Cảm biến biến dạng

LOGO Cảm biến biến dạng Hà Nội-2011 1.Biến dạng và phương pháp đo 1.1.Định nghĩa một số đại lượng cơ học -Định nghĩa biến dạng : ε=∆l/l l-kích thước ban đầu ∆l-độ biến thiên kích thước. -Giới hạn đàn hồi:Là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt qua 2% tính bằng kG/mm 2 .Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép ~20-80kG/mm 2 . -Môđun Young(Y): ε ll =1/Y.F/S=1/Y.σ (kG/mm 2 ) F-lực tác dụng,kG S-tiết diện chịu lực,mm 2 σ-ứng lực,σ=F/S ε ll(thép) =18.000-29.000kG/mm 2 -Hệ số poison ν : ε ⊥ =-νε ll (biến dạng theo phương ⊥ với lực) Trong vùng biến dạng đàn hồi :ν≈0,3 1.2.Phương pháp đo biến dạng Hiện nay sử dụng phổ biến 2 loại đầu đo biến dạng: -Đầu đo diện trở:loại đầu đo dùng phổ biến nhất.Chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng,kích thước nhỏ:vài mm-vài cm.Khi đo được dán trực tiếp lên cáu trúc biến dạng -Đầu đo dạng dây rung dùng trong ngành xây dựng.Đầu đo làm bằng 1 sợi dây kim loại căng giữa 2 điển cần đo biến dạng. 2.Đầu đo điện trở kim loại. 2.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. -Dạng dây dẫn: Dây điện trở kim loại gắn trên đế: Đường kính dây:d≈20µm Bề dày giá đỡ :0,1mm(giấy) 0,3mm(nhựa) -Dạng màng lưới: Màng kim loại chế tạo trên đế Tạo hình dạng quang trở bằng phương pháp quang khắc Kích thước :mm-cm -Vật liệu:thường thuộc họ hợp kim Ni 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-volfram 92%Pt,8%W 4,1 Khi đo cảm biến được dán lên bề mặc cần đo biến dạng Biến dạng của vật nghiên cứu →cảm biến bị biến dạng →thay đổi R của cảm biến Cấu trúc cảm biến: Lưới bằng dây dẫn:điện trở suất ρ,tiết diện S chiều dài nl (n-số đoạn) Điện trở của cảm biến:R=ρl/S .biến dạng →∆R Biến dạng dọc của dây → thay đổi kích thước chiều ngang 1,b,hoặc d Quan hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc: ρ ρ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S R R    ∆ ν−= ∆ = ∆ = ∆ d d b b a a Tiết diện dây S=a.b hoặc S=Πd 2 /4 → Sự khác nhau giữa các loại cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào ∆ρ/ρ Mặt khác,đối với đầu đo kim loại: (biểu thức Bridman) C-hằng số Bridman Vì V=Snl→ → → K-hệ số đầu đo K=1+2ν +C(1-2ν) Vì ν≈0,3→ 2 đầu đo kim loại có K≈2 2.2.Các đặc trưng chủ yếu. -Điện trở suất:phải đủ lớn để dây không quá dài→tăng kích thước cảm biến,không quá bé→giảm dòng đo→giảm độ nhạy -Hệ số đầu đo: +Phụ thuộc vật liệu K=2-4,1 +Phụ thuộc ứng lực :  ∆ ν−= ∆ 2 S S V V C ∆ = ρ ρ∆  ∆ ν−= ∆ )21( V V  ∆ ν−= ∆ )21(C V V { }     ∆ = ∆ ν−+ν+= ∆ .K)(C)( R R 2121 .Trong giới hạn đàn hồi:R phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng →K không đổi .Ngoài vùng giời hạn đàn hồi →K phụ thuộc ứng lực (ε> 0,5% ÷ 20% tùy thuộc vào loại v.liệu): ν = 0,5 K ≈ 2. TD: isoelastic : K = 3,5 khi ε < 0,65% K = 2 khi ε > 0,65% -K phụ thuộc nhiệt độ 100 0 C<T<300 0 C :K(T)=K 0 {1+α K (T-T 0 )} K 0 –hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T 0 (thông thường T 0 =25 0 C) α K –phụ thuộc vật liệu. nichrome: α K = -0,04%/ o C constantan: α K = +0,01%/ o C -Độ nhạy ngang: Điện trở cảm biến: R=R L +R t → Với : và Các đoạn ngang (có đọ dài tổng cộng t và điện trở R t ) R R R R R R t L ∆ + ∆ = ∆  ∆ = ∆ .K R R L L t t t t .K R R  ∆ = ∆ Trên thực tế phải giảm kích thước phần ngang sao cho R t <<R L 3.Cảm biến áp trở silic 3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động -Đầu đo loại cắt : +đơn tinh thể silic pha tạp +chiều dài L:từ 0,1mm đến vài mm +kích thước nhỏ,độ nhạy ngang ~0 -Đầu đo khuếch tán: +khuếch tán tạp vào 1 tấm đế đơn tinh thể silic pha tạp. +Đế loại P khuếch tán tạp nhóm V(P,Sb) →điện trở loại N +Đế loại N khuếch tán tạp nhóm III(Ga,In) →điện trở loại P Khi có lực tác dụng gây nên biến dạng,độ dẫn thay đổi →∆R/R Bán dẫn : K=1+2ν+πY Thông thường :K=100-200 ρ ρ∆ + ∆ ν+= ∆   )21( R R  ∆ π=π= ρ ρ∆ Y s F ( ){ }     ∆ = ∆ π+ν+= ∆ → KY21 R R 3.2.Các đặc trưng chủ yếu: Độ pha tạp quyết định các đặc trưng của cảm biến: Khi độ pha tạp ↑,K↓,độ nhạy nhiệt ↓,độ tuyến tính ↑. -Điện trở : +phụ thuộc nồng độ pha tạp:nồng độ pha tạp tăng→mật độ dẫn điện tăng→ρ giảm xuống +biểu thức chung: )pn(q pn µ+µ =ρ 1 q-điện tích điện tử hoặc lỗ trống(1,6.10 -19 C) n,p-mật độ điện tử và lỗ trống tự do µ n ,µ p -độ linh động của điện tử và lỗ trống. [...]... Y l 2l d l Gi s l= : kộo di KN u N = ban 0 2 2 v N0 :tn s tng ng khi cha cú bin dng Vỡ l=l1 -l0 ,suy ra : l = K ( N12 N 0 2 ) N1 ,N0 cú th tớnh c bin dng ca cu trỳc l l0 = KN 0 2 l Mt số loại cảm biến biến dạng: SUPERFLEX Cm bin ỏp in thm dũ o bin dng v cỏc lc bờn trong cỏc b phn mỏy Mt SUPERFLEX c bit-Cụng c cú sn cho v trớ v tht cht cỏc cm bin mt cỏch chớnh xỏc Hãng sản xuất:Bestech Australia . kim-volfram 92%Pt,8%W 4,1 Khi đo cảm biến được dán lên bề mặc cần đo biến dạng Biến dạng của vật nghiên cứu cảm biến bị biến dạng →thay đổi R của cảm biến Cấu trúc cảm biến: Lưới bằng dây dẫn:điện. (n-số đoạn) Điện trở của cảm biến: R=ρl/S .biến dạng →∆R Biến dạng dọc của dây → thay đổi kích thước chiều ngang 1,b,hoặc d Quan hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc: ρ ρ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S R R    ∆ ν−= ∆ = ∆ = ∆ d d b b a a . LOGO Cảm biến biến dạng Hà Nội-2011 1 .Biến dạng và phương pháp đo 1.1.Định nghĩa một số đại lượng cơ học -Định nghĩa biến dạng : ε=∆l/l l-kích thước ban đầu ∆l-độ biến thiên kích