Cảm biến áp suất được lựa chọn ở đây là cảm biến áp suất áp điện 2SMPP-02 của hãng Omron, đây là cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng máy đo huyết áp hiện hành với kích thước nhỏ gọn, độ chính xác và tuổi thọ cao.
30
Hình 28: Cảm biến 2SMPP-02 OMRON
Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất áp điện 2SMPP-02 OMRON được trình bày trong bảng 5:
Bảng 5: Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất 2SMPP-02 OMRON [16]
STT Cảm biến 2SMPP-02 Thông số kỹ thuật 1 Loại cảm biến Áp suất Gauge
2 Phương pháp cảm biến Piezoresistance – Điện trở áp điện
3 Môi trường áp suất Không khi
4 Dải đo áp suất 0 -37kPa (277,5mmHg) 5 Dải áp suất tối đa 53kPa
6 Nhiệt độ hoạt động 0-50oC 7 Độ ẩm hoạt động 15-95%
8 Điện trở cầu 20 ±2 kΩ
9 Điện áp vi sai 31.0 ±3.1 mV (tại 37kPa) 10 Độ phi tuyến 0.8% FS max. (0 đến 37 kPa) 11 Độ trễ áp suất 0.5% FS (0 to 37 kPa)
12 Công suất tiêu thụ 0.2mW
31 Cảm biến 2SMPP-02 sử dụng phần tử cảm biến điện trở áp điện là một cầu điện trở áp điện đặt bên trong để làm chip cảm biến. Cấu trúc của cảm biến được trình bày trong hình 28:
Hình 29: Hình ảnh minh hoạ kế cấu cảm biển áp suất 2SMPP-02 [16]
Khi áp lực được đưa vào cảm biến thông qua đầu khí vào của cảm biến lớp màng của cầu điện trở áp điện bị biến dạng dẫn đến thay đổi giá trị điện trở của các điện trở áp điện. Mô tả tác động của áp lực tấm điện trở áp điện của cảm biến được trình bày trong hình 29:
Hình 30: Hình ảnh nguyên lý tác động áp lực lên bề mặt cảm điện trở áp điện [16]
Các chân tín hiệu của cảm biến và cầu điện trở áp điện của cảm biến 2SMPP-02 được mô tả như hình dưới. Cầu điện trở là một cặp mạch phân áp với 2 đầu ra là
32 Vout+ và Vout-. Giá trị áp suất được tính toán từ giá trị đầu ra là điện áp chênh lệch giữa Vout+ và Vout-.
Hình 31: Sơ đồ chân và sơ đồ mạch điện tương đương của cảm biến áp suất 2SMPP-02 [16]
Giá trị điện áp chênh lệch ban đầu Vo = 0 do giá trị điện trở R1=R2=R3=R4=R. Giá trị điện áp đầu ra được tính theo công thức:
𝑉𝑜 = ( 𝑅1. 𝑅3− 𝑅2𝑅4 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3+ 𝑅4) . 𝐼
(1)
Khi có áp suất tác động, điện trở áp điện thay đổi giá trị điện trở, với R1, R3 tăng ∆𝑅 và R2 và R4 giảm ∆𝑅.
Hình 32: Sơ đồ mạch điện tương đương của cảm biến 2SMPP-02 khi được cấp nguồn [16]
Thay giá trị R1, R2, R3, R4 bằng R và ∆𝑅 tương ứng vào công thức (1), ta được
𝑉𝑜 = ( (𝑅 + ∆𝑅). (𝑅 + ∆𝑅) − (𝑅 − ∆𝑅). (𝑅 − ∆𝑅) (𝑅 + ∆𝑅) + (𝑅 − ∆𝑅) + (𝑅 + ∆𝑅) + (𝑅 − 𝑅)) . 𝐼
33 Khi đó:
𝑉𝑜 = ∆𝑅. 𝐼 (3)