Cảm biến công ngiệp-chuong 5

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≈20µm 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 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 - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1 2. Cảm biến điện trở kim loại • Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng: 1 2 3 5 4 6 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−= ∆ 2 ; Với l l C V V C ∆ ν−= ∆ = ρ ρ∆ )21( (C: hằng số Bridman) ( ) ( ){ } l l K l l C R R ∆ = ∆ ν−+ν+= ∆ .2121 ⇒ Với ( ) ( ) 22121 ≈ν−+ν+= CK → 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 αK = +0,01%/oC, isoelastic khá lớn). • Ảnh hưởng của biến dạng ngang→sai số (không đáng kể có thể bỏ qua). ( ) ( ) [ ] 00 1 TTKTK K −α+= 3. Cảm biến áp trở silic 3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: P P N N NN N N Điện trở Đế cách điện a) Đơn b) Nối tiếp c) Song song d) Song song a) Loại dùng mẫu cắt [...]... 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: l B A l+∆l0 F0 A N0 B0 F0 ∆l0 ∆l l+∆l1 F1 A N1 ∆l1 B1 F1 5 Cảm biến dây rung • Tần số dao động: N0 1 = 2l F 1 = Sd 2l ∆l0 4ld 2 = N = K N 02 Y ⇒ l l0 Y ∆ d l ∆l0: biến. .. lực tác dụng (căng dây); S- tiết diện dây; Y- môđun Young ; d – khối lượng riêng của vật liệu dây ∆l1 = K N 12 độ dãn do biến Khi có biến dạng: l ∆l 2 2 ∆ l = ∆ l1 − ∆ l0 ⇒ = K ( N1 − N0 ) dạng l ∆l • Đo N1 và N0 ⇒ 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 ... 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 = ⇒ S ∆S ∆l = −2ν Với S l ∆R ∆l ∆S ∆ρ = − + R l S ρ ; ∆ρ ∆l = πσ = πY ρ l ⇒ (π: hệ số áp điện trở) ∆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 3.2 Đặc điểm: ρ (Ω.cm) 1 a) Điện trở (R): • Phụ thuộc độ pha... 10-2 10-3 1014 10 15 1016 1017 1018 1019 Nồng độ tạp chất/cm3 ρ (Ω.cm) 7 6 5 4 3 2 -100 1014 1016 101 8 1020 0 100 200 300 400 50 0 ToC 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 K 240 200 180 160 120 80 40 1017/cm3 5. 101 8 3.101 9 102...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: SiO2 Dây nối Điện trở (Si-P) Đế (Si-N) • Điện trở:... vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng → K giảm, độ pha tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc K 240 200 180 160 120 80 40 1017/cm3 5. 101 8 3.101 9 102 0 -100 0 100 200 300 400 50 0 600 ToC Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp và nhiệt độ • Phụ thuộc độ biến dạng: K = K 1 + K 2 ε + K 2 ε 2 Khi ε nhỏ → có thể coi K = const 4 Đầu đo trong chế độ động 4.1 Yêu cầu về tần số sử dụng tối đa (fmax): V f max = Điều kiện: . 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. 2 ,5 Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1 2. Cảm biến điện trở kim loại • Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng: 1 2 3 5 4 6 7 1.Bề mặt khảo sát 2 .Cảm biến 3.Lớp bảo vệ 4.Mối hàn 5. . 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