Báo cáo chương 19 cảm biến đo biến dạng (strain gages

LỜI NÓI ĐẦUHiện nay, khi chúng ta nhắc tới những thiết bị cảm biến tức là chúng ta nhắc tới những sản phẩm công nghệ tiên tiến và chúng đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sốn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

GVHD: GV Nguyễn Trường Duy

SVTH: Lê Phương Tiến 21161369Nguyễn Đặng Anh Phi 21161347

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 5

1.1 Tổng quan và lý do chọn đề tài 5

1.2.1 Mục tiêu 5

1.2.2 Nội dung thực hiện 5

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG 6

2.1 Giới thiệu về cảm biến đo biến dạng(Strain Gages) 6

2.2 Thông số đo lường dựa trên cảm biến đo biến dạng(Strain Gages) 17

2.3 Phương thức lắp đặt cảm biến đo biến dạng (Strain Gages) 31

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khi chúng ta nhắc tới những thiết bị cảm biến tức là chúng ta nhắc tới những sản phẩm công nghệ tiên tiến và chúng đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại,trong bảo mật, trong vận tải, các do h nghiệp, công nghiệp….Trong đó có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến rung gia tốc giúp chúng ta thu thập và phân tích độ rung từ đó đưa ra dự đoán về việc bảo trì máy móc, thiết bị Cảm biến điện dung giúp chúng ta phát hiện chất lỏng, chất rắn có thể sử dụng để đo mức liên tục của các tín hiệu ra.Cảm biến từ dùng để đo chuyển động theo vị trí hoặc chuyển động của một đối tượng chúng rất phổ biến trong công nghiệp và xuất hiện xung quanh chúng ta.Và một loại cảm biến nữa mà chúng em quyết định tìm hiểu trong đề tài này đó là cảm biến lực nó hoạt động dựa trên sự biến dạng của nó khi chịu một lực nào đó.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU1.1 Tổng quan

Sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật số đã chuyển đổi cách chúng ta sống và làm việc Từ việc thưởng thức âm nhạc, sử dụng máy tính, đến việc quản lý hệ thống tự động và thậm chí là cách chúng ta chăm sóc sức khỏe, công nghệ kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi khía cạnh của cuộc sống.

Với sự phát triển như vậy, chúng ta chỉ cần có một thiết bị thông minh bên người là bạn có thể đọc được các chỉ số sức khỏe một cách chính xác và chi tiết nhờ vào những cảm biến được tích hợp vào các thiết bị thông minh.

1.2.1 Mục tiêu

Hiểu biết về các công nghệ cảm biến hiện có trên thị trường Biết cách ứng dụng từng loại vào các lĩnh vực khác nhau

1.2.2 Nội dung thực hiện

Trong quá trình thực hiện báo cáo với đề tài “Cam biến Strain Gages” nhóm em sẽ tập trung giải quyết và hoàn thành các nội dung sau:

-Nội dung 1: Giới thiệu về công nghệ cảm biến Strain Gages -Nội dung 2: Các thông số tính được dựa trên cảm biến Strain Gages -Nội dung 3: Phương thức lắp đặt

5

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG2.1 Giới thiệu

TS Thomas Kenny, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Stanford

Cảm biến điện trở đo biến dạng được sử dụng trong nhiều loại cảm biến Chúng cung cấp một cách tiện lợi để chuyển đổi chuyển động (căng) thành tín hiệu điện "Đầu ra" của chúng thực chất là một thay đổi về trở kháng Nó có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp bằng cách kết nối sợi căng vào mạch cầu Một số cảm biến chỉ sử dụng một phần tử sợi căng duy nhất trong mạch cầu, cùng với ba tụ trụ cố định Một số khác sử dụng hai sợi căng và hai tụ trụ cố định, và các thiết kế gần đây nhất sử dụng bốn sợi căng Các sợi căng có thể là bất kỳ vật liệu nào, nhưng một số vật liệu có hiệu suất sợi căng tốt hơn nhiều Hợp kim kim loại độc quyền và bán dẫn silic là những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng

Cảm biến điện trở đo biến dạng

Cảm biến điện trở là một thiết bị có khả năng thay đổi trở kháng khi nó bị căng Hiệu ứng piezoresistive trong hầu hết các vật liệu có hai thành phần - thành phần hình học và thành phần trở kháng.

Các thành phần hình học của hiện tượng piezoresistivity đến từ việc một thành phần bị biến dạng trải qua sự thay đổi trong kích thước Các thay đổi về diện tích mặt cắt và chiều dài ảnh hưởng đến điện trở của thiết bị.

Một ví dụ tốt về hiệu ứng hình học của piezoresistivity là cảm biến biến dạng chất lỏng Rất nhiều thiết bị như này đã được sử dụng trong quá khứ Hãy tưởng tượng một ống đàn hồi được điền chất lỏng dẫn điện, chẳng hạn như thủy ngân Điện trở của thủy ngân trong ống có thể được đo bằng cặp điện cực kim loại, một cực ở mỗi đầu, như được thể hiện trong Hình 1.1 Vì thủy ngân về cơ bản không thể nén được, các lực được áp dụng dọc theo chiều dài của ống kéo giãn nó và cũng làm giảm đường kính của ống, với hiệu quả cuối cùng là thể tích vẫn giữ nguyên Điện trở của cảm biến biến dạng được xác định bởi R = (điện trở của thủy ngân)(chiều dài của ống)/(diện tích mặt cắt của ống).

Điều này có nghĩa là sự thay đổi phần trăm trong điện trở là gấp đôi sự thay đổi phần trăm trong chiều dài Nói cách khác, nếu một cảm biến biến dạng chất lỏng bị căng ra 1%, điện trở của nó tăng lên 2% Điều này đúng đối với tất cả các cảm biến biến dạng chất lỏng, vì điều duy nhất cần thiết là chất trung gian không thể nén được.

Cảm biến biến dạng chất lỏng đã được sử dụng trong các bệnh viện để đo lường sự thay đổi áp lực trong máu Một ống cao su được điền thủy ngân được căng quanh chiều cẳng của người và sự biến động áp lực được ghi lại trên một bản ghi dòng viền và hình dạng của xung áp lực được sử dụng để chẩn đoán tình trạng của các động mạch Các thiết bị như vậy đã được thay thế bằng các thiết bị cảm biến biến dạng bán dẫn trong bệnh viện hiện đại, nhưng ví dụ này vẫn thú vị từ một góc độ giới thiệu.

Dây kim loại cũng có thể được sử dụng như cảm biến biến dạng Tương tự như cảm biến biến dạng chất lỏng, việc căng dây kim loại thay đổi hình học của nó theo cách tác động để tăng điện trở Đối với dây kim loại, chúng ta có thể tính toán hệ số cảm biến như chúng ta đã làm cho cảm biến chất lỏng, ngoại trừ chúng ta không thể giả định kim loại không thể nén được và không thể giả định điện trở là một hằng số:

Sau đó

được định nghĩa là tỉ số Poisson, v, chúng ta có:

Đối với các kim loại khác nhau, đại lượng này phụ thuộc vào các đặc tính vật liệu và chi tiết của cơ chế dẫn Nói chung, kim loại có các hệ số cảm biến từ 2 đến 4.

Bây giờ, vì căng thẳng nhân diện tích bằng lực, và sự thay đổi phần trăm trong điện trở bằng hệ số cảm biến nhân sự thay đổi phần trăm trong chiều dài (biến dạng), và căng thẳng là mô đun Young nhân biến dạng, chúng ta có:

Vì vậy, sự thay đổi phần trăm trong điện trở của một cảm biến biến dạng tỉ lệ với lực được áp dụng và tỉ lệ với hệ số cảm biến chia cho mô đun Young của vật liệu Rõ ràng, chúng ta muốn có một sự thay đổi lớn trong điện trở để đơn giản hóa thiết kế của các phần còn lại của một công cụ đo, vì vậy chúng ta thường thử chọn đường kính nhỏ, mô đun Young nhỏ và hệ số cảm biến lớn nếu có thể Giới hạn đàn hồi của hầu hết các vật liệu là dưới 1%, vì vậy chúng ta thường đang nói về sự thay đổi điện trở trong khoảng từ 1% - 0.001% Rõ ràng, việc đo lường các điện trở như vậy không dễ dàng, và chúng ta thường thấy các cầu điện trở được thiết kế để tạo ra điện áp có thể được đưa vào mạch khuếch đại.

9

Hình 1.2: Cảm biến biến dạng màng mỏng (Được cung cấp bởi Vishay.)

Cảm biến biến dạng màng mỏng

Trong nhiều năm qua, đã có một ngành công nghiệp liên quan đến chế tạo và tiếp thị các cảm biến biến dạng màng mỏng bằng kim loại và các công cụ và thiết bị cần thiết để gắn những cảm biến này và dây vào các cấu trúc cơ khí khác nhau Một bức ảnh của một cảm biến biến dạng màng mỏng được hiển thị trong Hình 1.2 Cảm biến biến dạng màng mỏng cụ thể này bao gồm một mạng dây kim loại được mô hình sao cho nó chủ yếu nhạy cảm đối với sự kéo dài theo một hướng Có sẵn cảm biến biến dạng từ nhiều nhà cung cấp, và hàng trăm mẫu màng kim loại có thể được lựa chọn, với các mẫu khác nhau cung cấp độ nhạy đối với biến dạng theo các hướng cụ thể Trong những năm gần đây, việc sử dụng một điểm đặc biệt là silic đã được nhiều người áp dụng, bởi vì silic đã được doping là một chất dẫn mà có hệ số cảm ứng lớn lên đến 200, phụ thuộc vào lượng doping Điều này tạo cơ hội để tạo ra các cảm biến biến dạng từ silic và sử dụng chúng để sản xuất các thiết bị nhạy hơn so với việc sản xuất trong bất kỳ vật liệu khác.

Bọc kín Lớp phủ

Lớp mạ đồng

Các thiết bị vi mô

Một khía cạnh khác của tính tiện ích của silic là trong những năm gần đây, đã có sự phát triển của một họ các kỹ thuật etsilic cho phép chế tạo các cấu trúc vi cơ từ wafer silic Thông thường được gọi là quá trình gia công vi cơ silic, các kỹ thuật này sử dụng các kỹ thuật mô hình và xử lý trong ngành điện tử để định nghĩa và sản xuất các cấu trúc vi cơ.

Kỹ thuật gia công vi cơ có thể được sử dụng để chế tạo các thanh cắt giảm điện trở cho nhiều ứng dụng khác nhau Nghiên cứu gần đây (Ben Chui tại Stanford và John Mamin tại IBM Almaden) đã tập trung vào việc phát triển các thanh cắt giảm điện trở cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu Trong thiết kế này, một thanh cắt giảm điện trở dài 100 micron được kéo dọc theo một đĩa polycarbonate với vận tốc 10 mm/s, lên xuống khi đi qua các lõm cấu trúc cấp sub-micron trên bề mặt đĩa Ý tưởng này chính là một chiếc kim đĩa có hiệu suất cao Các thiết bị được hiển thị trong Hình 1.4 là minh họa cho thanh cắt được phát triển cho ứng dụng lưu trữ dữ liệu này Kể từ năm 2000, các nhà nghiên cứu tại IBM Zurich, do Vettiger lãnh đạo, đã chế tạo các mảng thanh cắt giảm điện trở 2 chiều lớn phù hợp cho hệ thống lưu trữ dữ liệu mật độ cao dựa trên phương pháp này.

Hình 1.3: Cảm biến biến dạng silic.(Tiến sĩ Marco Tortonese, luận án tiến

sĩ, Đại học Stanford, 1992.)

Hình 1.4: Lưu trữ dữ liệu cơ nhiệt AFM (Luận án của Ben Chui, Tiến sĩ, được xuất bản năm 1998.)

Có thể nói nhiều về các kỹ thuật này, nhưng hiện tại chúng ta chỉ nêu rõ rằng các kỹ thuật này có khả năng chế tạo các màng và thanh cắt của silic có độ dày trong khoảng vài micromet và kích thước bên ngoài từ vài trăm micromet đến mili-met (xem Hình 1.3) Các tính chất cơ học của các cấu trúc này chính xác như những đặc tính cơ học tổng thể của silic.

Do các kết cấu micro này có thể có cảm biến biến dạng nhạy được gắn trong đó, dễ thấy rằng một số thiết bị cảm biến hữu ích có thể được chế tạo Các ví dụ cụ thể bao gồm các cảm biến áp suất dựa trên cảm biến biến dạng, trong đó một mảng cảm biến biến dạng có thể được đặt xung quanh viền của một màng mỏng và được kết nối thành cấu hình cầu để tự động loại bỏ các tín hiệu nhiễu và tín hiệu trôi

Độ chính xác của đo lường điện trở của cảm biến biến dạng

Độ chính xác của đo lường điện trở của cảm biến biến dạng cũng là một vấn đề quan trọng Thông thường, độ chính xác được cải thiện bằng cách sử dụng dòng điện lớn hơn và tạo ra sự thay đổi điện áp lớn hơn Tuy nhiên, giới hạn thực tế về lượng dòng điện có thể sử dụng đến do sự tiêu thụ công suất trong mô-đun cảm biến Vì lí do này, các công nghệ kết dính cảm biến biến dạng màng mỏng đã được tối ưu để tối đa hóa sự dẫn nhiệt từ màng mỏng đến mẫu Cải thiện khả năng dẫn nhiệt cho phép sử dụng nhiều dòng điện hơn trong quá trình đo lường.

Nhiều cảm biến biến dạng, đặc biệt là cảm biến biến dạng silic đã được doping, nhạy cảm đối với thay đổi nhiệt độ Trong một số trường hợp, hiện tượng này có thể hữu ích - đặc biệt là nếu ứng dụng cũng cần đo lường nhiệt độ Tuy nhiên, thông thường không phải lúc nào cũng như vậy, do đó cần phải bù đắp cho độ nhạy này Cách đơn giản nhất để làm điều này là chế tạo các trở kháng tham chiếu từ cùng vật liệu, và đặt chúng sao cho chúng không cảm nhận tín hiệu biến dạng Một cấu hình cầu có thể dễ dàng được sắp xếp để giữ lại độ nhạy biến dạng trong khi loại bỏ độ nhạy nhiệt độ của một mảng cảm biến biến dạng Những sắp xếp như vậy rất quan trọng và dễ dàng được tạo ra, nên rất phổ biến.

Ứng dụng

Các cảm biến biến dạng được sử dụng trong các cảm biến nơi mức biến dạng từ trung bình đến lớn được dự đoán sẽ xảy ra (0,001% - 1%), nơi cần thiết thiết bị giá rẻ, nơi cần các thiết bị silic vi mô nhỏ gọn, và nơi tín hiệu dự kiến có tần số từ DC đến vài kHz Giới hạn tần số xảy ra do cấu hình kết dính của các thiết bị này thường dẫn đến dung tích ngẫu nhiên lớn, dẫn đến việc lọc ra tín hiệu biến đổi nhanh chóng.

13

Phép tính ví dụ: Cân biến dạng điện trở

Hình 1.5: Bằng cân biến dạng điện trở (Được chia sẻ từ luận văn tiến sĩ của Marco Tortonese [Stanford, 1998].)

Bài toán và hình ảnh mô phỏng được lấy từ luận văn của Tiến sĩ Marco Tortonese, trong đó mô phỏng và vận hành một Atomic Force Microscope (AFM) dựa trên cân biến dạng piezoresistive đã được mô tả chi tiết Tính toán độ nhạy của một bằng cân biến dạng piezoresistive được trình bày ở đây nhằm cung cấp một ví dụ về tính toán cảm biến biến dạng Như được thể hiện trong Hình 19.1.5, chúng ta sử dụng một bằng cân biến dạng piezoresistive để cảm nhận các biến đổi trong hình dạng một bề mặt đi qua Kỹ thuật này đã được chứng minh trong Atomic Force Microscope (AFM) bởi một số sinh viên sau đại học trong nhóm của Cal Quate tại Stanford Trong AFM, lực hấp dẫn giữa một đầu nhọn và bề mặt mẫu gây ra những uốn cong nhỏ của cân Nếu cảm biến mỏng đến mức đủ, các lực liên quan đến tương tác nguyên tử giữa các nguyên tử riêng lẻ có thể được đo lường Mối quan hệ giữa tải trọng và uốn cong cho một thanh cân đơn giản là

Khi

◆ Chế độ "Chop" được kích hoạt

◆ Hiệu chuẩn hệ thống đã được thực hiện: Zero và Full-scale ■ Hiệu suất

◆ Nhiễu RTI: 40 nV rms, 264 nV p-p

◆ Độ phân giải không nhiễu: 80,000 Counts (16.5 bit) ◆ Độ không tuyến tính của gain: 18ppm

◆ Độ chính xác của gain: <1 µV ◆ Điện áp offset: <1 µV ◆ Điện áp offset drift: 0.5 µV/°C ◆ Điện áp gain drift: 2 ppm/°C

◆ Ghi chú: Điện áp offset và gain drift có thể được giảm thiểu bằng cách hiệu chuẩn lại hệ thống

Hình 2.14: Hiệu suất của ADC cảm biến tải AD7730.

Tham khảo:

1 Ramon Pallas-Areny và John G Webster, Sensors and Signal Conditioning, John Wiley, New York, 1991.

29

2 Dan Sheingold, Editor, Transducer Interfacing Handbook, Analog Devices, Inc., 1980.

3 Walt Kester, Editor, 1992 Amplifier Applications Guide, Section 2, 3, Analog Devices, Inc., 1992.

4 Walt Kester, Editor, System Applications Guide, Section 1, 6, Analog Devices, Inc., 1993.

5 Harry L Trietley, Transducers in Mechanical and Electronic Design, Marcel Dekker, Inc., 1986.

6 Jacob Fraden, Handbook of Modern Sensors, Second Edition, Springer-Verlag, New York, NY, 1996.

7 The Pressure, Strain, and Force Handbook, Vol 29, Omega Engineering, One Omega Drive, P.O Box 4047, Stamford CT, 06907-0047, 1995 (http://www.omega.com)

8 The Flow and Level Handbook, Vol 29, Omega Engineering, One Omega Drive, P.O Box 4047, Stamford CT, 06907-0047, 1995

9 Ernest O Doebelin, Measurement Systems Applications and Design, Fourth Edition, McGraw-Hill, 1990.

10.Tài liệu AD7730, Analog Devices, http://www.analog.com.

19.3 Các cách lắp đặt cảm biến Strain Gage

George C Low, HITEC Corporation

Có nhiều phương pháp lắp đặt cảm biến Strain Gage khác nhau mà được đề cập đến ở nơi khác trong cuốn sách này Phần này sẽ cung cấp một số chi tiết về mỗi phương pháp lắp đặt phổ biến hơn sử dụng các loại cảm biến Strain Gage phổ biến nhất (cảm biến dán bằng lá kim loại và cảm biến dây tự do) Người đọc được khuyến khích nghiên cứu thêm về các phương pháp mà mình quan tâm, vì không thể đề cập đến tất cả các kỹ thuật lắp đặt trong phần ngắn này Hãy nhớ rằng việc lắp đặt cảm biến Strain Gage là một quy trình thủ công, đặc biệt đối với các lắp đặt cảm biến dây tự do phức tạp, chất lượng của việc lắp đặt phần nào phụ thuộc vào kinh nghiệm của người lắp đặt và không chỉ dựa trên việc tuân theo đúng các bước cần thiết Có các sửa đổi khác nhau cho các kỹ thuật lắp đặt sau đây dựa trên các yêu cầu cụ thể, môi trường, v.v., nhưng chúng có thể được coi là hướng dẫn chung về kỹ thuật lắp đặt Có các phương pháp lắp đặt cảm biến Strain Gage trong đó cảm biến Strain Gage thực sự được tạo ra trong quá trình lắp đặt Loại lắp đặt này thường được gọi là phương pháp phun mạ hoặc phun sputtering Phương pháp lắp đặt cụ thể này không được coi là một phần của các phương pháp lắp đặt chung của cảm biến Strain Gage và chỉ được đề cập ngắn gọn ở cuối phần này Chúng tôi sẽ phân loại việc lắp đặt cảm biến Strain Gage thành ba danh mục chính: Phân tích căng thẳng chung, Lắp đặt cảm biến chính xác và Lắp đặt ở nhiệt độ cao Phần cuối sẽ nói vắn tắt về các lắp đặt đặc biệt và đề cập ngắn gọn đến các loại lắp đặt khác.

Lắp đặt phân tích căng thẳng chung (Cảm biến dán bằng lá kim loại)

Đối với phân tích căng thẳng tổng quát, người dùng thường quan tâm chủ yếu đến việc thu thập dữ liệu căng thẳng / độ đàn hồi một cách nhanh chóng và chính xác Các ví dụ về điều này bao gồm xác nhận mô hình FEA, xác nhận thiết kế tổng quát, phân tích sự cố kết cấu, kiểm tra vòng đời gia tăng đơn giản, v.v Các cài đặt như thế này thường không đòi hỏi các phương pháp sản xuất giống như một cảm biến hiệu suất cao và chính xác (ví dụ: hoạt động sau khi chữa trị).

31