2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lưới. Đối với đầu đo dạng lưới dây, được làm bằng dây điện trở có tiết diện tròn (đường kính d ≈ 20 µm) hoặc tiết diện chữ nhật axb (hình 5.1a). Đầu đo dạng lưới màng chế tạo bằng phương pháp mạch in (hình 5.1b). Số nhánh n củacảm biếnthường từ 10 - 20 nhánh.
Hình 5.1 Sơ đồcấu tạo củađầu đo kim loại
a) Đầu đo dùng dây quấn b) Đầu đo dùng lưới màng
Cảm biếnđược cố định trên đế cách điện mỏngbề dày ~ 0,1 mm làm bằng giấy hoặc ~ 0,03 mm làm bằng chất dẻo (polyimide, epoxy). Vật liệu làm điện trở thường thuộc họ hợp kim Ni (bảng 5.1).
Bảng 5.1
Hợp kim Thành phần Hệsố 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
Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1
Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát (hình 5.2), kết quả là cảmbiến cũng chịu mộtbiến dạng như biến dạngcủa cấu trúc
Hình 5.2 Cách cốđịnhđầu đo trên bềmặt khảo sát 1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3)Lớp bảovệ 4) Mối hàn
5) Dây dẫn 6) Cáp điện 7) Keo dán Điện trởcủa cảm biến xác địnhbởi biểu thức :
Phương trình sai phân:
Biến dạng dọc ∆l của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan hệ giữa biến dạng ngang và biến dạngdọc có dạng:
Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc S = đd2/4, ta có: Mặt khác, đốivới đầu đo kim loại:
C - hằngsố Bridman.V - thể tích dây, Vì V = S.l, ta có:
Hệ số K được gọi là hệsốđầu đo, giá trị xác định theo biểuthức:
K = 1 + 2ν + C(1 −2ν) (5.6) Vì ν ≈ 0,3, C ≈ 1, nên đầu đo kim loại có K ≈ 2.
2.2. Các đặc trưng chủ yếu
- Điện trở suất: điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không quá dài làm tăng kích thước cảm biến và tiết diện dây không quá bé làm giảm dòng đo dẫn đến làm giảm độ nhạy.
- Hệ số đầu đo: thông thường K = 2 - 3, ngoại trừ isoelastic có K = 3,5 và platin- vonfram K = 4,1.
- Ảnh hưởng của lực đến độ tuyến tính: trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới hạn đàn hồi, khi ∆l/l > 0,5% - 20% tuỳ theo vật liệu, hệ số đầu đo K ≈ 2.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ: nói chung K ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, ngoại trừ isoelastic. Trong khoảng nhiệt độ từ - 100oC ữ 300oC sự thay đổi của hệ số đầu đo K theo nhiệt độ có thể biểu diễn bởi biểu thức:
K0 - hệsốđầu đoởnhiệt độ chuẩn T0 (thường T0 = 25oC).
αK - hệ số, phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì αK = -0,04%/oC, constantan αK = +0,01%/oC
- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở RL cảm biến còn có các đoạn nhánh ngang có tổng độ dài lt , điện trở Rt, do đó điện trở tổng cộng của cảm biến bằng R = RL + Rt. Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến dạng, Rt thay đổi cũng làm cho R thay đổi. Tuy nhiên do Rt << RL, ảnh hưởng của biến dạng ngang cũng không lớn.