cảm biến đo biến dạng

cảm biến đo biến dạng

I Khái niệm, Nguyên lý

II Cấu tạo cảm biến biến dạng

1 Cảm biến điện trở kim loại

2 Cảm biến áp trở silic

3 Cảm biến dây rung

Nội dung:

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM 8/3/15 2

Khái niệm chung:

Biến dạng: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước và kích thước ban đầu :

 Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến lực cũng mất theo

Biến dạng mà còn tồn tại ngay cả khi ứng lực mất là biến dạng dư

Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2% tính bằng Kg/mm2

Mô đun Young (Y) :xác định biến dạng theo phương ứng lực

F - Lực tác dung

S - Tiết diện chịu lực

- ứng lực

l

l

∆

=

ε

σ

ε

Y YS

F

ll

1

1

=

=

σ

I Nguyên lý,phương pháp đo biến dạng

Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực Giữa biến dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau , đo biến dạng ta có thể tính đượcứng lực tác dụng lên kết cấu

các đầu đo biến dạng thường dùng trong công nghiêp như đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn – áp điện trở, ứng suất kế rung và các đầu đo trong chế độ động

Môn: Đo lường cảm biến HCM :8/3/15 4

Có 2 loại đầu đo được sử dung phổ biến:

a) Đầu đo 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) Đầu đo 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

II Cấu tạo

1. Cảm biến điện trở kim loại

a) Dạng lưới dây b) Dạng lưới màng

Đế cách điện

Dây điện trở

Đế cách điện

Màng điện trở

• 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)

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 6

• Vật liệu chế tạo điện trở:

• Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:

1

6

7

1.Bề mặt khảo sát 5 Dây dẫn

2.Cảm biến 6 Cáp điện

3.Lớp bảo vệ 7 Keo dán

4.Mối hàn

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 8

• Điện trở của cảm biến:

⇒

; Với

(C: hằng số Bridman)

⇒

S

l

R = ρ .

l

l S

S = − ν ∆

l

l C

V

V

=

ρ ρ

l

l K l

l C

R

( 1 + 2 ν ) ( + 1 − 2 ν ) ≈ 2

K

ρ

ρ

∆ +

∆

−

∆

=

∆

S

S l

l R

R

2 Cảm biến áp trở silic

a) Loại dùng mẫu cắt

P

P N

N N N

Điêạn trởở Đêấ cách điêạn

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 10

• Điện trở của cảm biến:

⇒

Với; ,(π: hệ số áp điện trở)

⇒

( pt sai phân )

S

l

R = ρ .

ρ

ρ

∆ +

∆

−

∆

=

∆

S

S l

l R

R

l

l S

S = − ν ∆

l

l K l

l Y

R

200 100

2

1 + ν + π = ÷

K

l

l

π

= πσ

= ρ

ρ

∆

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

•Phụ thuộc độ biến dạng:

Khi ε nhỏ → có thể coi K = const

-100 0 100 200 300 400 500

ToC

40 80 120 160 180 200 240

600

1020 3.1019 5.1018 1017/cm3

K

Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp và nhiệt độạ

.

2 2 2

K

K = + +

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 12

 Nguyên lý hoạt động

- Đầu đo bán dẫn đợc làm bằng đơn tinh thể silic pha tạp Cấu tạo của chúng phụ thuộc các chế tạo

- Đầu đo loại cắt: chế tạo từ các mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp có

- Điện trở loại N nhận đợc bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (nh P, Sb), còn điện trở loại P khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (nh Ga, In) vào đế silic loại N Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên một điot và luôn đợc phân cực ngược (vùng P âm hơn

vùng N) để cho điện trở của cảm biến cách biệt với đế silic

 Ưu điểm

 Hệ số đo góc lớn, đo chính xác

 Kích thước nhỏ gọn

 Đáp ứng nhanh

 Có độ bền tốt

 Nhược điểm

 Dễ gẫy => không đo được biến dạng lớn

 Hệ số đo không là hằng số

 Phi tuyến

 ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 14

3 Cảm biến dây rung

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

A

B l

A

B0 N0

l+ ∆ l0

∆ l0

l+ ∆ l1

∆ l1

∆ l

F0 F0

• Tần số dao động:

⇒

Khi có biến dạng:

độ dãn do biến dạng

• Đo N1 và N0 ⇒

∆l0: biến dạng ban đầu

l – chiều dài dây;

F: lực tác dụng (căng dây);

S- tiết diện dây;

Y- môđun Young ;

d – khối lượng riêng của vật liệu dây

l

l d

Y l

Sd

F l

2

1 2

=

2 0

2

Y

ld

4 l

l

=

=

∆

2 1

l

l

=

∆

0

2

N

K l

l

−

=

∆

0

l

∆

Môn: Đo lường cảm biến NHÓM HCM :8/3/15 16

 Đặc điểm:

Cấu tạo đơn giản.

Đo được biến dạng của kết cấu lớn.

⇒ Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.

 Hình ảnh của cảm biến biến dạng

Môn: Đo lường cảm biến HCM :8/3/15 18

THE END

Thanks for you watching !!!