Ánh sáng phép đo quang Các linh kiện quang Các loại cảm biến quang Thực hành ứng dụng Kiểm tra Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Đại cƣơng Nhiệt điện trở với Platin Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTCvà PTC Thực hành ứng dụng 28 5 15 16 10 1 10 1 1 Bài 3: Cảm biến tiệm cận 1.Cảm biến tiệm cận 2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Thực hành ứng dụng Kiểm tra Bài 4: Cảm biến đo vận tốc vòng quay góc quay 1.Một số phƣơng pháp đo vận tốc vịng quay 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 3.Thực hành ứng dụng 20 12 12 10 1 1 Bài 5: Một số loại cảm biến khác Cảm biến lƣu lƣợng Cảm biến trọng lƣợng Cảm biến áp suất Kiểm tra Cộng 14 4 1 3 16 2 11 2 2 2 90 30 54 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đƣa tín hiệu dạng khác Cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày đƣợc khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lý, đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lƣợng có tính chất điện đo xử lý đƣợc Các đại lƣợng cần đo thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, vận tốc ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng mang tính chất điện (nhƣ dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lƣợng cần đo Đặc trƣng (s) hàm đại lƣợng cần đo: s = f(m) s: Đại lƣợng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lƣợng đầu vào kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo) f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thƣờng có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phƣơng pháp tuyến tính hố đoạn) Thông thƣờng thiết kế mạch đo ngƣời ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) đƣợc xác định thơng qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lƣờng, đầu dò, van đo lƣờng, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lƣờng điều khiển, cảm biến cảm biến ngồi việc đóng vai trị “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ “nhà phiên dịch“ để cảm biến dạng tín hiệu khác tín hiệu điện Sau sử dụng mạch đo lƣờng xử lý kết đo vào mục đích khác Đối tượng điều Cảm biến đo khiển lường Thiết bị thừa hành Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh Chuẩn so sánh Hình 1.1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tƣợng cần điều khiển dƣợc cảm biến sang tín hiệu Y nhờ cảm biến đo lƣờng Tín hiệu ngõ đƣợc mạch đo điện xử lý để đƣa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ mạch đo điện đƣợc đƣa trở sau thực thao tác so sánh với chuẩn tín hiệu ngõ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tƣợng * Trong hệ thống đo lƣờng điều khiển đại, trình thu thập xử lý tín hiệu thƣờng máy tính đảm nhiệm Đối tượng điều khiển Cảm biến đo Viđiều khiển (Microcontroler) lường thiết bị thừa hành PC chương trìnhđiều khiển Hình 1.2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tƣợng điều khiển đƣợc đặc trƣng biến trạng thái đƣợc cảm biến thu nhận Đầu cảm biến đƣợc phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển hoạt động độc lập theo chƣơng trình đƣợc cài đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển đƣợc phối ghép với cấu chấp hành nhằm tác động lên trình hay đối tƣợng điều khiển Chƣơng trình cho vi điều khiển đƣợc cài đặt thơng qua máy tính nạp chƣơng trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động q trình (đối tƣợng), cảm biến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin đƣa tín hiệu q trình Từ sensor từ mƣợn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh đƣợc gọi sensor, tiếng Việt thƣờng gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi thuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến đƣợc phân loại theo nhiều tiêu chí Ngƣời ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích - Theo tƣợng vật lý: + Nhiệt điện + Quang điện + Quang từ + Điện từ + Từ điện - Theo tƣợng hóa học + Biến đổi hóa học + Biến đổi điện hóa + Phân tích phổ - Theo tƣợng sinh học + Biến đổi sinh hóa + Biến đổi vật lý + Hiệu ứng thể sống 1.2.2 Theo dạng kích thích - Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền song, …vv - Điện: Điện tích, dịng điện, điện thế, điện áp, điện trƣờng, điện dẫn, số điện môi,…vv - Từ: Từ trƣờng, từ thông, cƣờng độ từ trƣờng, độ từ thẩm, …vv - Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men, khối lƣợng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv - Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lƣợng, tỷ nhiệt,…vv 1.2.3 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ 1.2.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trƣờng, khí tƣợng - Thơng tin, viễn thơng - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1.2.5 Theo thơng số mơ hình mạch điện thay - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu nguồn áp nguồn dòng - Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn lƣợng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại tích cực khơng cần Đƣợc đặc trƣng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến Phạm vi ứng dụng Các cảm biến đƣợc sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến đặc biệt nhạy cảm đƣợc sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hố ngƣời ta sử dụng loại sensor bình thƣờng nhƣ đặc biệt BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Mã : MĐ 20.01 Giới thiệu: Trong tất đại lƣợng vật lý, ánh sáng đại lƣợng đƣợc quan tâm nhiều ánh sáng đóng vai trị định đến nhiều tính chất quan trọng vật chất Ánh sáng làm ảnh hƣởng đến đại lƣợng chịu tác dụng Một đặc điểm quan trọng ánh sáng làm thay đổi cách liên tục đại lƣợng chịu ảnh hƣởng Bởi công nghiệp nhƣ đời sống hàng ngày sử dụng nhiều thiết bị liên quan đến ánh sáng Mục tiêu: - Phân biệt đƣợc loại cảm biến quang - Tra bảng xác định thông số cảm biến quang - Lắp ráp mạch ứng dụng cảm biến quang - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung chính: 1.Ánh sáng phép đo quang 1.1 Tính chất ánh sáng 1.1.1 Tính chất sóng ánh sáng Dạng sóng ánh sáng sóng điện từ phát có dịch chuyển điện tử mức lƣợng nguyên tử nguồn sáng Các sóng truyền chân khơng với tốc độ c = 3x10^8 km/s Trong vật chất ánh sáng có vận tốc là: V = c/n (với n chiết suất mơi trƣờng) Bƣớc sóng  ánh sáng đƣợc tính theo cơng thức:  = V/f Trong chân khơng:  = c/f Trong f tần số ánh sáng Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng phân chia thành dải mầu phổ 0,456 0,395 Cực tím tím 0,490 0,575 lục lam 0,590 0,750 0,650 đỏ vàng da cam h ngoại (m) 0,01 0,4 0,1 0,75 1,2 Cực tím 3.1016 10 30 h ngoại 3.1015 trông thấy 3.1014 h ngoại gần 3.1013 100 h ngoại xa 3.1012 (Hz) Hình 2.1 phổ ánh sáng 1.1.2 Tính chất hạt ánh sáng Tính chất hạt ánh sáng thể qua tƣơng tác với vật chất ánh sáng bao gồm hạt photon với lƣợng W phụ thuộc vào tần số: 10 dẫn cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng chất lƣu cần đo áp suất Trong cách đo thứ hai, ngƣời ta gắn lên thành bình cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng thành bình Biến dạng hàm áp suất Đối với chất lƣu chuyển động, áp suất chất lƣu (p) tổng áp suất tĩnh (pt) áp suất động (pđ) : (20.4) Áp suất tĩnh tƣơng ứng với áp suất gây nên chất lỏng không chuyển động, đƣợc đo phƣơng pháp trình bày áp suất động chất lƣu chuyển động gây nên có giá trị tỉ lệ với bình phƣơng vận tốc chất lƣu: (20.5) Trong ρ khối lƣợng riêng chất lƣu Khi dịng chảy va đập vng góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng áp suất tổng Do vậy, áp suất động đƣợc đo thông qua đo chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Thông thƣờng việc đo hiệu (p - pt) thực nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ống Pitot, cảm biến (1) đo áp suất tổng cảm biến (2) đo áp suất tĩnh Hình 20.1 : Đo áp suất động ống Pitot Có thể đo áp suất động cách đặt áp suất tổng lên mặt trƣớc áp suất tĩnh lên mặt sau màng đo (hình 20.2), nhƣ tín hiệu cảm biến cung cấp chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Hình 20.2: Đo áp suất động màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện 3.3 Các loại áp kế 3.3.1 Áp kế vi sai kiểu phao 132 Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thơng nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f (hình 20.3) Chất lỏng làm việc thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đƣợc đƣa vào bình lớn, áp suất bé (p 2) đƣợc đƣa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc phun cho áp suất tác động phía ngƣời ta mở van (4) áp suất hai bên cân van (4) đƣợc khoá lại Khi đạt cân áp suất, ta có: Trong đó: g - gia tốc trọng trƣờng ρm - trọng lƣợng riêng chất lỏng làm việc ρ - trọng lƣợng riêng chất lỏng khí cần đo Mặt khác từ cân thể tích ta có: Suy ra: Khi mức chất lỏng bình lớn thay đổi (h thay đổi), phao áp kế dịch chuyển qua cấu liên kết làm quay kim thị đồng hồ đo Biểu thức (20.6) phƣơng trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu phao Hình 6.29 : áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn 25MPa Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta thay đổi đƣợc phạm vi đo Cấp xác áp suất kế loại cao (1; 1,5) nhƣng chứa chất lỏng độc hại mà áp suất thay đổi đột ngột ảnh hƣởng đến đối tƣợng đo môi trƣờng 133 3.3.2 Áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng chất lỏng làm việc chứa bình (2) Hình 6.30: áp kế vi sai kiểu chng 1) Chng 2) Bình chứa 3) Chỉ thị Khi áp suất buồng (A) (B) nắp chng (1) vị trí cân (hình8.4a), có biến thiên độ chênh áp d(p 1-p2) >0 chng đƣợc nâng lên (hình 8.4b) Khi đạt cân ta có: (20.8) Với: Trong đó: F - tiết diện ngồi chng dH - độ di chuyển chuông dy - độ dịch chuyển mức chất lỏng chuông dx - độ dịch chuyển mức chất lỏng ngồi chng Δf - diện tích tiết diện thành chng Φ - diện tích tiết diện bình lớn dh - chênh lệch mức chất lỏng ngồi chng f - diện tích tiết diện chng Giải phƣơng trình ta có: 134 Lấy tích phân giới hạn từ đến (p1 - p2) nhận đƣợc phƣơng trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu chuông: (20.9) Áp kế vi sai có độ xác cao đo đƣợc áp suất thấp áp suất chân không Nguyên lý chung cảm biến áp suất loại dựa sở biến dạng đàn hồi phần tử nhạy cảm với tác dụng áp suất Các phần tử biến dạng thƣờng dùng ống trụ, lò xo ống, xi phông màng mỏng 3.4 Phần tử biến dạng 3.4.1 Ống trụ Sơ đồ cấu tạo phần tử biến dạng hình ống trụ trình bày hình 20.5 ống có dạng hình trụ, thành mỏng, đầu bịt kín, đƣợc chế tạo kim loại Hình 6.31: Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến Đối với ống dài (L>>r), áp suất chất lƣu tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang (ε1) biến dạng dọc (ε2) ống xác định biểu thức: Trong đó: p - áp suất Y - mô đun Young ν - hệ số poisson r - bán kính ống e - chiều dày thành ống 135 Để chuyển tín hiệu (biến dạng) thành tín hiệu điện ngƣời ta dùng chuyển đổi điện (thí dụ cảm biến lực) 3.4.2 Lò xo ống Cấu tạo lò xo ống dùng cảm biến áp suất trình bày hình 20.6 Lò xo ống kim loại uốn cong, đầu giữ cố định đầu để tự Khi đƣa chất lƣu vào ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng đầu tự dịch chuyển Trên hình (20.6a) sơ đồ lò xo ống vòng, tiết diện ngang ống hình trái xoan Dƣới tác dụng áp suất dƣ ống, lò xo giãn ra, cịn dƣới tác dụng áp suất thấp co lại Hình 6.32: Lị xo ống Đối với lị xo ống thành mỏng biến thiên góc tâm (γ) dƣới tác dụng áp suất (p) xác định cơng thức: (20.10) Trong đó: ν - hệ số poisson Y - mơ đun Young R - bán kính cong h - bề dày thành ống a, b - bán trục tiết diện ôvan α, β - hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang ống x = Rh/a2- tham số ống Lực thành phần theo hƣớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 0,7) đầu tự xác định theo theo biểu thức: (20.11) 136 Lực hƣớng kính: (20.12) Trong s ε hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a Giá trị k1, k2 số lò xo ống nên ta viết đƣợc biểu thức xác định lực tổng hợp: (20.13) Với Bằng cách thay đổi tỉ số a/b giá trị R, h, γ ta thay đổi đƣợc giá trị Δγ , N độ nhạy phép đo Lò xo ống vịng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ngƣời ta dùng lị xo ống nhiều vịng có cấu tạo nhƣ hình (20.6b) Đối với lị xo ống dạng vòng thƣờng phải sử dụng thêm cấu truyền động để tăng góc quay Để tạo góc quay lớn ngƣời ta dùng lị xo xoắn có tiết diện van hình khía nhƣ hình 20.6c, góc quay thƣờng từ 40 - 60o, kim thị gắn trực tiếp đầu tự lò xo Lò xo ống chế tạo đồng thau đo áp suất dƣới MPa, hợp kim nhẹ thép dƣới 1.000 MPa, 1.000 MPa phải dùng thép gió 3.4.3 Xiphơng Cấu tạo xiphơng trình bày hình 20.7 Hình 6.33: Sơ đồ cấu tạo ống xiphông Ống xiphông ống hình trụ xếp nếp có khả biến dạng đáng kể dƣới tác dụng áp suất Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số lực tác dụng biến dạng xiphông không đổi đƣợc gọi độ cứng xiphông Để tăng độ cứng thƣờng ngƣời ta đặt thêm vào ống lò xo Vật liệu chế tạo đồng, thép cacbon, thép hợp kim Đƣờng kính xiphơng từ - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm 137 Độ dịch chuyển (d) đáy dƣới tác dụng lực chiều trục (N) xác định theo cơng thức: (20.14) Trong đó: h0 - chiều dày thành ống xiphông n - số nếp làm việc α - góc bịt kín ν- hệ số poisson A0, A1, B0 - hệ số phụ thuộc Rng/Rtr, r/R+r Rng, Rtr - bán kính ngồi bán kính xi phơng r - bán kính cong nếp uốn Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức: (20.15) 3.4.4 Màng Màng dùng để đo áp suất đƣợc chia màng đàn hồi màng dẻo Màng đàn hồi có dạng trịn phẳng có uốn nếp đƣợc chế tạo thép Hình 6.34: Sơ đồ màng đo áp suất Khi áp suất tác dụng lên hai mặt màng khác gây lực tác động lên màng làm cho biến dạng Biến dạng màng hàm phi tuyến áp suất khác tuỳ thuộc điểm khảo sát Với màng phẳng, độ phi tuyến lớn độ võng lớn, thƣờng sử dụng phạm vi hẹp độ dịch chuyển màng Độ võng tâm màng phẳng dƣới tác dụng áp suất tác dụng lên màng xác định theo công thức sau: (20.16) 138 Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ màng phẳng nên sử dụng với độ võng lớn màng phẳng Độ võng tâm màng uốn nếp xác định theo công thức: (20.17) Với a, b hệ số phụ thuộc hình dạng bề dày màng Khi đo áp suất nhỏ ngƣời ta dùng màng dẻo hình trịn phẳng uốn nếp, chế tạo từ vải cao su Trong số trƣờng hợp ngƣời ta dùng màng dẻo có tâm cứng, tâm màng đƣợc kẹp cứng hai kim loại Hình 6.9: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng Đối với màng dẻo thƣờng, lực di chuyển tạo nên tâm màng xác định biểu thức: (20.18) Với D đƣờng kính ổ đỡ màng Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên tâm màng xác định biểu thức: (20.19) Với D đƣờng kính màng, d dƣờng kính đĩa cứng 3.5 Các chuyển đổi điện Khi sử dụng cảm biến đo áp suất phần tử biến dạng, để chuyển đổi tín hiệu trung gian thành tín hiệu điện ngƣời ta dùng chuyển đổi Theo cách chuyển đổi ngƣời ta chia chuyển đổi thành hai loại: - Biến đổi dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu đo Các chuyển đổi loại thƣờng dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở - Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo Các chuyển đổi phần tử áp điệnhoặc áp trở 3.5.1 Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm Cấu tạo chuyển đổi kiểu điện cảm biểu diễn hình 20.10 Bộ chuyển đổi gồm sắt từ động gắn màng (1) nam châm điện có lõi sắt (2) cuộn dây (3) 139 Hình 6.35: Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng 1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây Dƣới tác dụng áp suất đo, màng (1) dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ (d) sắt từ lõi từ nam châm điện, thay đổi độ tự cảm cuộn dây Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thông tản tổn hao lõi từ độ tự cảm biến đổi xác định công thức sau: (20.20) Trong đó: W - số vịng dây cuộn dây ltb, Stb: chiều dài diện tích trung bình lõi từ δ, S0 - chiều dài tiết diện khe hở khơng khí μ, μ0 - độ từ thẩm lõi từ khơng khí Thơng thƣờng ltb/(μStb)