Cảm biến áp điện

Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng.. Bảng 16.1 Vật li

Cảm biến áp điện

Bởi:

Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện

Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo

bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng Vật

liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao Tuy nhiên

hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung

lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp

cũng được sử dụng đáng kể

Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 16.1

Bảng 16.1

Vật liệu Độthẩmthấu Điệntrởsuất(Ω.m) ModunYoung(109N.m-2) Ứng lựccựcđại(107N.m-2)

Nhiệt độlàm

việcTmax (oC)

Thạch

Muối

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực

các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng

Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện Trên hình 16.1 biểu

Hình 16.1: Các dạng biến dạng cơ bản

a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang

c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song

Hình 16.2 : Cách ghép các phần tử áp điện

a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song

Trường hợp ghép song song hai bản áp điện (hình 16.2a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện Khi ghép nối tiếp (hình 16.2b) điện áp hở mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình 16.2c

Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm

Các cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm có cấu tạo như hình 16.3, chúng gồm các phiến cắt hình vòng đệm ghép với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục

Hình 16.3: Cấu tạo của cảm biến vòng đệm thạch anh

1) Các vòng đệm 2) Các tấm đế 3) Đầu nối dây

Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 103kN ( với đường kính ~ 10 cm)

Người ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đặt trước (dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự sụt giảm của lực nén Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%

Cảm biến thạch anh nhiều thành phần

Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo các hướng khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực

Hình 16.4: Cảm biến thạch anh nhiều thành phần

a) Ký hiệu các trục b) Các phiến cắt đặc biệt

c) Cảm biến ba thành phần vuông góc

Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26, do đó một vòng đệm cắt theo phương của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d11), các lực ký sinh tác động theo cạnh bên đều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu ứng của chúng liên quan đến d12, d14 sẽ không có mặt Tương tự như vậy, một vòng đệm cắt theo phương Y chỉ nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) và bằng cách lắp ghép hợp lý có thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25(cắt theo mặt)

ghép với nhau, một cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt còn lại nhạy với lực cắt Fy và Fz vuông góc với Fx

Sơ đồ mạch đo

Sơ đồ tương đương của cảm biến

Hình 16.5: Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện

a) Trong dải thông rộng b) Trong dải thông có ích c) Nối với mạch ngoài

Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với một nguồn dòng mắc song song với trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình 16.5a) Nhánh ρ, λ, γ đặc trưng cho cộng hưởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của cảm biến Điện trở trong Rg là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, khi ở tần số thấp nó trở thành trở kháng trong của cảm biến Tụ điện Cglà điện dung của nguồn phát điện tích, khi ở tần

số trung bình và cao nó trở thành trở kháng của cảm biến

Trên thực tế ở dải thông thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn ở hình 16.5b

Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tương đương điện trở R1 và tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tương đương có dạng hình 16.5c

Sơ đồ khuếch đại điện áp

Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tương đương với một điện trở Re mắc song song với một tụ Ce, khi đó mạch tương đương có dạng hình 16.6

Hình 16.6: Sơ đồ tương đương của cảm biến

mắc nối tiếp với bộ khuếch đại điện thế

Điện áp ở lối vào của khuếch đại xác định bởi công thức:

Sơ đồ khuếch đại điện tích

Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây nên ở lối

ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào Bộ khuếch đại điện tích gồm một bộ biến đổi điện tích - điện áp đầu vào, một tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung gian và một số tầng khuếch đại ở đầu ra để cung cấp tín hiệu ra (hình 16.7a)

Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày trên hình 16.7b

Hình 16.7: Sơ đồ khuếch đại điện tích

a) Sơ đồ khối

b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp