CHƯƠNG 6: CÁC LOẠI CẢM BIẾN THƯỜNG DÙNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH
6.3.2. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại (Strain Gauge)
Màng sọc co giãn là loại sensor rất quan trọng dùng để đo áp suất, lực…đã được phát triển đầu tiên ở Mỹ trong những năm cuối thập niên 40. Lợi điểm của màng sọc co giãn là cĩ trị số đo chính xác, kích thước bé. Mạch đo hầu như được dùng với cầu Wheatstone. Để cĩ độ chính xác cao mạch điện cần nhiều điện trở bù trừ và sửa sai. Nguyên tắc: khi 1 sợi dây điện bị kéo căng ra, nĩ trở nên dài hơn và ốm hơn: điện trở của nĩ gia tăng, khi nĩ bị nén co lại, nĩ trở nên ngắn hơn và mập hơn: điện trở của nĩ giảm đi. Nếu ta giữ nĩ trong ranh giới đàn hồi, sau khi co giãn nĩ vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở như cũ. Nếu
ta gắn chặt dây điện này trên 1 phần tử cần đo đạt (ví dụ dán dính…), chiều dài của dây điện thay đổi theo chiều dài, sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi điện trở của dây điện tương úng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta cần khảo sát..
Vật liệu để làm màng sọc co giãn cĩ thể là kim loại hay vật liệu bán dẫn - thường là silic. Dưới tác dụng của áp suất màng sọc co giãn bị biến dạng. Sự thay đổi điện trở của nĩ gồm 2 phần: hình học và tính chất vật liệu của nĩ. Sự thay đổi thành phần sau là do điện trở suất của nĩ bị thay đổi. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại được chia làm 3 loại tuỳ theo phương pháp chế tạo:
- Màng sọc co giãn lá kim loại - Màng sọc co giãn màng mỏng - Màng sọc co giãn màng dầy.
Màng sọc co giãn lá kim loại:
Màng sọc co giãn loại thơng thường là những đường dẫn điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nền bằng chất dẻo. Người ta thực hiện bằng phương pháp in lụa hay quang khắc. Vì sự thay đổi chiều dài trong thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành đường uốn khúc để cĩ chiều dài khá lớn nằm trong một diện tích bé, từ đĩ ta cĩ sự thay đổi điện trở đáng kể. Đường dẫn điện phình ra ở các điểm uốn để làm giảm sai số đo với sự giãn nở ngang. Thường người ta chế tạo nhiều màng sọc co giãn trên cùng 1 nền để đo được cùng 1 lúc nhiều sự co giãn khác nhau. Điện trở định mức từ vài chục đến vài trăm Ω. Điện trở của màng sọc ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Để giải quyết vấn đề này người ta nối hai hay bốn màng sọc này thành một nửa hay một cầu điện trở, nhưng chỉ hai hay trong số đĩ chịu sự tác động của lực. Nhờ thế sự ảnh hưởng của nhiệt độ bị loại bỏ 1 phần lớn.
Một số đặc trưng kỹ thuật tiêu biểu của sensor áp suất màng sọc co giãn lá kim loại:
Áp suất làm việc: 10…5.103 bar Tín hiệu đo 1….2 mV/V
Sai số tuyến tính 0,1..0,3% Sự ảnh hưởng nhiệt cho mỗi 10k 0,05…0,3% Dải nhiệt độ hoạt động -400C..+1200C
Quá tải 200…1000% áp suất làm việt
Tần số riêng 73…200kHz
Nguồn điện 0,8..18V
Khả năng chống lại sự ăn mịn Tốt
Màng sọc co giãn loại màng mỏng:
Ngày nay các màng sọc co giãn kỹ thuật màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp bốc hơi chân khơng hay cơng nghệ phun. Qua hai phương pháp này cầu điện trở cĩ độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Với phương pháp bốc hơi chân khơng,chất rắn cần bốc hơi được nung nĩng chảy trong một bầu chân khơng. Khi năng lượng nhiệt vượt quá năng lượng liên kết của các nguyên tử ta cĩ sự bốc hơi của chất rắn. Hơi này gồm từng nguyên tử riêng lẻ hay từng khối nguyên tử khơng liên kết. Để cĩ được lớp nguyên tử mỏng và mịn nguồn bốc hơi và mục tiêu cần cách nhau khoảng 60m.
Hình 6.16. Cấu tạo của thiết bị bốc hơi chân khơng
1-Dây nung lớp nền; 2-Lớp nền; 3-Mặt nạ; 4-Lớp bốc hơi; 5-Vật liệu nĩng chảy; 6-Lị
Với phương pháp phun bụi(sputtering) - thường được hiểu tự động là phun bụi catot các nguyên tử hay nhĩm nguyên tử bị phun ra từ bản mặt catot trong chân khơng do cĩ sự va chạm của các ion nặng. Với cách thức nay người ta cĩ thể phủ một lớp mỏng kim loại lên trên thuỷ tinh, nhựa, kim loại hoặc các bề mặt khác trong chân khơng. Với phướng pháp phun bụi các ion Argon đạt năng lượng cần thiết do các xung điện cĩ định hướng và với hiệu ứng phĩng điện phát sáng cĩ kiểm sốt. Các ion Argon bắn phá bề mặt catot và làm cho các nguyên tử ở bề mặt này bị đánh văng ra,bị bốc bụi. Để hiệu ứng phĩng điện phát sáng hoạt động liên tục, điều kiện áp suất khí trong bầu chân khơng cần được giữ ở một trị số nhất định.
Vì thế độ dài tự do của các nguyên tử từ vật liệu catơt ngắn hơn so sánh với phương pháp bốc hơi trong chân khơng siêu cao. Đĩ là lý do khoảng cách giữa catot và nền phun chỉ cần cĩ 5…10cm. Với phương pháp phun bụi các phần tử bị bốc bụi cĩ động năng khoảng 5eV, cao hơn so với phương pháp bốc hơi chân khơng gấp 10 lần. Do cĩ độ thẩm thấu vào lớp nền qua phương pháp phun bụi cao hơn. Khi catot là vật liệu dẫn điện,người ta dùng điện một chiều. Nhưng nếu là chất cách điện, ví dụ: SiO2, người ta dùng một nguồn điện cao tần với cơng suất vài KW. Với phương pháp bốc hơi chân khơng nguồn bốc hơi cĩ hình dạng điểm thường hay đường thẳng. Trong khi đĩ với cơng nghệ phun bụi mặt catot cĩ kích thước giống như mặt cần phun phủ. Với cơng nghệ phun bụi catơt người ta đạt được nhiều lợi điểm hơn so với phương pháp bốc hơi chân khơng. Với những cơng đoạn phức tạp qua cơng nghệ phun bụi catơt lớp phun phủ được tối ưu hố theo ý muốn. Đầu tiên là tính chất của vật liệu catơt. Sự tinh khiết của bụi nguyên tử được phun ra và cả áp suất hơi trong buồng chân khơng xác định sự tinh khiết và vận tốc phun phủ của lớp phun phủ. Chỉ cần một thành phần nhỏ khí O2, lớp phun phủ của màng sọc co giãn bị oxit hố. Thơng số nhiệt và điện của nĩ hồn tồn bị sai lệch và khơng thể phục hồi được. Tuy nhiên nếu lớp phun phủ là lớp cách điện, với thành phần khí 02 được cho thêm ta cĩ những thuận lợi. Vận tốc và phẩm chất của lớp phun phủ cịn được xác định bởi cơng suất và sự phát điện phát sáng, nhiệt độ của lớp nền dưới sự phun phủ, bắn phá của “bụi catốt”. Khi lớp nền bị bám bụi quá nhanh, lớp phun phủ cĩ thể bị nứt nẻ vì sự căng cơ học và trở nên vơ dụng.
87 7 6 5 4 3 2 1
Hình 6.17. Cấu tạo của thiết bị phun bụi
1 - Chuơng chân khơng; 2 - Mục tiêu catot; 3 - Anot nền; 4 - Máy đĩ chân khơng; 5 - Hơi vào; 6 - Bơm chân khơng; 7 - Nước làm nguội; 8 - Cao thế. Khi lớp phun phủ trên lớp nền theo thời gian dày hơn, khoảng cách giữa catốt và lớp nền cĩ màng sọc co giãn trở nên ngắn hớn. Điều này làm ảnh hưởng tới tổng trở của sự phĩng điện phát sáng xung điện…và dĩ nhiên đến phẩm chất của màng sọc co giãn.
Trước khi thực hiện việc phun phủ, bề mặt của lớp nền cần được chà láng. Độ nhám cao nhất cho phép là 0,1µm. Tất cả các cơng đoạn như thay đổi catốt, đưa
lớp nền vào các vị trí khác nhau, phun phủ lớp cách điện SiO2 và màng sọc co giãn đều phải thực hiện trong điều kiện siêu sạch. Màng sọc co giãn bề mặt cĩ bề dày khoảng 60mm.
Cơng đoạn sau cùng cĩ tầm quan trọng quyết định, đĩ là việc gia nhiệt cho lớp phun phủ. Qua cơng đoạn bắn phá với ion để hình thành lớp phun phủ, các lớp vật liệu này chứa đựng các lỗ trống, sự lệch của mạng nguyên tử… Trong quá trình gia nhiệt cĩ kiểm sốt thực chính xác các nguyên tự khuếch tán trở về vị trí cân bằng nhiệt của nĩ. Tồn bộ việc thực hiện màng sọc co giãn được thực hiện trong phịng siêu sạch với áp suất cao hơn áp suất khí quyển để tránh sự xâm nhập của bụi. Nhiệt độ của nơi sản xuất đựơc giữ ổn định ở 200C với độ ẩm luơn dưới 40%. Với phương pháp phun bụi catơt đặc trưng kỹ thuật của một màng sọc co giãn cĩ thể đạt các thơng số sau:
Độ chính xác(ảnh hưởng do +
−0,15% tồn thang đo khơng tuyến tính và sự trễ Khoảng bù trừ nhiệt độ -54..+1200C
Sự trượt do nhiệt độ 0,01% tồn thang/K
Sự ổn định của điểm Zero 0,1% tồn thang cho 13000 giờ
Màng sọc co giãn được thực hiện với cơng nghệ màng mỏng đạt được những tính chất ưu việt như:
- Sự ổn định lâu dài với thời gian rất tốt. - Độ chính xác cao.
- Điểm zero và tín hiệu tồn thang đo ổn định đối với nhiệt độ. - Chịu đựng tốt đối với độ run.
- Thích hợp cho việc đo áp suất tĩnh và động. - Tiêu hao ít năng lượng
Một số ứng dụng của màng sọc co giãn - Dùng trong việc thử nghiệm các động cơ. - Kiểm sốt áp suất bên trong buồng máy bay. - Kiểm sốt sức nén liên tục của động cơ phản lực.
Đặc trưng kỹ thuật của các loại sensor áp suất màng sọc co giãn với kỹ thuật màng mỏng:
Dải đo 2.10-1…3.103 bar
Sai số tuyến tính 0,2…0,5 %
Độ chính xác cao 0,1…0,5%
Tần số riêng 4..>100kHz
Sự ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10k 0,2..0,3% Dải nhiệt độ làm việc -400C…5000C
Quá tải 200…1000% áp suất làm việc
Khả năng chống lại sự ăn mịn Tốt
Sensor áp suất loại màng sọc co giãn với kỹ thuật màng dầy trên nền gốm:
Sensor loại này khơng được dùng rộng rãi so với loại kỹ thuật màng mỏng. Màng sọc co giãn được chế tạo trên một nền gốm (Al2O3) với kỹ thuật in lụa.Lợi điểm của kỹ thuật màng dầy: ta cĩ thể chế tạo sensor áp suất và mạch khuếch đại với kỹ thuật mạch hỗn hợp (Hybrid technology). Một số đặc trưng kỹ thuật:
Áp suất làm việc 1…2.102bar
Trị số đo 2…10 mV/V
Sai số tuyến tính 0,3..0,5%
Ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10k 0,1…0,3% Dải nhiệt độ làm việc -500C….+1500C
Quá tải 130% áp suất làm việc
Khả năng chống lại sự ăn mịn Tốt
Tần số riêng 1…20kHz