CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG BỘ ĐO TÍN HIỆU ÁP SUẤT SÓNG XUNG KÍCH
4.3. Lựa chọn các linh kiện đáp ứng với tiêu chí đo
4.3.1. Đầu đo áp suất
Để đo áp suất trong trường sóng xung kích cần phải sử dụng một cảm biến có dải đo rộng, tốc độ đáp ứng nhanh. Có nhiều loại cảm biến được dùng để đo áp suất là cảm biến áp điện, cảm biến kiểu tụ, cảm biến dạng màng.
- Cảm biến áp suất kiểu tụ: dựa vào giá trị của điện dung để xác định áp suất.
Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách của cực tụ. Giá trị điện dung được tính bằng:
C = d
A
Với C là điện dung của tụ,
ε là hằng số điện môi của môi trường giữa hai điện cực, d là khoảng cách giữa hai điện cực,
A là diện tích của điện cực.
Hình 4.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất kiểu tụ.
Màng kim loại hoặc silicon được sử dụng làm phần tử cảm ứng áp suất và tạo thành một bản cực của tụ điện. Điện cực còn lại là cố định, tạo thành bởi một lớp hợp kim trên một nền sứ hay thủy tinh. Áp suất tác động vào màng, làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực, qua đó làm thay đổi điện dung của tụ điện Phương pháp đo này khá thông dụng, tầm đo rộng 10-3 – 107 Pascal. Tuy nhiên, cảm biến này cũng yêu cầu quy trình cách ly khá nghiêm ngặt.
- Cảm biến áp suất áp điện: phần tử cơ bản của cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện, được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường được sử dụng là thạch
54
HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH anh. Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỷ lệ với lực tác dụng.
Hình 4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện Điện áp trên hai bản cực thạch anh được tính: Q = d.F
Với d = 2,1.10-12 (C/N) là hệ số áp điện của thạch anh.
Cảm biến áp điện có ưu điểm là có tính ổn định và độ cứng cao, tuy nhiên, điện áp đầu ra rất nhỏ nên cần phải có mạch khuếch đại đủ lớn để đo được tín hiệu.
- Cảm biến áp suất dạng màng: hoạt động dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của phần tử biến dạng nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Màng mỏng thường là một thanh kim loại mỏng, trên đó có gắn các điện trở áp lực theo mạch cầu. Khi áp suất tác động lên màng, làm nó bị biến dạng, mạch cầu sinh ra điện áp tỷ lệ với độ võng của màng (hay độ lớn của áp suất). Có hai loại là cảm biến dạng màng phẳng và dạng uốn nếp.
a) b)
Hình 4.3. Cảm biến dạng màng phẳng (a) và dạng uốn nếp (b)
Cảm biến dạng màng uốn nếp có độ võng lớn hơn nên có thể sử dụng đo được áp suất lớn hơn dạng màng phẳng. Các điện trở áp lực gắn trên màng có dạng lá và thay đổi điện trở khi tiết diện của màng thay đổi theo công thức:
R = ρ𝑙 𝑆
HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH R: Giá trị điện trở,
ρ: điện trở suất l: chiều dài điện trở S: thiết diện của điện trở.
Hình 4.4 . Điện trở áp lực
Các điện trở áp lực thường được gắn thành mạch cầu để bù các sai số về nhiệt độ. Các cảm biến như nhau, sự thăng giáng trên các cảm biến được bù trừ trên cầu do mắc đối xứng.
Hình 4.5. Các điện trở áp lực được gắn thành mạch cầu Điện áp đầu ra được tính theo công thức:
Vout = Vin ( 𝑅2
𝑅1+𝑅2− 𝑅3
𝑅3+𝑅4 )
Cảm biến dạng màng có độ nhạy cao, dải áp suất đo được rộng, độ ổn định cao, không cần phải cách ly, hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt, nhỏ gọn.
Qua khảo sát 3 loại cảm biến thường được sử dụng để đo áp suất, có thể nhận thấy rằng đối với phép đo áp suất sóng xung kích thì cảm biến dạng màng là phù hợp nhất, với dải đo rộng, độ nhạy cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, có độ bền cao, có thể đo được trong môi trường nước, điện áp đầu ra của cảm biến từ 0,2V – 4,7V nên có thể đo được trực tiếp mà không cần qua các mạch khuếch đại.
56
HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH Trong các loại cảm biến dạng màng, cảm biến MPX5999D có khoảng đo áp suất từ 0 – 10 bar, phù hợp với yêu cầu đo được áp suất tối đa trên thiết bị tạo sóng xung kích là 5 bar.
Hình 4.6. Cảm biến áp suất MPX5999D Các tính năng của MPX5999D: [44]
Đặc tính Ký
hiệu
Giá trị nhỏ nhất
Giá trị trung bình
Giá trị
lớn nhất Đơn vị
Dải áp suất Pop 0 - 1000 kPa
Điện áp đầu vào Vs 4,75 5,0 5,25 Vdc
Dòng điện đầu vào Iin - 7 10 mAdc
Điện áp hiệu chỉnh offset Voff 0,088 0,2 0,313 Vdc Điện áp đầu ra lớn nhất VFSO 4,587 4,7 4,813 Vdc Chênh lệch điện áp đầu ra
lớn nhất và nhỏ nhất VFSS - 4,5 - Vdc Dòng điện đầu ra lớn nhất Io - 0,1 - mAdc
Độ nhạy V/P - 4,5 - mV/kPa
Sai số - - - ± 2,5 % VFSS
Thời gian đáp ứng tR - 1 - ms
HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH Cấu tạo bên trong cảm biến gồm chất cao su silicon (fluorosilicone) cách ly các thành phần bên trong với môi trường, đồng thời truyền áp suất tác động đến màng kim loại ở phía bên trong.
Hình 4.7. Cấu tạo bên trong MPX5999D
Mạch cầu trên màng kim loại có tác dụng bù sai số do nhiệt độ và đưa tín hiệu đo được qua mạch khuếch đại rồi đưa ra ngoài qua chân 1. Điện áp mạch ngoài trong khoảng từ 0,2V đến 4,7V tương ứng với mức áp suất thay đổi từ 0 – 1000kPa.
Hình 4.8. Mạch tích hợp bên trong MPX5999D
Mối liên hệ giữa áp suất tác động và điện áp đầu ra của cảm biến được biểu diễn bằng đồ thị:
58
HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH
Hình 4.9. Mối liên hệ giữa áp suất và điện áp ra của cảm biến MPX5999D Mạch đo cảm biến MPX5999D được nối:
Hình 4.10. Mạch đo sử dụng cảm biến MPX5999D
Chân số 3 của cảm biến nối với nguồn 5V, chân số 2 nối với đất, tín hiệu điện áp ra được đưa qua chân số 1 là tín hiệu tương tự, cần phải có một bộ chuyển đổi tương tự sang số để đọc được độ lớn của tín hiệu. Bộ chuyển đổi phải đáp ứng yêu cầu thu nhận được tín hiệu tương ứng với dải áp suất từ 0 – 1000kPa.