Chapter 2: Cảm biến điện trở (2b)

4 Bài giảng Kỹ Thuật Cảm Biến (sensors) Hoang Si Hong 2011 -Faculty of Electrical Eng., Hanoi Univ of Science and Technology (HUST), Hanoi, VietNam Hoang Si Hong-HUST Nguồn tham khảo Note: Bài giảng môn học tham khảo, trích dẫn lược dịch từ nguồn sau:   - Sách Kĩ thuật đo lường đại lượng điện tập 1, 2- Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế… Các cảm biến đo lường-Lê Văn Doanh… Các cảm biến-Nguyễn Tăng Phô Đo lường điện cảm biến: Ng.V.Hoà Hoàng Sĩ Hồng Sensor technology handbook (edited by JON WILSON) Elements of Electronic Instrumentation and Measurement (Prentice-Hall Company) Sách giải thích đơn vị đo lường hợp pháp Việt Nam Bài giảng website: Bài giảng kĩ thuật cảm biến-Hoàng Sĩ Hồng-BKHN(2005) Bài giảng Cảm biến kỹ thuật đo:P.T.N.Yến, Ng.T.L.Hương –BKHN (2010) Bài giảng MEMs ITIMS – BKHN Một số giảng cảm biến đo lường từ trường đại học KT khác Việt Nam Website: sciendirect/sensors and actuators A and B Hoang Si Hong-HUST Nội dung môn học mục đích Nội dung ● Chapter 1: Khái niệm chung Cảm biến (2b) ● Chapter 2: Cảm biến điện trở (2b) ● Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ (2b) ● Chương 4: Cảm biến quang (2b) ● Chương 5: Cảm biến tĩnh điện (2b) ● Chương 6: Cảm biến Hall hoá điện ● Chương 6: Cảm biến PLC(1b) Mục đích: nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng loại cảm biến thông dụng công nghiệp đời sồng Nắm xu phát triển chung công nghệ cảm biến giới Hoang Si Hong-HUST Chương 3: Cảm biến điện trở Nội dung ● Cảm biến điện trở lực căng ● Biến trở Bao nhiêu kg ? Hoang Si Hong-HUST Điện trở lực căng (strain gage)-Cấu tạo • Cấu tạo (dây điện trở, màng mỏng kim loại, bán dẫn (silicon, SiC…) • Dây mảnh, mỏng màng mỏng • Trên giấy mỏng cách điện, dán dây điện trở (constantan, nicrom ) hình lược đường kính 0.02 – 0.03 mm Chiều dài lo thường từ 8-15 mm, chiều rộng a0 3-10 mm Điện trở ban đầu 800 – 1000 Ω, lượng thay đổi điện trở khoảng 10-15 Ω a0 l0 Hoang Si Hong-HUST Nguyên lý Khi dây dẫn chịu biến dạng khí điện trở thay đổi, tượng gọi hiệu ứng tenzo (piezoresitive) Chuyển đổi làm việc dựa hiệu ứng gọi chuyển đổi điện trở lực căng Hoang Si Hong-HUST Một số tính chất cảm biến -Tuỳ theo đường kính dây có dòng cho phép qua tương ứng -Ví dụ: đường kính = 12 mm dòng cho phép 15 mA - Đường kính = 15 mm dòng cho phép 35 mA - Thông thường độ nhạy theo lí thuyết sẻ khác so với đặc tính thực tế Do sản xuất người ta sẻ chế tạo hàng loạt Sau cảm biến sẻ hiệu chuẩn đơn tuỳ thưo ứng dụng thực tế - Hệ số nhiệt độ vật liệu cần phải bé cần có bù nhiệt mạch đo - Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để giảm kích thước chuyển đổi - Tăng độ dài tác dụng lo để tăng độ nhạy Hoang Si Hong-HUST Cách dán tenzo - Kỷ thuật dán (hình vẻ): trước dán phải làm bề mặt vật liệu hoá chất-> phủ lớp keo dán Chọn vị trí dán: có độ biến dạng lớn để tăng độ nhạy Hoang Si Hong-HUST Mạch đo Hoang Si Hong-HUST Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 10 Ứng dụng phần tử điện trở lực căng cho cảm biến áp suất - P= h ρ g, P = F/A Trong h chiều cao cột chất lỏng ρ trọng lượng riêng chất lỏng g gia tốc trọng trường F lực tác động lên đơn vị diện tích A Pa=1 N/m2 = 7.5×10−4 cm Hg atm=760 torr=101,325 Pa psi=6.89×103Pa=0.0703 atm Cảm biến áp suất kiểu biến dạng màng Cảm biến áp suất kiểu sỏ MEMS Gage Factor = G = (ΔR/R)/(ΔL/L) Hoang Si Hong-HUST 16 Cảm biến áp suất thuỷ ngân - Khi áp suất cần đo tác động, chiều cao cột thuỷ ngân nhánh ống lệch , điều dẫn đến điện trở hai khối không khí hai nhánh ống lệch lượng ΔR điện áp cầu điện trở là: Hoang Si Hong-HUST 17 Cảm biến áp suất kiểu màng mỏng sử dụng điện trở lực căng dây kim loại Mối liên hệ độ vỏng Z áp suất p xác định sau: - - Trong r bán kính màng, E Young’s modulus (N/m2), v is Poisson’s ratio g độ dày mỏng màng -> độ vỏng thay đổi tỷ lệ với thay đổi điện trở điện trở lực căng-> áp suât Hoang Si Hong-HUST 18 Cảm biến áp suất kiểu MEMS sử dụng vật liệu bán dẫn làm phần tử nhạy Hoang Si Hong-HUST 19 Cảm biến áp suất kiểu MEMS sử dụng vật liệu bán dẫn làm phần tử nhạy - Khi có ứng suất tác động vào màng Thì điện trở phần tử nhạy thay đổi là: - Trong πl σl hệ số áp trở (piezoresistive) ứng suất theo hướng dọc σt πt là hệ số áp trở (piezoresistive) ứng suất theo hướng ngang - Điện áp cầu Hoang Si Hong-HUST 20 ứng dụng SiC cho việc chế tạo cảm biến đo áp suất (MEMS) Hoang Si Hong-HUST 21 Thuộc tính số vật liệu thông dụng cho để chế tạo điện trở lực căng Hoang Si Hong-HUST 22 Cảm biến gia tốc sở điện trở lực căng piezoresistive accelerometer Hoang Si Hong-HUST 23 Chuyển đổi biến trở • Cấu tạo: gồm lõi vật liệu cách điện: gốm, sứ có hình dạng khác • Trên lõi quấn dây điện trở maganin, niken, crom Đường kính từ 0.02 – 0.1 mm • Trên lõi dây quấn có trượt chế tạo hợp kim platin-iridi, lực tì khoảng 0.010.1N Hoang Si Hong-HUST 24 Chuyển đổi biến trở • Nếu điện trở toàn phần chuyển đổi R với số vòng dây W Thì điện trở phát bé Ro = R/W-> nguỡng nhạy X Rx L U • Nếu chiền dài biến trở l, độ di chuyển bé phát Xo = l/W • Sai số rời rạc chuyển đổi với cuộn dây quấn là: γ = ΔRmin/2R = l/(2W) • ΔRmin điện trở toàn phần vòng dây • Sai số phi tuyến từ 0.1 đến 0.03%, ss nhiệt độ 0.1%/10 độ C Hoang Si Hong-HUST 25 Chuyển đổi biến trở • mạch biến trở • I = U /( Rx + Rct)= U/(Rct + R (x/l)) • dòng điện mạch tỷ lệ nghịch với điện trở cần đo, không tuyến tính, dòng điện ko biến thiên từ trở Hoang Si Hong-HUST X Rx L U 26 Mạch phân áp • Quan hệ Ux x tuyến tính Ux biến thiên từ đến U Rx biến thiên từ đến R Hoang Si Hong-HUST 27 Mạch cầu Hoang Si Hong-HUST 28 Một số kiểu chuyển đổi đo mức, độ dịch chuyển áp suất sở cảm biến biến trở • pressure sensor • Displacement sensor • level sensor Hoang Si Hong-HUST 29 Lưu ý câu hỏi • Nguyên lý ứng dụng cảm biến kiểu điện trở • Ưu điểm nhược điểm? • Cảm biến áp suất sở áp-trở biến trở dịch chuyển đo thường đo khoảng áp suất nào? Hoang Si Hong-HUST 30