liệu đặc tr-ng
1. Sai số khoảng 1%, nguyên nhân gây sai số chủ yếu do sức căng bề mặt của thuỷ ngân.
2. Mô men chuyển động khoảng vài lần 10-4 N.m 3. Trong thực tế, những điện trở tiếp
xúc thuỷ ngân không nhạy cảm với
biến đổi nhiệt độ. Những -u, nh-ợc điểm của cảm biến điện trở tiếp xúc thuỷ
ngân
Ưu điểm: 1. Mô men chuyển động t-ơng đối nhỏ 2. Vì có kết cấu kín nên không nhạy
với các tác động hoá học của môi
tr-ờng. 3. Bị mòn (do cọ sát giữa dây điện trở và thuỷ ngân) nh-ng không hỏng. Nh-ợc điểm: 1. Rất nhạy với rung xóc và vị trí đặt 2. Chỉ tạo đ-ợc những điện trở có trị số nhỏ. 3. Nhạy với độ tinh khiết của thuỷ ngân. 2 . 4 . 3 T ạ o đ ặ c t u y ế n p h i t u y ế n g ầ n đ ú n g
p p12
A B
Hình 2.16. Cảm biến điện trở tiếp xúc thuỷ ngân dùng để tạo gián đoạn gần
đúng đặc tuyến tĩnh phi tuyến
58Bằng một kết cấu đơn giản, ta có thể ứng dụng cảm biến điện trở tiếp xúc
thuỷ ngân để tạo gần đúng (gián đoạn) đặc tuyến phi tuyến. Hình 2.16 minh hoạ cho kết cấu này, rõ ràng điện trở ra R biến đổi một cách gián đoạn t-ơng ứng với độ cao của cột thuỷ ngân, phụ thuộc vào tác động của hiệu áp suất giữa P1 và P2. 2.5. Cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất 2.5.1 Nguyên lý cấu tạo, hoạt động AB
Cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất là một loại cảm biến dùng để chuyển đổi áp suất thành điện trở. Nh- vậy, đại l-ợng vào của nó là áp suất và đại l-ợng ra sẽ là biến đổi điện trở nh- sơ đồ khối trên hình 2.17.
Đối t-ợng đo (áp suất) có thể là: áp suất hình thành từ lực nén, áp suất thuỷ lực hoặc áp suất khí.
Cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất gồm hai dạng chính là: cảm biến điện trở quá độ và cảm biến điện trở áp điện. Ta sẽ lần l-ợt nghiên cứu kỹ các dạng cảm biến này ở các mục tiếp theo.
đ ổ i đ i ệ n t r ở
p Δ R
Hình 2.17. Sơ đồ khối của cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất
2.5.2 Cảm biến điện trở quá độ biến điện trở quá độ
F
a ) T r - ớ c k h i n é n b ) S a u
k h i n é n
Hình 2.18. Diện tích bề mặt tiếp xúc của cảm biến điện trở quá độ a) tr-ớc và b) sau khi bị nén
59 Vì bề mặt thô nhám, sần sùi, nên khi tiếp xúc với nhau, ở mặt tiếp xúc giữa các vật liệu rắn dẫn điện xuất hiện điện trở quá độ t-ơng đối lớn. Khi có
lực nén (áp suất) tác dụng, vật liệu bị biến dạng, các mặt sần sùi đ-ợc là phẳng, diện tích mặt tiếp xúc tăng và do đó làm giảm điện trở quá độ. Đó là bản chất vật lý của cảm biến điện trở quá độ phụ thuộc áp suất. Hình 2.18 a) và b) mô phỏng hoạt động của cảm biến này, diễn tả bề mặt tiếp xúc tr-ớc và sau khi nén.
Rõ ràng, điện trở quá độ là hàm số của lực nén, sự biến đổi điện trở đ-ợc tính bằng công thức gần đúng:
Ro R = (2.26)
2/3 1 + (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c . F
Trong đó, Ro là điện trở quá độ khi ch-a bị nén; C là hằng số; F lực nén. Cấu tạo đặc tr-ng của một cảm biến thuộc này đ-ợc mô tả trên hình
2.19. Các phần tử nhạy cảm chính là những thỏi than đ-ợc xếp chồng lên nhau thành hình trụ (ký hiệu số 5). Khi có lực nén (F) tác dụng, điện trở của các thỏi than thay đổi theo hai nguyên nhân, một mặt do điện trở riêng của các thỏi than thay đổi, mặt khác chính là do sự thay đổi điện trở quá độ lớp tiếp xúc giữa các thỏi than.
Trụ ghép các phiến than Vít kẹp ( 5 ) ( 6 ) 1 C á c đ ầ u n ố i 2 3 4 T r ụ g h é p c á c p h i ế n t h a n (5) (6) Lực (F)
Hình 2.19. Cảm biến điện trở quá độ bằng các
phiến than đ-ợc
sắp xếp thành hai trụ theo nguyên lý vi sai
60 Hình 2.20 thể hiện họ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa đại l-ợng cần đo (lực, áp
suất) ở đầu vào và đại l-ợng đo đ-ợc ở đầu ra (biến đổi điện trở). Ta có thể thấy đ-ợc dáng điệu cũng nh- độ lớn của biến đổi điện trở và biến dạng của trụ than trong hàm số của lực nén (áp suất) tác động trên một đơn vị diện tích.
Những yêu cầu kỹ thuật đối với các thỏi than là phải dùng chất liệu than điện cực (graphit)
chiều dày khoảng từ 0,3 đến 0,5 mm, giới hạn đo từ 100 đến 10 000N. Cảm biến loại này
phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, vì vậy, ng-ời ta th-ờng chế tạo chúng theo kết cấu vi
sai để bù trừ ảnh h-ởng của nhiệt độ môi tr-ờng. 100 (Ο) (Điện (àm) (Biến trở của trụ
than) 9 0
8 0 (1) 20 (1) 100 10 50
20 8 1 6 2 4 3 2 4 0 4 8 5 6 á p s u ấ t t á c đ ộ n g v à o t r ụ t h a n ( k G / c m )
Ghi chú: Các đ-ờng cong t-ơng ứng với số phiến than trong mỗi trụ (1): 5 phiến; (2): 10 phiến; (3): 15 phiến; (4): 19 phiến.
Hình 2.20. Họ đồ thị biểu diễn mối t-ơng quan giữa ứng lực đầu
vào và biến đổi điện trở đầu ra của cảm biến điện trở quá độ 60 50 250
61Những -u, nh-ợc điểm của cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất: Ưu điểm: 1. Kết cấu đơn giản 2. Giá thành rẻ Nh-ợc điểm: 1. Đặc tuyến không tuyến tính, không ổn định 2. Sai số trễ (hồi quy) lớn, khoảng 5%
3. Rất nhạy với biến đổi nhiệt độ của môi tr-ờng. Với những nh-ợc điểm nh- vậy, nên việc sử dụng của loại cảm biến này
rất bị hạn chế. Tr-ớc đây, ng-ời ta th-ờng sử dụng để làm các bộ ổn định dòng. Hiện nay, đôi khi chúng đ-ợc dùng vào việc đo lực (ở mức độ rất hạn chế).
2.5.3 Cảm biến điện trở áp điện Khi có ngoại lực (áp suất) tác động vào các vật rẵn sẽ làm cho cấu trúc làm cho cấu trúc
theo. Hiện t-ợng vật lý đó đã làm cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo các cảm biến đo điện trở áp điện.
Tuỳ thuộc vào vật liệu sử dụng, biến đổi điện trở sẽ mang dấu âm hoặc d-ơng. Vật liệu th-ờng đ-ợc sử dụng để chế tạo cảm biến điện trở áp điện là kim loại dẫn điện hoặc bán dẫn. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về bản chất và cấu tạo của các cảm biến điện trở áp điện chế tạo từ hai loại vật liệu này.
A Cảm biến điện trở áp điện bằng kim loại Hình 2. 21 Nguyên l ý cấ u tạo củ a
cảm biến điện trở áp điện bằn g kim loại
Nguyên lý cấu tạo của chúng đ-ợc thể hiện trên hình 2. 21. Khi có lực F tác dụng theo pittong, trong lòng chất lỏng chứa trong xi lanh bị nén sẽ xuất
po F p (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
R
62hiện áp suất p. Điện trở của dây kim loại phụ thuộc áp suất (hầu hết các kim loại đều mang tính chất này) sẽ biến đổi theo biểu thức:
R = R o . ( 1 + b . Δ p ) ( 2 . 2 7 ) T r o n g đ ó , R l à đ i ệ n t r ở d â y l o ạ i ; R o l à g i á t r ị đ i ệ n t r ở g ố c c ủ a d â y k i m loại d-ới áp suất 1 atm(áp suất khí quyển po); Δp là biến đổi áp suất so với áp suất khí quyển (1atm); b là hệ số áp suất (đ-ợc cho trên bảng 2.2).
Trên bảng 2.2. giới thiệu một số kim loại th-ờng đ-ợc sử dùng làm cảm biến điện trở áp
điện. Manganin đ-ợc sử dụng phổ biến nhấtvì điện trở suất
của nó ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhờ vậy, sai số phát sinh do sự biến đổi của nhiệt
độ bé, trị số điện trở gốc những cảm biến điện trở áp điện bằng manganin th-ờng là 100 Ο.
B ả n g 2 . 2 V ậ t l i ệ u t h - ờ n g d ù n g l à m c ả m b i ế n đ i ệ n t r ở á p đ i ệ n
3 Hệ số áp suất của một số kim loại trong khoảng áp suất từ 0 đến 12.10 atm, ở nhiệt độ 25oC
-6 Kim loại Hệ số áp suất b (1/atm) Nhôm - 4.10
-6 A n t i m o n
1 1 , 1 . 1 0 -6 Đ ồ n g - 1 , 8 . 1 0 -6 S ắ t - 2 , 3 . 1 0 -6 M a n g a n i n + 2 , 3 . 1 0 -6 P l a t i n - 1 , 9 . 1 0 -6 B ạ c - 3 , 3 . 1 0
Ví dụ cảm biến áp điện đ-ợc chế tạo từ dây điện trở Manganin. Ta thử tính xem
biến đổi áp suất t-ơng đối (tính theo tỷ lệ phần trăm) của điện trở cảm biến sẽ là bao nhiêu d-ới tác dụng của áp suất cần đo là 10 000 atm.
-6 Từ bảng 2.2 ta có b = + 2,3.10-6 (1/atm), vậy biến đổi áp suất t-ơng đối của điện trở cảm biến sẽ là: b.Δp = 2,3.10.104 = 2,3.10-2 = 2,3 (%). Những -u nh-ợc điểm của cảm biến điện trở áp điện: Ưu điểm: 1. Kết cấu đơn giản.
63 2. Trong thực tế có thể coi cảm biến tiếp nhận sự biến đổi áp suất một cách tức thời (không trễ).
3. Trễ hồi qui không đáng kể. Nh-ợc điểm:
1. Độ nhạy bé ( chỉ có thể sử dụng đo các áp lực lớn). 2. Đặc tuyến không hoàn toàn tuyến tính. 3. Khi chế tạo những cảm biến đo áp suất lớn, việc nối các đầu ra
là một vấn đề nan giải. B. Cảm biến điện trở áp điện bán dẫn Cảm biến điện trở áp
điện bán dẫn cũng có nguyên lý cấu tạo giống nh-
cảm biến điện trở áp điện kim loại đã thể hiện trên hình 2.21. Điều đáng l-u ý ở cảm biến này là lực chỉ tác dụng trong một h-ớng đã xác định. Trên hình 2. 22 sẽ thể hiện rõ hơn điều l-u ý này.
H - ớ n g c ủ a á p s u ấ t Δ R 5 % Ro p 4 3 2 1 H - ớ n g c ủ a d ò n g 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 p ( k G / c m )
Ghi chú: p là áp suất; ΔR /Ro là biến đổi điện trở t-ơng đối.
Hình 2.22. Nguyên lý cấu tạo và đặc tuyến tĩnh của điện trở áp điện bán dẫn
R õ r à n g , v ề m ặ t q u a n h ệ g i ữ a đ i ệ n t r ở v à l ự c n é n ( á p s u ấ t ) t h ể h i ệ n r ấ t
phức tạp. Khảo sát mối quan hệ này đã có các nhà vật lý và các chuyên gia về vật liệu. Chúng ta chỉ khảo sát những khía cạnh của mối quan hệ theo quan điểm chất l-ợng của cảm biến. Độ lớn và dấu của biến đổi điện trở phụ thuộc vào những yếu tố sau:
64 1. Vật liệu bán dẫn 2. Độ bẩn tạp và dạng bẩn tạp (p hay là n) 3. H-ớng của tải (h-ớng tác động của lực nén) - biểu hiện của tính
không đẳng h-ớng. Các cảm biến điện trở áp điện bằng bán dẫn hầu hết đ-ợc chế tạo từ
đơn
tinh thể liên kết bền vững (ng-ợc lại, kim loại có cấu trúc đa tinh thể, liên kết của chúng không theo một trật tự nhất định và không bền vững). Ng-ời ta th-ờng sử dụng hệ trục toạ độ vuông góc để biểu diễn các phần tử tinh thể cấu tạo nên mạng tinh thể. Cách biểu diễn đó đ-ợc giới thiệu trên hình 2.23. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hãy t-ởng t-ợng phần tử tinh thể là một khôí lập ph-ơng có cạnh một đơn vị. Một đỉnh của khối lập ph-ơng đ-ợc đặt vào đúng góc của hê trục toạ độ. Các đỉnh còn lại t-ơng ứng với các điểm cuối của những véc tơ xuất phát từ góc có các trị số toạ độ riêng biệt. H- ớng của từng mặt tinh thể cũng do chính các véc tơ này tạo nên (véc tơ h-ớng của mặt vuông góc với mặt). Khi các thành phần của véc tơ chỉ h-ớng âm, dấu âm (-) đ-ợc đặt thành gạch ngang trên đầu các thành phần đó. Ví dụ, -1 đ-ợc viết thành 1.
Các h-ớng của những véc tơ mặt tinh thể chính là các h-ớng thuộc về tinh thể. Phép định ph-ơng tinh thể chính là việc xác định các h-ớng này.
0 0 1 0 1 1 1 0 1 z 1 1 1 y 0 1 0 x 1 0 0 1 1 0
Hình 2.23 Khối lập ph-ơng biểu diễn hệ toạ độ vec tơ cấu tạo
đơn tinh thể bán dẫn
Sở dĩ ng-ời ta th-ờng sử dụng các đơn tinh thể để chế tạo những cảm biến điện trở áp điện bán dẫn vì những lý do sau:
65 1. Biến đổi điện trở chỉ có độ lớn đáng kể ở trong các h-ớng tinh thể đã đ-ợc xác
định, ở các h-ớng khác biến đổi không đáng kể, nh- vậy thuộc tính không đẳng h-ớng
mạnh.
2. Cũng vì có tính không đẳng h-ớng cho nên ở ph-ơng khác nhau của cùng tinh thể sẽ
có biến đổi điện trở mang dấu và độ lớn khác nhau.
có thể thực hiện đ-ợc với những vật liệu có cấu trúc đơn tinh thể.
4. Sức bền cơ học của cảm biến đ-ợc bảo tồn. Trên hình 2.24 ta có thể thấy đ-ợc hai loại điện trở áp điện đ-ợc cắt
theo hai ph-ơng khác nhau để sử dụng cho hai ph-ơng pháp đo khác nhau. Hai ph-
ơng đ-ợc cắt là:
(100, 010) ứng với A và B (110, 110 ) ứng với C và D. Hai ph-ơng pháp đo đ-ợc sử dụng là: 1. Đo điện áp U giữa hai điểm đã xác định của tinh thể khi dòngchạy
qua nằm trong h-ớng của lực tác dụng (ta th-ờng gọi là ph-ơng pháp hai kim - hai kim găm vào hai điểm), tr-ờng hợp A và C.
2. Ta sẽ đo dòng I và điện áp U trên các bản cực đã đ-ợc đặt vuông góc với h-ớng lực tác dụng, tr-ờng hợp B và D.
A B C D
U U,I U U,I F F F F
G h i c h ú: F : l ự c t á c d ụ n g ; U : đ i ệ n á p ; I : d ò n g .
Hình 2.24. Các ph-ơng pháp đo điện trở của những cảm biến áp điện đã đ-ợc cắt theo những ph-ơng khác nhau
Trên bảng 2.3. sẽ giới thiệu những biến đổi điện trở t-ơng đối của
những điện trở áp điện đã đ-ợc chế tạo từ những vật liệu bán dẫn khác nhau
66theo các ph-ơng cắt A, B, C, D nêu trên ứng với sức căng cơ học 1072 Pa (xấp xỉ 100
kG/cm). Những điều cần l-u ý đối với cảm biến điện trở áp điện bán dẫn:
1. Biến đổi điện trở t-ơng đối cũng còn phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu. 2. Ta có thể thấy đ-ợc: cặp biến đổi điện trở t-ơng đối có dấu ng-ợc nhau song có giá trị tuyệt đối nh- nhau (gần nh- nhau).
3. Biến đổi điện trở t-ơng đối của chúng lớn hơn rất nhiều lần so với biến đổi điện trở t-ơng đối của kim loại (ở bảng 2.2).
Biến đổi điện trở t-ơng đối của điện trở áp điện bằng vật liệu bán dẫn tỷ lệ với áp suất
trong một khoảng t-ơng đối rộng, vì vậy đặc tuyến tĩnh của cảm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
biến điện trở áp điện bán dẫn gần nh- tuyến tính.
U ra 1 2 3 4 1 4 U U Ghi chú: 1, 2, 3, 4 là bốn điện trở áp điện mắc thành mạch cầu; 2 3 ra
U l à đ i ệ n á p
n g u ồ n ; U ra là điện áp ra của mạch cầu
cảm biến.
Hình 2.25. Mạch cầu của cảm biến đo lực bằng điện trở áp điện
Vấn đề thuộc về kỹ thuật đo l-ờng cần quan tâm l-u ý đặc biệt khi ứng dụng cảm
biến điện trở áp điện bán dẫn là: các điện trở áp điện bán dẫn phụthuộc rất mạnh vào
nhiệt độ. Để hạn chế tác dụng này cần phải thiết lập mạch
67cầu với hệ thống đo vi sai. Hình 2.25. giới thiệu nguyên lý cấu tạo của một cảm biến đo lực bằng điện trở áp điện bán dẫn đ-ợc mắc theo mạch cầu. Trên bốn nhánh cầu là bốn điện trở áp điện bán dẫn (đ-ợc đánh dấu theo thứ tự 1, 2, 3, 4).
đổi điện trở t-ơng đối của các điện trở 1 và 3 có cùng giá trị tuyệt đối nh-ng ng-ợc dấu vơí biến đổi điện trở t-ơng đối của các điện trở 2 và 4. Tác dụng của nhiệt độ trên cả bốn nhánh cầu điện trở đều nh- nhau. Nh- vậy, theo quan điểm thực tế, điện áp ra của mạch cầu sẽ độc lập với nhiệt độ. Vấn đề này ta sẽ cùng bàn kỹ trong ch-ơng 5 khi nghiên cứu về một loại cảm biến điện trở đặc biệt - cảm biến tem điện trở đo biến dạng.